Perguntas Mensais e Melhores Respostas



Pergunta do mês de Março (valeu 1 ponto): Por que gelo é mantido congelado (isto é, sem derreter) mais tempo se envolto em jornal úmido?

Melhor resposta: Luis Eugenio Corrêa.

O gelo é melhor conservado quando envolto em jornal úmido devido a mecanismos que dificultam a entrada de energia proveniente do ambiente externo. Isto ocorre da seguinte maneira: Ao utilizarmos este processo de isolamento térmico, em geral nós embrulhamos a pedra de gelo em algumas folhas de jornal úmido. Por ser absorvente, o jornal retem a água. Entre as folhas de jornal há o acúmulo de água e de ar, que possuem baixos coeficientes de condutividade térmica, o que os faz bons isolantes térmicos.

Tal sistema de isolamento busca restringir o movimento do ar e da água entre as folhas de jornal, conservando assim a temperatura do gelo, retardando seu derretimento. Podemos tambem citar que uma folha de jornal possui baixa condutividade térmica, k = 0.038W/mK a 285K [Tabela A3 do livro]. Vale tambem ressaltar que por ser de cor clara, boa parte da radiação que atinge sua superficie é refletida.

P.S. A água funciona tambem como uma especie de fixador que prende uma folha de jornal a outra de modo que o ar no interior do sistema não escape. Pensei a respeito da evaporação da água e acho que cheguei a uma resposta razoável.

O processo envolvido é o do resfriamento devido a evaporação, ou resfriamento evaporativo. Ocorre sempre quando um gás, no caso o ar, flui sobre a superfície de um líquido, a água. Há então a evaporação da superfície do líquido e a energia associada com a mudança de fase é o calor latente de vaporização do líquido (água).

A evaporação ocorre quando moléculas do líquido que estão próximas da superfície sofrem colisões que aumentam sua energia acima do valor mínimo necessário para romper sua energia de ligação superficial. A energia necessária para manter a evaporação vem da energia interna do líquido, que consequentemente sofre uma REDUÇÃO DE TEMPERATURA (efeito resfriante). Com isto, concluímos que a evaporação da água ajuda na conservação da temperatura do gelo, retardando assim o seu derretimento.

Outro fato que não pude achar a confirmação em nenhum livro, mas acho ser válido citar é a respeito da névoa de vapor frio que fica em volta da superfície. Esta névoa atua como uma camada protetora que fica entre a superfície e o ambiente, resfriando o ar quente que incide sobre o sistema gelo-jornal-água.

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Pergunta do mês de Abril (valeu 1 ponto): Uma bela lareira é utilizada em cidades como Petrópolis, Teresópolis, etc no inverno. Explique por que a fumaça sobe pela chaminé e não se espalha pela sala, ainda que o fogo não esteja exatamente abaixo do buraco. O que causa a corrente ascendente e por que é melhor termos uma chaminé alta. Por que a retirada é feita de forma mais eficiente em um dia com vento? Que outro efeito interessante pode ser visto em uma chaminé?


Melhor resposta: Vinícius

O que causa o movimento de uma corrente de ar é a diferença de temperatura entre essas massas de ar, que provocará por conseguinte uma diferença de densidades que resultará no surgimento de uma força(empuxo).

A massa de ar que se encontra dentro da casa está a uma temperatura maior que no lado de fora. Farei a seguir algumas considerações sobre a afirmativa acima:

I) As paredes servem como isolante térmico, pois os materiais de que são feitas tem baixa condutividade térmica, além do fato de existir ar dentro da parede, que é um ótimo isolante;

II) A presenca de inúmeras fontes de calor no interior da casa, como lâmpadas, eletrodomésticos, pessoas, etc., elevariam esta temperatura;

III) A lareira usualmente é acesa nos dias mais frios e ao anoitecer, causando assim uma maior diferença de temperatura entre o lado externo e interno da casa.

A lareira ao ser acesa aquecerá o ar logo acima do fogo. Como a diferença entre a temperatura desta massa e a do lado de fora é maior do que a diferença de temperatura da massa de ar interna da casa e a que está acima do fogo, isto implica no movimento de uma corrente de ar na direção de maior gradiente .

A chaminé alta assegura que a temperatura externa esteja mais fria, pois o ar acima dela estaria menos propenso a sofrer influências das fontes de calor abaixo dela tais como:

I) As já mencionadas anteriormente;
II) A emissividade dos materiais de construção como areia, asfalto, tijolo, concreto, etc., todos com emissividade em torno de 0,9.

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Uma melhor resposta é aquela que diz que com o aumento da altura da chaminé, a retirada de ar da sala será melhor pois haverá uma maior massa de ar quente encima do fogo. Um pacote de ar no meio da chaminé é empurrado para cima pela entrada de ar frio na região do fogo mas também é empurrado para baixo pelo ar frio colocado acima. Se o ar acima estiver quente, entretanto, o peso será menor, facilitanto a retirada do ar do ambiente. Aumentando a altura, a massa de ar quente será maior e mais facilmente o ar do ambiente empurrará o ar quente.
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Com um dia de vento a convecção passa a ser forçada, além do fato de o fluxo de ar que passa logo acima da chaminé causar uma depressão sobre o orifício da chaminé (efeito Venturi), ajudando assim na “sucção” do ar que se emcontra no interior da casa.

Outro efeito interessante é que o aquecimento do ambiente interno se fará precipuamente por radiação, já que o ar aquecido por convecção tende a sair através da chaminé, na direção de onde se encontra uma massa de ar mais fria. Isto nos leva a conclusão de que para se aproveitar melhor o calor transferido, deve-se estar próximo a lareira, onde se encontra uma região de mais densa energia.

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Um efeito interessante que pode ser observado em algumas chaminés é que golfadas de ar sairão pela abertura, se a retirada for pequena e se estiver frio no lado de fora.
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Pergunta bonus extra: Considere uma torradeira que tenha a resistência elétrica colocada em apenas um dos lados, fazendo com que a fatia de pão receba radiação apenas deste único lado. Ao torrar o pão, percebe-se que a torrada se deforma, curvando para este lado. Explique!


Melhor resposta: Vinícius

No processo de cozimento do pão, ele chega a diminuir sua densidade em torno de 250%. Isto se deve porque ele está perdendo massa e ganhando volume, causado pela evaporação da água contida no alimento. O pão depois de cozido já não pode mais crescer de volume. Então ao se colocar o pão na torradeira, o que acontece, é que ele estará perdendo massa através da evaporação da água pela face que está direcionada para a resistência da torradeira, fato que não acontece no restante do pão, pois ele está cheio de ar, e como já sabemos é um ótimo isolante térmico.

Consequentemente surgirão tensões compressivas na superfície que está recebendo calor com mais intensidade, e trativas na outra. Outro exemplo disso pode ser observado quando se coloca um hamburger congelado numa chapa, na qual ele se curva em sua direção.

Não podemos fazer uma analogia em materiais que conservam sua massa, pois acontece o inverso. Para exemplificar: se for fornecido calor em apenas um lado de uma chapa estreita de metal, calor este que tem que variar abruptamente a temperatura desta face antes que a frente de onda conseguisse chegar à outra superfície, alterando assim, também sua temperatura, o lado de maior temperatura iria se dilatar, curvando a peça em direção ao lado mais frio, flexão esta que iria se desfazer quando as duas faces alcançarem temperaturas próximas, considerando Bi < 0,1.

*** Obs: é o que acontece com as lâminas bi-metálicas, que dilatam de forma diferente pois são formadas por dois metais, de coeficientes de dilatação térmica diferentes.

Obviamente, devido a essa variação abrupta de temperaturas, também haverá o surgimento de tensões térmicas elevadíssimas por causa do alto gradiente de temperaturas.

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Pergunta do mês de Maio (valeu 1 ponto): Se você já trabalhou com o sol "a pino" no verão, já deve ter se perguntado por que seu corpo fica tão frio. Uma parcela significante de energia térmica é gerada internamente, até cerca de 1400 Kcal por hora durante exercícios físicos externos pesados, e que se esta energia não for liberada como calor, a temperatura do seu corpo pode subir violentamente, podendo inclusive ser fatal. Assim, como é que este calor é dissipado? Explique o mecanismo que faz com que algumas pessoas passem mal, nestas condições.


Melhor resposta: Luís Eugênio.

***** Luís Eugênio apresentou uma longuíssima explicação mas esqueceu alguns complicadores. Assim, apresento abaixo uma explicação breve mas talvez mais completa.

O aumento de energia a ser liberada é devido, como o texto menciona, aos exercícios pesados praticados. O mecanismo de dissipação é bastante interessante: primeiramente o aumento da atividade queima a glicose armazenada, cujos produtos devem então ser liberados. Claro, é o sangue que irá transportar esta energia liberada internamente até a pele, para que seja dissipada, quer pela transpiração quer por convecção com o ar externo. O maior transporte é conseguido pelo aumento no volume de sangue. Entretanto, este aumento acarreta num decréscimo do volume de sangue sendo transportado ao cérebro, causando fraqueza, especialmente se a pessoa pára subitamente. Enjôos, náuseas, etc podem ocorrer como resultado da perda acentuada de sais minerais provocada pelo aumento na transpiração. Se as perdas forem equivalentes a 7% em peso da água do corpo, a circulação poderá sofrer danos irreversíveis, causando inclusive a morte.

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Pergunta do mês de Junho (valeu 1 ponto): Você já deve ter visto filmes nos quais os heróis mergulham na areia imaginando estarem mergulhando nas águas de algum oásis. São as miragens. Explique este interessante efeito ótico. São miragens também aquelas poças dágua que vemos no asfalto das estradas.

Melhor resposta: Felipe Garcia

**** A explicação proposta pelo Felipe foi a melhor. Entretanto, como no mês anterior, tivemos algumas pequenas dificuldades. Apresento aqui uma explicação alternativa:

O ponto mais importante é que as miragens não são ilusões de ótica, sendo provocadas por refração na atmosfera. Ilusão de ótica é, por exemplo, o efeito do sol ou da lua, sobre o horizonte, que aparecem sendo maiores do que realmente são.

Vejamos: sabe-se que a atmosfera é oticamente não-uniforme: seu índice de refração varia de ponto a ponto, especialmente ao longo de linhas verticais. Na verdade, o índice de refração do ar depende da densidade que, por sua vez, depende da pressão e da temperatura (lembre-se que P = R T). Se a pressão for mantida constante, a densidade diminui com o aumento da temperatura (inversamente dependente); se a temperatura permanecer constante, a densidade diminui com o decréscimo de pressão (linearmente dependente). Como a pressão e a temperatura variam com a altura, ambos contribuem para as variações no índice de refração.

A pressão decresce com a altura, a partir da superfície da Terra rumo às camadas superiores da atmosfera. Se a pressão atuasse isoladamente, isto resultaria na queda contínua do índice de refração com a altura. Entretanto, uma medida razoável para o gradiente de temperatura para a faixa dos 10 a 15 km abaixo da atmosfera livre, bem acima da superfície é de 6,5 C / km (isto é, para cada km acima, 6,5 C podem ser diminuídos na temperatura). Para este gradiente sozinho, o índice de refração aumentaria com a altura, mas a uma taxa bem menor do que decresceria por causa da queda de pressão. Assim, como o efeito de pressão é maior, o índice de refração decresce regularmente com a altura naquela parte da atmosfera.

Entretanto, perto da superfície, as condições são diferentes: os gradientes de temperatura podem ser 10, 100 e mesmo 1000 vezes maior que os valores da atmosfera superior. A temperatura pode inclusive aumentar com a altura (sobre lagos congelados ou frios, por exemplo). As miragens podem ser vistas ao longo de linhas de visão tangenciais ao solo, indicando que a existência e a forma das miragens são determinadas grandemente pelos gradientes de temperatura.

Numa atmosfera isotérmica (mesma temperatura) e isobárica (mesma pressão), o índice de refração seria único e raios de luz teriam trajetórias essencialmente retas. Na atmosfera que temos, as trajetórias serão curvas. Vamos considerar dois casos:

As imagens podem ser múltiplas como acontece com o reflexo da lua ou do sol sobre as águas do mar ou de um lago. Se as águas fossem paradas, formando uma superfície reta, teríamos uma imagem circular da lua, o que não acontece. A faixa que aparece é o resultado das inúmeras imagens formadas sobre uma superfície cheia de ondas.

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Pergunta do mês de Agosto (valeu 1 ponto): Ao ligar água quente na pia, o fluxo de água aumenta rapidamente mas depois começa a diminuir, podendo inclusive parar. Por que isto acontece e por que isto não acontece numa segunda vez, feita em seguida à primeira?


Melhor resposta: Albano Leo Ehrenbri.

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Para explicar este fenômeno, farei as seguintes hipóteses:

1) O registro é de pressão;
2) Existe uma pressão maior que 30 mca (metro de coluna de água);
3) O corpo do registro é de latão;
4) A temperatura de saída da água apresenta uma diferença de 60ºC comparado com a temperatura inicial;

Quando a água quente começa a passar ela transfere calor para o registro fazendo com que o mesmo comece a dilatar. No registro que estudei, a parte interna do castelo era de plástico (CELCON) cujo o coeficiente de dilatação é cerca de 6 vezes maior do que o do latão, fazendo assim com que diminua o fluxo de água com o aumento da temperatura. Na base do "castelo" existe um anel de borracha que veda a passagem de água, comprimindo assim a borracha. Esta borracha diminui cerca de 0,45mm do seu tamanho original e quando o registro de água quente é aberto, ela se estende contribuindo para a diminuição da passagem da água. Levei em consideração que existe uma pressão de 30mca pois assim precisamos abrir apenas ¾ de volta para que atinjamos um fluxo de água razoável para uso doméstico. Estes ¾ de volta correspondem apenas a 3mm, fazendo assim com que a dilatação do material e a expansão da borracha não sejam desprezíveis, gostaria também de ressaltar que a borracha também dilata com a água quente, sendo assim outro fator contribuinte. Sobre o fato de não ocorrer na segunda vez, isto se deve ao não acontecimento da 4º hipótese considerada, fazendo com que não haja dilatação adicional do material.

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Pergunta do mês de Setembro Quanto tempo levará para que a temperatura de 250 ml de água, inicialmente 100 C, alcance 28 C? A melhor análise valerá 1 ponto mas um experimento conveniente valerá 2 pontos.


Melhor resposta: Eduardo Gayer (disponível em arquivo pdf - portable document format)

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Pergunta do mês de Outubro Uma lâmpada fluorescente tem área superficial de 0,1 m2 e emite 3% daquela potência na faixa do visível. Em funcionamento, a temperatura medida do pó fluorescente é de 350 K; Para esta temperatura, menos que 0,1% da radiação de corpo-negro cai na faixa do visível. Mostre isto e explique a aparente inconsistência destes dados.

Melhor resposta: Bem, ninguém apresentou uma boa resposta. Veja: a potência observada é cerca de 20 vezes maior que a esperada na região visível. Isto acontece pois o pó fluorescente absorve uma parcela significante da luz ultra-violeta emitida pela descarga e re-emite em comprimentos de onda superiores, dentro da região visivel. Pura conservação de energia.

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Pergunta do mês de Novembro Por que não se consegue refrigerar a cozinha se mantivermos a porta da geladeira aberta?


Melhor resposta: Marco Antonio G. Pires:

Uma bomba de calor é um mecanismo que funciona entre duas fontes térmicas, uma fria e uma quente, "bombeando" ou retirando calor da fonte fria e o liberando para a fonte quente (como vimos no curso de termodinâmica, esta troca de calor só é possível através da realização de trabalho, que no caso da geladeira é representado pelo trabalho de compressão). Na geladeira podemos observar dois mecanismos que estão intimamente ligados às trocas de calor: o congelador ou uma placa "fria" nas geladeiras sem congelador, localizados dentro da geladeira, e uma serpentina aletada situada na parte traseira da geladeira.

São exatamente estes dois mecanismos os responsáveis pelas trocas de calor, ou seja, eles que possibilitam as trocas térmicas dos dois ambientes com o fluido de trabalho. Dentro da geladeira, o fluido retira (através de serpentinas internas do evaporador) energia dos alimentos ali colocados e a libera na parte de fora (na serpentina externa) em forma de calor, mantendo assim o compartimento da geladeira à uma temperatura abaixo da temperatura externa da mesma. Se fizermos um balanço de energia, percebemos que a energia que sai na parte de trás da geladeira tem que ser igual a soma da energia retirada da parte interna mais a energia que entra no compressor, oriunda da concessionária de energia (que é utilizada para acionar o compressor que realiza o trabalho de compressão - desprezando a energia perdida pelo aquecimento do compressor). Neste argumento, estamos ainda desprezando a energia que entra na geladeira através das paredes que não são isoladas perfeitamente.

Em outras palavras, a energia liberada nas serpentinas do condensador (parte externa da geladeira) é maior que a energia retirada da área refrigerada. Assim, não há como refrigerar a cozinha se a energia liberada no condensador for igualmente liberada naquele ambiente.

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Pergunta do mês de Março / 1999 (valeu 1 ponto): O que congela mais rápido, água quente (a 80 C, digamos) ou água fria (a 15 C)?


Melhor resposta: Clícia Cortes (disponível em arquivo pdf - portable document format)


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Recebi várias discussões interessantes mas a da Clícia foi a mais interessante, pois quantificou, ainda que de forma mínima, a questão. A correta resposta é simples: pode ser a água fria ou a água quente. Isto acontece pois o problema não está bem proposto. Nada é dito, por exemplo, sobre as quantidades de massa, o ambiente, o tipo de recipiente onde a água é colocada em cada um dos casos, etc. Por exemplo: imagine uma gota de água a 80 C e 2 toneladas de água fria. Claro, a situação é rídicula mas pense que nada foi dito. Vamos supor que comecemos com um litro de água a 25 C que é aquecido até 80 C ou resfriado até 15 C. No primeiro caso, teremos uma diminuição de massa devido à evaporação e no segundo, um aumento de massa devido à condensação. Ainda que sejam variações pequenas, as massas perdidas fazem alguma diferença. Em seguida, os recipientes (de vidro?, de porcelana?) contendo os dois sistemas é levado para o interior de uma geladeira a 0 C. Teremos novamente evaporação intensa nos dois casos (naturalmente, o sistema agora a 75 C?) irá perder novamente mais massa, aumentando a diferença. Se a boca do recipiente estiver fechada, a evaporação foi eliminada. Entretanto, se a boca tiver uma grande superfície livre, teremos perda de calor por radiação, que será naturalmente mais intensa em altas temperaturas que em baixas.

Como se pode ver, há muitas variáveis não respondidas e que resultam em difíceis respostas. A análise da Clícia mostrou um pouco estes aspectos.

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Pergunta do mês de Abril / 1999 (vale 1 ponto): Por que colocamos sal na água fervente do macarrão? Será que é para diminuir o tempo de ebulição? Para aumentar a temperatura de ebulição? Você pode fazer um experimento para responder a esta pergunta.

Melhor resposta: Clícia Cortes (disponível em arquivo pdf - portable document format)


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A Clícia, novamente, ganhou os pontos com uma excelente resposta, simples e objetiva. Faltou apenas a conclusão que poderia resumir assim: Salgar a água do macarrão só tem por benefício o gosto do alimento, sem nenhuma vantagem sob o ponto de vista térmico. O interessante desta história é que em baixas concentrações, a influência é maior na quantidade em suspensão e não na composição química - isto significa que o mesmo efeito será conseguido se trocarmos sal por açúcar ou areia, embora seja péssimo sob o ponto de vista alimentar! - Maiores informações podem ser obtidas no artigo do J. Walker, Scientific American, Dezembro 1982.

Uma das razões importantes para o estudo das Ciências Térmicas é o fato que a redução do tempo que leva para a água entrar em ebulição é a existência de muitos núcleos de geração das bolhas (nucleação);

Adelino Júnior, estudante de engenharia química da UFPE, deu uma contribuição interessante também:

Com a adição de sal (NaCl) à água, deslocamos o ponto crítico de ebulição do que antes era só água, que deveria ser a 100ºC(373 K), para um pouco mais acima já que o sal aumentará o ponto de ebulição da solução. Isto sem falar que o macarrão também alterará o ponto de ebulição. Ele propôs o seguinte experimento:

OBS: É importante que as quantidades de água não sejam diferentes pois como se sabe Q = m c Delta T + W. Logo, quanto maior for a minha massa de água , mais calor eu terei que fornecer para que a solução entre em ebulição. ****

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Pergunta do mês de Maio / 1999 (vale 1 ponto): Um engenheiro sugeriu que para diminuir o tempo que água leva para entrar em ebulição, deveríamos utilizar uma panela de fundo bem irregular, cheio de ranhuras. Qual é a sua impressão sobre isto?

Melhor resposta: Bem, ninguém acertou. A explicação é muito semelhante à do mês passado: nas ranhuras, há moléculas de ar, presas no momento do enchimento da panela, que servem como pontos de nucleação para as moléculas de água. Se você ferver água duas vezes no mesmo recipiente e sem trocar o volume, você verá que na segunda vez a ebulição será mais rápida.

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Pergunta do mês de Junho/Julho / 1999 (vale 1 ponto): Considere uma lareira dentro de uma sala, aquecendo o ar. Isto aumentará a energia térmica total do ar? (Energia térmica é a energia cinética das moléculas). Já aprendemos que a energia térmica depende da temperatura e já que o ar está aquecido, a energia térmica total irá aumentar. Entretanto, há um outro argumento que sustenta que a energia total das moléculas do ar permanecerá constante. O que você acha?

Melhor resposta: Novamente, ninguém forneceu uma boa resposta. Vamos analisar um pouco. Considere as condições do problema: o volume da sala permanece constante. Pela inevitável existência de frestas e aberturas, a pressão ambiental da sala é constante e igual à pressão atmosférica. Isto é, nosso processo é tal que a pressão e o volume permanecem constantes. Tratando o ar como gás perfeito, o que é uma aproximação bastante boa nas condições, temos que o produto P V = m R T = Constante, onde m é a massa de ar dentro da sala, R é constante do ar e T sua temperatura. Isto é, o produto m T = Constante. Como a temperatura irá subir, como resultado disto, temos que a massa de ar dentro da sala irá diminuir.

Isto significa que teremos menos massa, ou seja, menos moléculas de ar embora com maior energia térmica específica. Isto é, se considerarmos a massa de ar presente na sala, o conteúdo de energia permanecerá o mesmo. Entretanto, se considerarmos a evolução de toda a massa de ar (isto é, formulação de sistema = massa constante), então a energia térmica irá aumentar mas não estaremos mais falando da massa de ar dentro da sala.

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Pergunta do mês de Agosto / 1999 (vale 1 ponto): Considere uma frigideira colocada no fogo. Assim que ela estiver ligeiramente quente, deixe cair uma gota de água e observe o que acontece. Em seguida, espere até que a frigideira esteja muito quente e torne a deixar cair uma gota dágua. Que diferenças de comportamento você observa nos dois casos. Explique o som característico.

Melhores respostas: Edgar e Flávio Ramos Filho

Resposta do Edgar:

As diferenças mais marcantes de comportamento são em relação à ebulição da água sobre a chapa quente; de modo que "frigideira ligeiramente quente" entenda-se por temperatura próxima à temperatura de ebulição normal Ts (Ts = 100°C a pressão de 1atm). E "frigideira muito quente", quando a chapa encontra-se a uma temperatura de, aproximadamente, 200°C.

Ao deixar cair uma gota d'água em uma frigideira ligeiramente quente, esta se espalha na chapa. O pingo "chia" e é vaporizado em segundos. Agora, quando a frigideira se encontra muito quente, ao deixarmos cair uma gota, esta borbulha e "dança" sobre o metal, podendo existir durante mais de um minuto antes de desaparecer.

A diferença está na taxa de transferência de calor da frigideira (chapa) para a gota d'água. Em uma frigideira ligeiramente quente, a gota se espalha na chapa e rapidamente absorve calor dela, resultando numa vaporização completa em segundos. A taxa de transferência de calor é alta entre metal/líquido.

Em uma frigideira muito quente, a superfície debaixo de uma gota depositada na chapa quase que se vaporiza instantaneamente. Forma-se, então uma camada de vapor entre a água e o metal quente. A transferência de calor entre ambos os sistemas fica então bastante comprometida, visto que vapor d'água conduz calor aproximadamente numa ordem de grandeza abaixo da água líquida. A pressão do gás dessa camada de vapor impede que o restante da gota toque a chapa. Essa camada assim protege e sustenta a gota pelo próximo minuto. A camada é constantemente abastecida, à medida que água adicional vaporiza do fundo da superfície da gota, por causa da radiação e da condução de calor vindas da frigideira.. Embora a camada de vapor seja bastante fina (de 0,1 a 0,2mm de espessura), a vaporização da gota diminui drasticamente. Esse tipo de comportamento é a fase de ebulição peculiar ("film boiling") de um líquido.

Com a frigideira com temperatura bem superiores às até agora comentadas, a gota d'água não são capazes de sobreviver tanto, momento que a parcela de transferência de calor por radiação através da camada de vapor torna-se mais significante.

O constante escoamento do vapor, que escapa por debaixo da gota, é o que determina o som característico deste comportamento, um leve silvo produzido pelo escape do gás da região comprimida pelo líquido.

Esse fenômeno de longa duração de uma gota d'água , quando depositada sobre metal que está mais quente que sua temperatura de ebulição está associado com o nome de Johann Gottlieb Leidenfrost, e por esta razão, a temperatura correspondente à menor taxa de transferência de calor para a gota (ou ainda, a temperatura de seu maior tempo de vida) é chamada ponto de Leidenfrost.

Essa "proteção" imposta pela camada de vapor à gota é a explicação de alguns fatos interessantes. Em espetáculos circenses, homens destemidos mergulhavam rapidamente os dedos molhados dentro de chumbo derretido - logo que a pela molhada toca o metal líquido quente, parte da água é vaporizada, cobrindo a mão com uma camada de vapor. O "caminhar em brasas" (visto por alguns como a superação da "mente sobre a matéria"), não é nada além de mais uma situação amplamente explicada pela Física - com os pés previamente molhados, talvez devido à excitação causada pelo feito, um pouco de calor vaporiza o líquido nos pés, deixando menos calor ser conduzido para sua pele.

Esse efeito, também, pode levar a algumas situações perigosas. Em um trocador de calor, cujo propósito é remover calor da fonte, se a água atingir esse regime de ebulição, a fonte pode, destrutivamente, se superaquecer por causa da diminuição de transferência de calor.

Resposta do Flávio Ramos Filho (aluno do 3o. ano de Engenharia Mecânica do ITA):

O fato de uma gota d´água ter um tempo de vida bastante aumentado quando depositada sobre um metal que se encontra a uma temperatura muito superior à sua temperatura de ebulição é chamado de efeito Leidenfrost e foi primeiramente observado por Hermann Boerhaave, em 1732.Porém só veio a ser convenientemente estudado por Johann Gottlieb Leidenfrost em 1736, que publicou o livro:"um tratado sobre algumas qualidades da água comum ".À toda substância pura se associa uma temperatura característica chamada de "ponto Leidenfrost".

A explicação física para o fenômeno é a seguinte:quando a temperatura da chapa é menor doque a temperatura Leidenfrost da água, esta se espalha sobre a chapa, aumentando assim a área de transferência de calor, aumentando-se assim o fluxo de calor transmitida para a gota, de acordo com a lei de Fourier (dq/dt=-kA*dT/dx).Quando a temperatura da chapa está acima da ponto Leidenfrost,a superfície abaixo da gota que se coloca na chapa se vaporiza quase que instantaneamente.Assim, se forma um colchão de ar separando ao restante da gota da chapa, diminuindo assim o fluxo de calor tranferido para a gota, pois como sabemos, o ar é um ótimo isolante. Assim, a gota pode permanecer "flutuando" por mais de um minuto. A camada de vapor é constantemente abastecida por mais vapor dágua proveniente da gota, que agora se vaporiza à uma taxa muito menor, devido ao calor recebido principalmente por irradiação da chapa metálica.

A espessura da camada de ar é de aproximadamente 0,2 mm, mas é o suficiente para diminuir drasticamente o fluxo de calor para a gota. O barulho característico é devido ao fato de pequenas bolhas de água proveniente da ebulição interna da gota dágua .Como a temperatuta dentro da gota varia bastante, o volume da bolha de vapor dágua varia de volume drasticamente, produzindo o som característico. Neste caso, se diz que a gota dágua está em ebulição peculiar.Este tipo de ebulição, apesar de ser difícil de se obter com a agua, pode ser obtido com qualquer substância líquida, como por exemplo, nitrogênio líquido.para observarmos o efeito Leidenfrost com nitogênio líquido, pois este entra imediatamente em ebulição peculiar quando depositado sobre uma placa metálica na temperatura ambiente.

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Pergunta do mês de Setembro / 1999 (vale 1 ponto): Costumo tomar café com creme sobre ele. Para garantir que o café fique quente até que eu chegue na minha sala, gostaria de saber como proceder. Como eu gosto de café quente, devo colocar o creme no café logo no bar ou esperar para colocá-lo imediatamente antes de tomar? A real pergunta deste mês está relacionada com a sequência de procedimentos para avaliar o que fazer. Ou seja, eu estou interessado é na organização, na metodologia de um projeto de pesquisa para responder cientificamente minha questão.

Melhor resposta: Infelizmente, as respostas que recebi não entenderam a proposição. Meu objetivo era que uma metodologia para a investigação sobre o assunto fosse apresentada. A explicação em si não era a coisa mais importante. Entretanto, vamos às duas.

Uma análise preliminar irá indicar que a temperatura do café é influenciada pelos seguintes fatores:

Como estou interessado em analisar a influência do creme, meu projeto de ciência deverá ser projetado de forma que as outras condições não se alterem. Por exemplo, será conveniente garantirmos que a temperatura do café será sempre a mesma, sua composição e a do creme idem, etc. Um sistema de controle de temperaturas deverá ser providenciado. Uma boa idéia talvez seja utilizar um recipiente isolado termicamente, para garantir sempre as mesmas condições. Neste ponto, o processo científico irá considerar que a temperatura do café será dependente da temperatura do creme no instante inicial e da espessura da camada de creme.

A partir deste momento, deveremos ir para o laboratório e medir a temperatura do café em função destes dois parâmetros, utilizando termômetros calibrados e uma régua ídem.

Uma análise física do experimento permitirá outras conclusões. Observe que sem o creme, a perda de calor do café será por convecção, entre o café quente e o ar ambiente, e por radiação térmica. Ao colocarmos uma camada mínima que seja de creme, a perda de calor será feita através desta camada. Do lado externo da camada, teremos novamente radiação - em situação diferente pois agora o creme é branco - e convecção. Entretanto, como a camada de creme oferece uma resistência térmica à condução (lei de Fourier), a temperatura da face externa do creme será naturalmente menor que a temperatura superficial do café. Em consequência, a perda total de calor será menor. Isto acontece pela influência da nova resistência térmica que, como vimos, se escreve como t / k A, onde t é a espessura da camada, k é a condutividade térmica do creme e A é a área transversal do creme.

Devemos levar em conta finalmente, que ao colocarmos o creme, que está frio ou normalmente à temperatura ambiente, ele retirará energia do café quente para se aquecer. Com isto, a temperatura do café cai. A experiência indica, mesmo assim, que após esta queda inicial, a temperatura do café permanece superior do que a temperatura do café sem creme, pelas razões já expostas.

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Pergunta do mês de Outubro / 1999 (vale 1 ponto): Uma mulher diz a um engenheiro que uma maneira de se refrescar no verão é ficando em frente a um refrigerador aberto. O engenheiro responde que ela está somente "imaginando coisas", porque não há um ventilador no refrigerador para soprar o ar frio sobre ela. Tem início então uma acalorada discussão. Você tomaria o partido de quem? Por que? _ colaboração de Marcio, pela Internet.

Melhor resposta: Márcio S. C. Bastos

Com a diferença de temperaturas, o ar da geladeira (pode estar a 4 C) está mais denso que o ar ambiente (digamos a 28 C) provocando uma movimentação (como ocorrem as brisas). É claro que com a o ventilador a circulação de ar seria mais intensa e consequentemente a troca de calor também. Por isso eu tomo partido da mulher.

Outras informações: A movimentação citada é chamada de convecção natural, como veremos no curso. Ah, não devemos esquecer que existe uma outra contribuição para a perda de calor: radiação! Embora as temperaturas sejam baixas, a diferença de temperaturas é alta. Na verdade, a experiência indica que sempre que tivermos convecção natural, devemos olhar com atenção a contribuição da radiação: costumam ser da mesma ordem.

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Pergunta do mês de Março / 2000 (vale 1 ponto): Algumas vezes, após tomarmos muito sol na praia ou na piscina na parte da manhã, passamos a tarde sentindo-nos quentes, com algum desconforto. Explique isto.

Melhor resposta: Este mês tivemos várias contribuições boas: Paulo Faria, André Freire e Gustavo Correa. A contribuição do Paulo foi a que melhor uniu a parte médica com a térmica. Andé e Gustavo discutiram apenas a parte térmica e o fizeram de forma muito boa.


Paulo Faria:
A nossa pele é a interface pela qual trocamos calor com o meio ambiente. A temperatura do corpo humano está em torno de 36 graus. Grande parte do nosso tecido epitelial é constituído de água e outras substâncias líquidas. Estes líquidos realizam um papel fundamental, fazendo com que a troca de calor entre o interior do nosso corpo e o meio ambiente se torne mais eficaz. Um exemplo desta importância seria o suor proveniente de atividades físicas que faz com que nossa pele se resfrie e permita que nosso corpo perca mais calor para o meio ambiente, nao deixando que sua temperatura fique muito acima de 36 graus. A troca de calor entre o corpo e o meio ambiente se dá através de conduçao,convecção, radiação e também algumas vezes através da vaporização do suor que é um mecanismo muito eficiente quando se deseja perder calor rapidamente. Quando ficamos muito tempo expostos a radiação solar, ocorre uma desidratação do nosso tecido epitelial e isto compromete o processo de troca de calor, pois a diferença de temperatura entre nosso corpo e a pele fica menor e consequentemente ocorre um fluxo de calor menor também.. Esta radiação faz com que a temperatura interna de nosso corpo aumente e a perda de calor não seja suficiente para que nós nos sintamos confortáveis. Embora a nossa sensação de que a temperatura do nosso corpo esteja bem acima da temperatura normal de 36 graus, isto não é verdade. Nós seres humanos não possuimos um termomêtro dentro do nosso corpo, portanto no somos capazes de avaliar a nossa temperatura interna. Nós só somos capazes de avaliar a taxa pela qual calor está saindo ou entrando em nosso corpo. Um exemplo claro disto é uma barra de ferro parecer estar mais "fria" do que uma de madeira apesar de os dois estarem a mesma temperatura. A sensaçao de estarmos nos sentindo quente após um dia de sol se deve ao fato da diminuição de tranferência de calor para o meio ambiente e não pelo fato de nossa temperatura interna ter aumentado.

André Freire:
Ao ficarmos expostos ao sol por tempo prolongado, estaremos absorvendo radiação solar, ou seja, energia irradiada pelo sol. Essa energia absorvida faz com que a energia interna do nosso corpo aumente. No momento em que o sol começa a se pôr e a temperatura ambiente começa a diminuir, nosso corpo sente a necessidade de realizar troca de calor com o ambiente. Essa troca de calor se dá por condução, convecção e radiação. Como ficamos expostos ao sol por um longo tempo, o processo de troca de calor fica comprometido, já que uma parte do líquido presente em nosso corpo foi eliminada. Com isso, nos sentimos desconfortáveis, ou incomodados, após uma longa exposição sob a luz solar.

Gustavo Correa:
A questão de nos sentirmos quentes quando ficarmos expostos ao sol durante um certo tempo, deve-se ao fato do nosso corpo absorver uma certa taxa de energia irradiada pelo sol e a taxa de energia convectiva que é perdida do nosso corpo para ar é muito pequena em comparação com a que foi absorvida, com isso a taxa de energia armazenada em nosso corpo aumenta, isto é, a temperatura do corpo sobe. Por isso é que sentimos um desconforto quando ficamos exposto ao sol durante muito tempo. Se trocarmos o meio, de ar para água, este desconforto seria menor devido à água possuir um maior coeficiente de troca de calor, o corpo se manteria em uma temperatura mais cômoda, devido a troca de calor por convecção com a água ser maior. Isto acontece quando ficamos dentro d' água.

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Pergunta do mês de Abril / 2000 (vale 1 ponto): Coloque no mesmo recipiente, dois copos cheios até a borda. No primeiro, você irá colocar apenas água e no segundo, você irá colocar uma mistura homogênea de água e açúcar. As temperaturas dos dois fluidos são rigorosamente iguais. Você espera que aconteça alguma coisa?

Melhor resposta: Daniel Mendes e Albano Ehrenbrink chegaram muito perto e mereceram os pontos. Veja a resposta do Daniel:

Na situação proposta pelo problema , é esperado que aconteça um fenômeno no mínimo estranho . Embora os fluidos estejam na mesma temperatura , a água pura migrará do seu copo para o copo onde existe água e açúcar , como este está cheio transbordará deixando de ser concentrado para ser diluída . Este fenômeno é possível devido às propriedades coligativas das soluções , mais precisamente ao abaixamento da pressão de vapor .

A velocidade pela qual moléculas de água escapam da superfície é reduzida em presença de um soluto não-volátil. Soluções aquosas concentradas de não-eletrólitos tais como açúcar evaporam mais lentamente do que água pura ( com a mesma temperatura ) . Isto mostra o fato de que a pressão de vapor da água em solução é menor que a da água pura . O abaixamento da pressão de vapor ( APV ) corresponde à diferença entre as pressões de vapor do solvente quando puro e em solução .

Voltando à questão , considerando dois copos cheios , um com água pura e outro com soluto a mesma temperatura dentro de um recipiente ( campânula ). Conforme o tempo passa , o nível de líquido no copo contendo a solução elevaria-se , mas como está cheio , transborda . O nível de água pura no outro copo cai . A água é transferida por evaporação e posterior condensação . A força motriz deste processo é a diferença em pressão de vapor da água nos dois copos . A água migra de uma região na qual sua pressão de vapor é alta ( água pura ) para uma na qual sua pressão de vapor é baixa ( solução de açúcar ) .

A resposta é encontrada no EXCELENTE livro de Erwin Schrödinger (aquele da Fïsica Quântica!!!) cujo título, bastante sugestivo, é "O que é VIDA?". Claro que recomendo sua leitura. Editora da Unesp. Bem, segundo Schrödinger, a água pura, em virtude da sua pressão de vapor mais alta (não tem açúcar), vagarosamente evapora e se condensa no outro copo, da solução. Eventualmente, este transborda. Só depois que a água pura evaporou totalmente é que o açúcar atinge seu "objetivo" de ficar igualmente distribuído por toda a água líquida disponível. Em outras palavras, o processo acontece pois inicialmente temos uma situação de não equilíbrio de concentração de açúcar (um copo tem e o outro copo não).

Isto é análoga à situação de não equilíbrio entre água quente em um copo e água fria no outro. As massas iriam interagir (trocando calor) de forma a atingir uma situação de equilíbrio, na qual a temperatura fosse alguma média entre as duas iniciais. No caso do açúcar, a existência do gradiente de concentração promove a movimentação até que o equilíbrio seja estabelecido, isto é, a diluição seja uniforme, numa situação de entropia máxima. Ah, se o copo da mistura fosse maior, não haveria transbordamento.

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Pergunta do mês de maio / 2000 (vale 1 ponto): Um aluno de Transmissão de Calor foi procurado por um inventor que tinha... bem, inventado um equipamento para acelerar o processo de cozimento de rosbifes (para os leigos: carne!). Este equipamento é na realidade um espeto feito por um tubo oco e metálico (alumínio ou cobre) contendo água. Segundo o inventor, o espeto deve ser espetado na carne e levado ao forno. Além disto, ele diz que pelo uso do metal e pelo fato do tubo ser vazado e conter água, a condução de calor é 1000 vezes (apenas um número) maior que se o tubo fosse sólido. Pelos dados apresentados, percebe-se, de fato, que os tempos de cozimento são pelo menos 50% menores. Você compraria este "espeto" para dar de presente no dia das Mães? Ou: como é que um tubo oco, com água, pode funcionar melhor que um tubo sólido? Ah, qual o papel da água?

Melhor resposta: Ninguém. Recebi algumas respostas mas elas não tocaram no ponto chave para que o sistema seja tão eficiente: a ebulição da água contida dentro do tubo oco. Analise comigo: o tubo está exposto aos gases quentes do forno. Como o material é metálico, energia entrará no tubo e será armazenada como energia interna. Na ausência de água, teremos condução de calor do tubo exposto para a parte do tubo que estiver dentro do rosbife. Esta energia será utilizada para cozinhar o interior da carne, diminuindo o tempo total de cozimento.

Veja agora a situação na qual o tubo é oco e contem água. Como a entalpia de vaporização da água é elevada, o tubo conseguirá absorver muito mais energia pois a água ao se vaporizar estará absorvendo mais energia que o tubo isoladamente. Claro é que a água vaporizada irá se condensar na parte mais fria (claro, relativamente) do sistema que é o interior do rosbife, liberando assim muito mais energia. Aliás, o conceito é o dos tubos de calor (heat-pipes).

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Pergunta do mês de junho / 2000 (vale 1 ponto): Considere um filme fotográfico produzido para ser utilizado na luz solar (5500 K). Por uma necessidade qualquer, você entra dentro da casa para fotografar com este filme e utiliza uma lâmpada incandescente (3200 K). O que acontecerá com a fotografia? Que tipo de filtro você deverá utilizar para compensar este efeito? E se você utilizar uma lâmpada fluorescente Luz do Dia, de temperatura 6300 K?

Melhor resposta: Rodrigo Barcelos, Paulo Aniceto e Gabriela Maia

As respostas deles foram próximas mas deixaram de considerar a lei de Wien que justifica termos do mercado como "temperatura de cor" que tem pouco significado. Reuni os três textos e complementei com os argumentos que julgo pertinentes. O resultado está disponível em Junho00.pdf.

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Pergunta do mês de agosto / 2000 (vale 1 ponto): Você certamente já tomou banho quente e percebeu o vidro embaçado. Que tal pensar como se dá o processo de embaçamento do vidro e depois como se dá o processo de desembaçamento do mesmo?

Melhor resposta: Roberto Vianna, Bruno Álvares e Luisa Santos

Neste mês, como já ocorrido anteriormente, não tivemos uma única resposta correta, os três alunos citados responderam de forma complementar. O resultado está disponível em Agosto00.pdf.

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Pergunta do mês de setembro / 2000 (vale 1 ponto): Considere um recipiente contendo água. Ao ser aquecido, eventualmente a água irá entrar em ebulição. Responda por que mais bolhas são formadas quando sal é colocado na água. Se você optar por fazer um experimento, lembre-se de usar recipientes "iguais", um contendo água + sal e o outro apenas água. E se for açucar (ao invés de sal)?

Melhor resposta: Pedro Flores

A análise dele foi boa e é reproduzida aqui com algumas pequenas correções. Como observado por outros alunos, no equilíbrio, a pressão interna de uma bolha é superior à externa devido à existência da tensão superficial (Sigma):

Pint - Pext = 2 Sigma / R

Entretanto, esta fórmula tem um problema: para uma bolha se formar (R = 0), precisaríamos de uma diferença infinita de pressões, o que não é possível. Assim, na prática, há necessidade de algum agente externo para nuclear a bolha. Este agente é normalmente o ar (embora possamos ter outros gases dissolvidos e sal, açucar, etc) que está dissolvido na água e preso nas rachaduras e reentrâncias da superfície.

O crescimento da bolha de ar com o aquecimento NÃO é muito grande (da temperatura ambiente até 100 C, a bolha só se expande 1/3 do seu volume). A maior parte do seu crescimento se dá por difusão! Como é sabido, a solubilidade do ar na água (volume de ar dissolvido em um dado volume de água em equilíbrio) decresce com a temperatura. Assim, a concentração do ar na superfície da bolha passa a ser muito menor que a concentração de ar na água muito longe da superfície onde a bolha começa a crescer. Com isto, aparece um gradiente de concentração que faz com que haja difusão e com isto a bolha cresça.

Voltando ao sal ou açúcar, a pressão de saturação do vapor decresce com qualquer coisa dissolvida nele. A natureza do soluto (isto é, a sua composição química) é grandemente irrelevante, especialmente em baixas concentrações. Com isto, a pressão de equilíbrio de uma bolha envolvida por água salgada é menor que a pressão de uma bolha envolvida em água pura, à mesma temperatura. Assim, para que a bolha não seja implodida, a temperatura da água salgada deverá ser superior à da água pura.

De qualquer forma, o aumento das bolhas percebido na água salgada ou doce é apenas devido à existência de um número maior de grãos que funcionam como pontos de nucleação. Isto é fácil de ser visto se aquecermos água "pura" até 100 C e depositarmos sal ou açúcar subitamente.

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Pergunta do mês de outubro / 2000 (vale 1 ponto): Um procedimento usado por médicos do interior para aliviar febres agudas é passar álcool, ao invés de água, na testa dos pacientes. Explique se isto funciona e a razão.

Melhor resposta: Luisa Santos, Bruno Álvares e Roberto Vianna

Luisa, Bruno e Roberto observaram que a temperatura de ebulição do álcool é menor que a da água (etanol: T = 78,4 C e metanol: T = 64,7C). Com isto, a pressão parcial destes vapores à 20 C (digamos) é bem menor do que a da água, favorecendo à vaporização. Para a evaporação, há necessidade de termos energia que é retirada do corpo do paciente. Na verdade, a vantagem é só esta, pois a diferença entre as entalpias de vaporização não é muito grande. Por outro lado, a condutividade térmica da água é muito maior que a dos álcools (cerca de 2,5 a 3 vezes), contrariando argumentos de outros alunos.

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Pergunta do mês de novembro / 2000 (vale 1 ponto): Acho que todos já ouviram falar sobre o sistemático aquecimento da atmosfera e consequente derretimento das geleiras. Recentemente, lemos no jornal que o Ártico está apresentando, pela primeira vez em muitos anos, muitos canais sem gelo, por onde os navios passam sem dificuldades. Será que o nível dos oceanos aumentou por este derretimento? E se todo o Ártico derreter?

Melhor resposta: Luisa Santos

Aprendemos no ensino médio, que qualquer corpo submerso em um fluido está submetido à força de empuxo, que está diretamente relacionada ao volume deslocado de fluido e à densidade deste. O gelo bóia na água porque a força de empuxo, causada pelo deslocamento de um certo volume de água, que "empurra" o gelo para cima, expulsando-o para que a água volte ao lugar se iguala com a força da gravidade que "puxa " o gelo para baixo. Assim, quando algo está boiando (não vale para quando afunda) a força de empuxo desloca massa equivalente ao que está flutuando mais o que está imerso . Ex: 1 kg de gelo desloca 1 kg de água, para que as forças se igualem. Como o gelo é menos denso, o volume ocupado por 1 kg de gelo é maior fazendo com que parte dele fique para fora da água.

Quando o gelo derrete, ele volta a ter a densidade da água, e portanto volta a ter o volume de 1 kg de água, que era o volume deslocado. Então, não ocorre nenhuma variação no volume de líquido se o gelo derreter, ele ocupará o volume que já ocupava! Uma analogia na qual podemos verificar isto facilmente é com um copo de água cheio de água mais gelo. O volume é maior que o do copo - o copo está cheio e tem mais o que está para fora (partes do gelo). Se esperarmos derreter, não transbordará, pois o volume será todo ocupado por água, de menor densidade.

Portanto, se a pergunta se referisse à Antártica, à resposta seria que sim, o nível do oceano aumentaria já que o gelo que se encontra lá está em cima das montanhas, e portanto não estão deslocando nenhuma massa de água, sendo apenas um acréscimo de massa.

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Pergunta do mês de dezembro / 2000 (vale 1 ponto): Se vocês observarem a orla do Leblon (por exemplo, do alto do prédio da PUC), vocês verão um prédio alto localizado no chamado "Alto Leblon". A estrutura imponente na paisagem tem alguns problemas complicados de conforto térmico. O morador do último andar reclama do intenso calor, o morador de um andar intermediário adora a temperatura e o morador do primeiro andar, reclama um pouco do calor. Esquecendo a maior ou menor tolerância das pessoas como a condição de conforto, você poderia explicar estes fatos?

Melhor resposta: Luisa Santos

O morador do último andar reclama mais do calor pois, como está em cima, está recebendo energia do sol diretamente e o dia todo sob a forma de radiação. A energia radiante incide no topo de prédio, e como aprendemos no início do curso, parte dela é absorvida. Não é desconhecido o fato que moradores de apartamento embaixo de áreas na cobertura sofrem bastante com a insolação. Em um andar intermediário, não há esta incidência o dia inteiro, pois só a fachada recebe irradiação. Como resultado, a temperatura é mais amena. Nos andares mais baixos, há novamente um fluxo de calor radiativo para dentro do prédio pois a radiação incidente no solo é refletida para estes andares (é o fator de forma que leva em conta isto. Certamente, o fator de forma do andar mais alto é maior que o do térreo mas este é também maior que o dos andares intermediários).

Uma analogia a este fato é nosso corpo na praia. Quando estamos deitados, recebemos energia tanto vinda do sol (radiação direta) quanto vinda da reflexão desta na areia (aí também está o motivo porque queimamos mesmo debaixo da barraca). Se levantamos, fica mais fresco pois o nosso corpo não recebe tanta radiação refletida e passa a perder mais por convecção.

Observa-se também que nos primeiros andares , existem barreiras (outros prédios, árvores, etc) que impedem que o ar possa escoar como em outros andares e portanto, impedindo que haja perda de calor do prédio para o ambiente externo por convecção forçada. A camada limite hidrodinâmica pode ser muito grande, pela distância percorrida pelo vento antes de alcançar o obstáculo. Desta forma, a circulação de ar nos andares baixos é ruim normalmente.

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Pergunta do mês de março / 2001 (vale 1 ponto): Considere uma lata de refrigerante gasoso. Estamos acostumados a ouvir que a lata não deve ser sacudida, pois caso contrário, a pressão interna sobe e a lata poderá explodir. Isto é "demonstrado" abrindo-se uma lata bastante sacudida e vendo o estrago provocado pelo líquido jorrando. Entretanto, experimentos mostram que a pressão interna é sempre a mesma. Você poderia explicar o que acontece e como evitar a "explosão" provocada pela abertura da lata sacudida?

Melhor resposta: Eduarda Philadelpho + Gustavo Gusmão, isto é, a composição das respostas deles foi a melhor.

No interior da lata ou garrafa de refrigerante, temos gás carbonico, CO2, dissolvido no líquido e também livre no espaço existente entre o líquido e a tampa da lata. A pressão interna é maior que a atmosférica, o que é demonstrado pelo escape de fluido de dentro da lata e o chiado característico, indicativo da pressão superior.

Como a diluição de gás dentro de um líquido depende da temperatura, aumentando com o decréscimo dela, a melhor maneira de se evitar as espumas na abertura da lata é mantermos a temperatura mais baixa possível. A espuma é formada ao sacudirmos a lata ou após abrirmos uma lata quente pois nos dois casos, as moléculas do gás se separam do líquido e sobem, por serem mais leves, para o espaço vazio. Com isto, a lata estufa pois a pressão parcial do gás no espaço aumenta (em contrapartida à pressão do ar também presente, cuja pressão parcial diminuiu.

As moléculas do líquido não conseguem se juntar facilmente para formar as bolhas da espuma, precisando de um agente externo nucleador que é o gás, naturalmente. Ou seja, as moléculas soltas do gás servem de pontos de nucleação para a formação das bolhas. Assim, quanto maior a temperatura ou a sacudida, maior será a quantidade de bolhas formadas. Todos que já tiveram 12 anos algum dia, certamente já brincaram com as garrafas de refrigerantes que jorravam, expelindo líquido, após serem sacudidas (quando se cede trabalho ao sistema). Quem já venceu corrida de F-1 também já passou por isto. Enfim, quem teve a paciência de abrir uma garrafa de champanhe muito gelada sabe que é fácil abrir a rolha sem que o "míssel" seja disparado. Por outro lado, ao sacudirmos a "dita cuja", o banho é inevitável.

Para reduzir o número de bolhas sendo liberadas a solução é reduzir o número de moléculas de gás disperso no espaço vazio, o que pode ser feito pela absorção destas moléculas pelo líquido. Como o processo de absorção é bastante lento, você deveria deixar a lata de refrigerante um ou dois dias, em repouso nas baixas temperaturas da geladeira. Caso contrário, o problema ocorrerá.

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Pergunta do mês de abril / 2001 (vale 1 ponto): Qual é a função do pavio em uma vela? Ou: se as chamas sobem, por que a vela diminui de tamanho?

Melhor resposta: Bem, tivemos 4 vencedores neste mês: Eduarda Philadelpho, Gustavo Gusmão, Carlos Felipe Tecles e Marcos Vinícius Marques. As colaborações foram de diferentes aspectos e resolvi instituir categorias. Por exemplo, Carlos recebeu o prêmio na categoria "Pesquisa" e Marcos na categoria "Experimento". Eduarda e Gustavo foram merecedores na categoria "Explicação". Os comentários do Gustavo Rocco e do Mauro Freire receberam 1/2 ponto pela colaboração.

Misturando as explicações dos quatro, obtive o texto abaixo, que explica de forma bastante interessante, o que acontece.

Explicação Completa;
Categoria "Pesquisa";

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Pergunta do mês de maio / 2001 (vale 1 ponto): Se você estiver dentro do Concorde, viajando com o dobro da velocidade do som, você poderá ouvir música de um rádio? E se você estivesse no seu conversível, rodando a Mach 3 e o rádio estivesse atrás de você. Você ouviria alguma coisa?

Melhor resposta: Não tivemos uma melhor resposta mas duas boas, a do Gustavo Gusmão e a do Marcos Marques.

O ponto relevante da pergunta, infelizmente, não foi percebido por aqueles que tentaram responder. Fato é que considerando que o Concorde não tenha uma estação de rádio dentro dele (o que é razoável), algumas pessoas têm dificuldade em responder como um rádio irá funcionar ali dentro, já que a velocidade do Concorde é da ordem da do som (segundo o Marcos, Mach 2,02 é o número. Isto é equivalente a 2500 km/h, se fosse na superfície da Terra).

As ondas de rádio são na verdade ondas eletromagnéticas que se propagam à velocidade da luz (3 x 108 m/s) e não à velocidade do som, como se imagina normalmente. Assim, o sinal da estação chega fácil ao concorde.

Dentro do avião, o ar está parado com relação aos passageiros (ou quase) já que ninguém fica despenteado. Assim, a transmissão do som se dá normalmente. No conversível, contudo, o sinal do rádio não consegue chegar à frente daquele, face à grande movimentação do ar nestas velocidades.

Pergunta do mês de julho / 2001 (vale 1 ponto): Por que o céu ao longo do dia é azul e ao entardecer é avermelhado?

Melhor resposta: A melhor resposta foi a do Alessandro Lama:

Por que o céu é azul?

A resposta está em como os raios solares interagem com a atmosfera. Quando a luz passa através de um prisma, o espectro é quebrado num arco-íris de cores. Nossa atmosfera faz o mesmo papel, atuando como uma espécie de prisma onde os raios solares colidem com as moléculas e são responsáveis pela dispersão do azul.

Identificamos a cor de algo pois este "algo" refletiu ou dispersou a luz de uma determinada cor associada a m comprimento de onda. Uma folha verde utiliza todas as cores para fazer a fotossíntese, menos a cor verde, e está é refletida. Devido ao seu pequeno tamanho e estrutura, as minúsculas moléculas de oxigênio, nitrogêneo e outros gases existentes na atmosfera, difundem melhor as ondas com pequenos comprimentos de onda, tais como o azul e o violeta. As moléculas estão espalhadas através de toda a atmosfera, de modo que a luz azul dispersada chega aos nossos olhos com facilidade. A luz azul é dispersada dez vezes mais que a luz vermelha. Isto foi estudado por Rayleigh, físico inglês do século XIX que se envolveu também com convecção natural, como é discutido no texto.

Quando o céu está com cerração, névoa ou poluição, há partículas de tamanho grande que dispersam igualmente todos os comprimentos de onda, logo o céu tende ao branco pela mistura de cores. No vácuo do espaço extraterrestre, onde não há atmosfera, os raios do sol não são dispersos pela inexistência de matéria. Isto explica o céu negro visto pelos astronautas. Em Marte, o céu é cor de rosa, pela grande presença de partículas de poeira naquela atmosfera, devido à presença de óxidos de ferro originários do solo.


Por que o pôr do sol e a alvorada são vermelhos?

Quando o sol está no horizonte, a luz leva um caminho muito maior através da atmosfera para chegar aos nossos olhos do que quando está sobre as nossas cabeças. A luz azul nesse caminho foi toda dispersada, pois a atmosfera está funcionando como filtro. Muito pouca luz azul chega até nós, enquanto que a luz vermelha, que não é dispersada tão facilmente, consegue chegar naturalmente. Nessa hora, a luz branca está sem o azul.

O vermelho e o laranja tornam-se muito mais vívidos no crepúsculo quando há poeira ou fumaça no ar, provocada por incêndios, tempestades de areia e vulcões. Isto ocorre porque estas partículas maiores também provocam dispersão com a luz de comprimento de onda próximos, no caso, o vermelho e o laranja.

Pergunta do mês de agosto / 2001 (vale 1 ponto): A superfície de um lago é mantida a - 2 C, enquanto que a água está a 0 C. Considerando que condução de calor é o único modo de troca existente e usando os dados abaixo, estime quanto tempo vai levar para que uma camada de 10 cm de gelo seja formada na superfície do lago.

Outros dados:

Melhor resposta: Não tivemos nenhuma resposta este mês. Veja a análise.

Pergunta do mês de setembro / 2001 (vale 1 ponto): Alguém me perguntou o que acontece quando a umidade relativa alcançar 100%. Morreremos afogados?

Melhor resposta: A melhor resposta foi a do Rodrigo Aché, embora outros alunos tenham também comentado corretamente.

Pergunta do mês de outubro / 2001 (vale 2 pontos): Esta questão é destinada aos experimentalistas da turma: Mexa cuidadosamente café quente numa xícara até que você obtenha uma circulação uniforme. Neste momento, derrame leite frio no centro e note o aparecimento de um buraco. Relate o que você vê. Em seguida, repita o experimento usando leite quente. Explique as diferenças.

Melhor análise: O estudo e o filme feitos pela Joana foram muito bons. Em segundo, veio a análise do Deni e assim, ambos mereceram os pontos. Os dois se detiveram especialmente na diferença de densidades, que provocou uma diferença no empuxo. Entretanto, há um pouco mais a ser visto.

Fato é que pela maior densidade do leite frio, a corrente de leite desce no café quente. Como o café está girando, existem tubos (ou colunas) de vórtices que ficam misturadas com o leite e são alongados-esticados pelo leite descendo e em consequência, a velocidade angular destes vórtices aumenta bastante, abrindo um "buraco" no fluido. Mais ou menos como acontece com uma dançarina no gelo. Ao fechar os braços, ela reduz o momento de inércia e gira mais rápido. Ao abrir os braços, ela aumenta o momento de inércia e gira mais lentamente.

Se leite quente for adicionado ao café, o leite não irá descer tão rapidamente ou talvez até não desça (dependendo do tipo de leite - se integral, etc, e do café, na verdade, dependendo das suas densidades). Se o leite quente for menos denso que o café, então o tubos de vórtices serão encurtados, diminuindo assim a velocidade rotacional.

Ao realizar um experimento, é necessário que se tome certos cuidados, visando a sua reprodução. Assim, seria conveniente que se garantisse:


Em todo o caso, os dois estão de parabéns pelo estudo feito.

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Pergunta do mês de novembro / 2001 (vale 1 ponto): Tubos de metal são frequentemente cobertos por isolantes, tais como asbestos (tóxico!) e lã de vidro, para reduzir a troca de calor. Poderíamos concluir então que estes isolantes são piores condutores de calor que o ar ambiente. Caso contrário, por que alguém pagaria por eles? Entretanto, sabe-se que estes isolantes são melhores condutores que ar! Responda, se vc puder, por que usamos isolantes?

Melhor análise: Foi a da Andrea Willemsens, que reproduzo abaixo:

O ar, quando não está em movimento, troca calor por condução apenas. Por ser gás, cujas distâncias intermoleculares são grandes se comparadas com os sólidos ou mesmo os líquidos, faz com que seu coeficiente de troca de calor por condução k seja muito baixo. Estando em movimento, contudo, a troca de calor passa a ser por convecção e com isto, a troca aumenta bastante. Supondo valores médios, ele possui um coeficiente de troca de calor por convecção, de por exemplo, h = 30 W/m2C. Já os isolantes possuem um coeficiente de condução na ordem do k do ar. Por exemplo, a lã de vidro possui k = 0,0325 W/mC, e o isopor possui k = 0,0314 W/mC, valores muito baixos. Assim, se garantíssemos que o ar sobre o tubo de metal estaria parado, realmente o uso do isolante não seria necessário, pois o ar exerceria essa função e a troca de calor por condução seria pequena. Mas como o ar pode estar em movimento, a troca de calor por convecção pode ser grande e o uso do isolante torna-se necessário. O ar poderia ser usado como isolante se ficasse confinado em volta do tubo, isto é, se fosse colocada uma camada de outro material por fora dele e assim ele permaneceria parado.

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Pergunta do mês de março / 2002 (vale 1 ponto): Deseja-se fazer um omelete com ovo de avestruz. Quanto tempo ele deve ficar fervendo?

Melhor análise: Pedro Sabóia e Juliano Moraes fizeram uma interessante análise do problema e chegaram quase na resposta que considero correta. Ela está disponível através do link.

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Pergunta do mês de abril / 2002 (vale 1 ponto): É comum ouvirmos a afirmação que um forno de micro-ondas cozinha de dentro para fora. Isto é sempre verdade? Qual é a característica do forno que faz com que isto aconteça?

Melhor análise: Vários alunos enviaram bons comentários: Pedro Sabóia, Juliano Moraes, Camila Dorta e Guilherme Trovão. Resumi o que eles escreveram no texto que está colocado no link.

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Pergunta do mês de maio/ 2002 (vale 1 ponto): Como se mede a espessura da camada de Ozônio?

Melhor análise: .

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Pergunta do mês de agosto/ 2002 (vale 1 ponto): Observe a parte traseira de uma geladeira residendial. Explique o que acontece com os fluidos que interagem ali, indicando claramente os processos de transferência de calor, de uma corrente para a outra, o sentido do escoamento do fluido de refrigeração, e tudo que mais lhe chamar atenção neste equipamento.

Melhor análise: João Emídio e Frederico Gomes. Veja a análise feita.

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Pergunta do mês de setembro/ 2002 (vale 1 ponto): Madame Fulana de Tal adora tomar coca-cola em lata mas detesta quando ela fica choca (isto é, quando o gás escapa). Disseram a ela que para evitar isto, ela deveria colocar uma colher de chá dentro da mesma, antes de devolvê-la para a geladeira. Outro dia ela fez isto. Porém, na manhã seguinte, ela percebeu que havia cristais de gelo ao redor da colher. Você é requisitado para dar uma explicação técnica sobre o assunto. Este é um fato muito importante pois se ela não entender o que houve, chamará a d. Benta Benzedeira, encarregada de exorcizar demônios. O que você acha?

Melhor análise: Priscilla Almeida, que reproduzo abaixo.

Quando a Dona Fulana coloca uma colher de chá dentro da coca-cola e a temperatura do ambiente da geladeira está baixo o suficiente, "criam-se" cristais de gelo em torno da colher, porque a mesma vai retirar energia da coca-cola. Em consequência, a temperatura do fluido irá abaixar o suficiente para a formação dos cristais (gelo), especialmente nas regiões de contato com o talher. Com isso, podemos concluir que a colher funciona como uma aleta para este sistema e sendo metálica, isto é, boa condutora, ela estará intensificando a taxa de transferência de calor que já existia. Ou seja, da mesma forma que uma colher esfria mais rapidamente café quente, a colher dentro da coca-cola esfria mais rapidamente a mesma. É importante observar que o material e as extensões submersa e exposta da colher irão afetar a taxa de transferência de calor (aliás, este é um dos projetos do curso para este período).

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Pergunta do mês de outubro/ 2002 (vale 1 ponto): Assar galinhas e perus é uma atividade regular para as cozinheiras. Uma das maiores dificuldades é certamente a estimativa do tempo necessário para que a carne crua chegue ao ponto certo. Os livros de culinária indicam que o forno deve estar a uma certa temperatura To e a ave deve ficar assando durante n minutos por cada kg. Perus, que podem variar de 4 a 15 kg, podem então serem assados. Tipicamente, um livro recomenda assar em tempos variando de 15 a 25 minutos por cada 2 kg de carne, com o maior valor sendo usado para aves menores. A carne é considerada assada quando a sua temperatura interna mínima alcançar um determinado valor independentemente do tipo de carne e a sua maciez. Modele o processo e discuta a acurácia da regra dos livros de culinária.

Melhor análise:

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© Washington Braga Filho, DEM, PUC-Rio, wbraga@mec.puc-rio.br
Produzido em março / 1998
Última Atualização em abril / 1999
nome do arquivo: http://wwwusers.rdc.puc-rio.br/wbraga/transcal/perg.htm