Vocês aprenderam até aqui:
A seguir, vocês irão se deparar com assuntos que ressaltam a importância da físico-química e aprenderão mais sobre esse universo e suas características, além de perceber o quanto ela está presente em nossas vidas.
Temperatura e calor são conceitos essenciais da área da Física que estuda os fenômenos associados ao calor, a
Termologia.
Muitas vezes, esses dois conceitos são confundidos, porém, apesar de estarem associados, são conceitos distintos.
Para entender o conceito de temperatura, como ela se manifesta e como é feita sua medição, temos que, inicialmente, realizar algumas considerações acerca da natureza da matéria, sua composição e disposição espacial.
Toda a matéria que manipulamos, observamos e ate ingerimos é formada de átomos, que se agrupam e formam as moléculas e compostos que conhecemos, sem exceção.
Estes átomos encontram-se em movimento, em agitação constante, inclusive os sólidos que são rígidos, logo, todos os constituintes (átomos) estão em movimento.
Este movimento gera uma espécie de energia, que pode ser transferida de um corpo para outro, conhecida como
energia cinética.
A energia cinética é gerada a partir do movimento aleatório dos átomos e moléculas entre si.
A temperatura é uma grandeza física utilizada para medir o grau de agitação ou a energia cinética das moléculas de
uma determinada quantidade de matéria.
Quanto mais agitada essas moléculas, maior será a temperatura do corpo. Quanto menos agitadas, menor será sua
temperatura.
A medição da temperatura dos corpos é feita por aparelhos chamados termômetros, podendo ser em diferentes escalas de medição, as mais utilizadas são:
Os corpos e substâncias estão sempre tentando estabelecer um equilíbrio térmico (temperatura igual para todos os corpos/substâncias), onde a variação de temperatura no universo seja sempre próxima de zero.
CALOR É A ENERGIA TRANSFERIDA DE UMA ENTIDADE PARA OUTRA, POR CAUSA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA EXISTENTE ENTRE OS CORPOS EM CONTATO.
Essa energia, em trânsito, sempre tem o sentido do mais quente para o mais frio, para que o equilíbrio seja
estabelecido.
Os átomos e moléculas com mais energia cinética e, consequentemente, maior temperatura, transferem parte dessa
energia para outro corpo.
A unidade de medida mais empregada para a medida do calor é a caloria (cal), porém segundo o S.I., a unidade oficial é o Joule (J).
A pressão é uma grandeza derivada da aplicação da força (peso = massa x gravidade) sobre determinada área (em
metros ou seus derivados.
Sua unidade é dada por N/m², também chamada de Pascal, em homenagem ao cientista que comprovou sua
existência.
O primeiro cientista a pensar sobre a pressão como uma grandeza ou propriedade foi Blaise Pascal¹, quando
trabalhava com física dos fluidos acabou por inventar a prensa hidráulica.
Comprovou através de alguns experimentos que a pressão é proporcional a força aplicada sobre uma determinada área.
Contribuindo, dessa maneira, para um grande avanço na criação de máquinas hidráulicas, alavancando a tecnologia da
época.
Outra contribuição de Pascal foi conduzir a explicação para o funcionamento do barômetro.
Vejamos, a partir daqui, as aplicações da pressão, inicialmente com a pressão de um líquido.
Uma grande aplicação da pressão e seu efeito podem ser observados quando o meio passa a ser líquido. Vejamos um exemplo prático:
Quando você mergulha nessa região líquida, quanto mais fundo você for, maior será a pressão aplicada sobre seu corpo. Isso pode ser percebido por você pela pressão que a agua realiza sobre seus tímpanos.
Todavia, é importante ressaltar que os líquidos não possuem grande capacidade de sofrer compressão ou dilatação, como os gases.
As moléculas do liquido conseguem deslizar entre si, portanto, o liquido assume a forma do recipiente que ele ocupa e será mantido assim por meio da pressão externa aplicada sobre o mesmo.
Empuxo é a força que ocorre entre dois meios, de modo geral. Esse fenômeno pode ser observado quando tentamos remover um objeto do meio líquido para outro meio, por exemplo, removendo uma bola da água do mar (meio 1) para o ar (meio 2, nossa atmosfera).
Então, imagine que você está em um rio e decide pegar uma grande rocha que está depositada no leito desse rio. Ao mergulhar, como já discutido, sentirá a pressão que a água exerce sobre você. Mas e a rocha? Será que sofre a mesma pressão também?
Na verdade, a rocha possui um peso aparentemente menor que o real, porque ainda que sofra a pressão da água existe
outra força atuando sob a rocha, que é maior do que a pressão.
Essa força é chamada de empuxo, que é uma força contrária a pressão, e isso ocorrerá entre dois meios ou no
limite entre um e outro. Veja o exemplo a seguir:
Empuxo é a força que o fluido provoca em cima de um corpo, quando o mesmo está em repouso e imerso nesse fluido.
Entende-se fluido como meio gasoso ou meio líquido.
O empuxo está diretamente relacionado à densidade do corpo.
Mas, perceba que devemos considerar também aquele princípio físico fundamental, “dois corpos não ocupam o mesmo
lugar no espaço”.
Portanto, toda vez que um corpo for inserido em um meio (água, por exemplo), o meio terá parte de sua massa
deslocada, equivalente ao corpo inserido.
Todo corpo imerso em um fluido sente a força do empuxo, sendo esta última em sentido contrário e com o mesmo peso do fluido que foi deslocado. Ou seja, quanto mais água você desloca para puxar a rocha para a superfície, maior será o empuxo e, portanto, maior o peso associado à rocha.
Se um corpo quando imerso desloca 1 quilograma do fluido, a força de empuxo que atuará sobre o corpo imerso será igual ao peso de 1 quilograma.
O princípio de Arquimedes foi usado para o controle de um veículo bem interessante, o submarino.
Observe que pelo equilíbrio e manipulação da força empuxo e pressão tem-se o controle do submarino.
Acompanhe, a seguir, como funciona.
Submarino e o sistema de tanques:
Pode-se perceber, que na figura anterior, que à medida que os tanques são preenchidos o veículo começa a imergir, cada ponto no submarino é adaptado para que se tenha o controle da profundidade desejada.
A aplicabilidade da pressão em diversos processos hidráulicos foi bem-vinda para a tecnologia do século XVIII. As contribuições de Pascal desenvolveram um princípio interessante, onde:
Toda variação de pressão em qualquer ponto do fluido em repouso será transmitida para todos os pontos do fluido.
Veja a seguir.
Como pudemos perceber, na figura anterior, e seguindo o princípio de Pascal, quando temos uma forma aplicada e,
portanto, realizando uma determinada pressão sobre aquele ponto, esta pressão será transmitida para todos os
pontos do fluido.
Na figura temos um fluido em repouso, que sofre em todos os pontos a pressão aplicada pela F1. A quantidade de
fluido, agora em movimento, provoca a geração de outra força, F2, da mesma intensidade, porém em sentido
contrário.
Quando falamos sobre empuxo abordamos muitos exemplos onde o fluido observado foi a água. Agora, consideraremos o
fluido sendo o ar.
Quando a pressão aplicada sobre qualquer objeto é resultado do ar, denominamos de pressão atmosférica e
passamos a considerar o efeito da gravidade sobre o objeto. Acompanhe a seguir.
Da mesma maneira que a água provoca o empuxo no sentido contrário ao peso, o ar também realiza o mesmo
procedimento.
Esse avanço no entendimento das forças atuantes nos fluidos foi muito importante para a criação de máquinas
hidráulicas, automóveis, aeronaves, entres outros. Veja alguns exemplos a seguir.
Até aqui vimos como conceito tão simples permitem aplicações importantes para o avanço tecnológico e o nível de conforto da sociedade. Para percebermos como essas aplicações estão presentes na nossa vida, basta observar por um momento: carros, tratores e aviões com direção hidráulica seguem os princípios de Pascal.
Antes de mais nada, precisamos saber do que depende cada uma delas.
A velocidade é uma característica que depende do meio onde essa onda está. Já a frequência de uma onda,
depende da fonte que emitiu aquela onda. E o comprimento depende de ambos, tanto da frequência quanto da
velocidade.
Geralmente na questão ele coloca um constante e o outro variável.
Se a velocidade for constante o comprimento vai depender da frequência, sendo assim, inversamente proporcionais.
Maior frequência, menor comprimento de onda.
Isso em ondas eletromagnéticas.
Já nas maioria das situações, temos a frequência constante e a velocidade que vai mudar. Nessa situação o
comprimento de onda vai depender da velocidade.
Comprimento, onda e velocidade são diretamente proporcionais, ou seja, maior comprimento de onda, maior velocidade
e vice e versa.
A reflexão acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e retorna, se propagando no mesmo meio
anterior.
Desta forma, não há alteração na velocidade de propagação (que só depende do meio), nem na frequência (que só
depende da fonte).
Assim, o comprimento de onda da onda incidente é igual ao comprimento de onda da onda refletida.
Na reflexão, o ângulo θi formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de
direção NORMAL, é idêntico ao ângulo θr formado pela direção normal e pelo raio refletido. Assim:
θi= θr
No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a reflexão pode gerar dois efeitos diferentes. Se a extremidade
da corda estiver fixa, o ponto da corda que está presa ao obstáculo tentará mover o obstáculo para cima. Pela
Terceira Lei de Newton, sofrerá a ação de uma força para baixo, o que fará inverter a orientação da perturbação.
Dizemos que, nesse caso, houve INVERSÃO DA FASE da onda.
Se as extremidades estiverem livres, esta força não atua e o pulso retorna normalmente.
A refração acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e a atravessa, passando a se propagar
no outro meio.
Desta forma, há alteração na velocidade de propagação (já que esta só depende do meio), o que gera uma alteração
no comprimento de onda, mas sem que haja alteração na frequência.
Isso vem acompanhado, na maioria dos casos, de uma alteração na direção de propagação da onda.
É essa alteração que explica o porquê as ondas do mar chegam sempre “de frente” à costa, mesmo sendo esta toda
“recortada”.
Se observarmos o oceano de cima, de um ponto mais elevado numa costa, veremos o padrão horizontal de cristas de
onda que se aproximam dela.
Mas, independente da direção das quais as ondas venham, elas acabam chegando à costa numa direção quase
perpendicular a ela.
Isso acontece porque a profundidade do mar diminui a medida em que a onda se aproxima da costa, alterando a
velocidade de propagação das ondas.
Na refração, o ângulo θ1 formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de
direção NORMAL, possui uma relação com o ângulo θ2 formado pela direção normal e pelo raio refratado.
Essa relação é chamada de Lei de Snell-Descartes:
Se o pulso se propaga da corda menos densa para a mais densa, a segunda corda se comporta como um ponto fixo para a primeira, e o pulso refletido sofre inversão de fase.
Se o pulso se propaga da corda mais densa para a menos densa, a segunda corda se comporta como um ponto livre para a primeira, e o pulso refletido não sofre inversão de fase.
Quando uma frente de onda encontra um obstáculo, este reflete parte da energia da onda e transmite outra parte. Mas, se tivermos uma porção da frente de onda desobstruída, os pontos dessa frente de onda se comportam como pequenas fontes pontuais de onda, gerando ondas do outro lado do obstáculo e que tendem a se espalhar do outro lado. Esse fenômeno chama-se difração, e esse princípio recebe o nome de PRINCÍPIO DE HUYGENS.
É por isso que conseguimos escutar um som emitido de um lado de um muro, mesmo estando do outro lado. É claro que podemos ter uma pequena parcela de energia atravessando o muro, mas a maioria dessa energia chega até nós graças à difração.
É importante ressaltar uma coisa: a difração, assim como os outros fenômenos ondulatórios, é mais intensa quando o
comprimento de onda tem valor próximo ou maior do que as dimensões dos objetos utilizados para a observação.
É por isso que, ao longo do dia-a-dia, não notamos a luz como uma onda: o comprimento médio de onda da luz é da
ordem de 0,0005 mm! Não temos objetos ao nosso redor com essas dimensões.
Quando duas ondas atingem um mesmo ponto do espaço, cada uma delas possui uma influência particular no meio considerado. Pensemos no caso de dois pulsos se propagando em uma corda. Ao passar por um ponto qualquer, cada pulso faria com que o ponto da corda estivesse a certa altura, com um determinado valor de velocidade e de aceleração.
Posição, velocidade e aceleração são grandezas vetoriais. Estas obedecem a um princípio chamado de PRINCÍPIO DA
SUPERPOSIÇÃO.
Ele diz que o valor final de uma grandeza que obedeça a esse princípio equivale à soma dos valores individuais.
Assim, a posição final de um ponto da corda equivale à soma das posições que cada pulso geraria individualmente.
Quando ocorre um encontro de duas ou mais ondas em um ponto, dizemos que houve interferência das ondas e o padrão de amplitudes e movimentos dos pontos atingidos pela onda obedecem ao princípio da superposição.
Assim, temos três situações distintas:
Quando duas ondas com frequência de valores próximos interferem entre si, dão origem a um fenômeno chamado BATIMENTO. Devido à interferência, a amplitude da onda resultante oscila de valor, passando de valores altos a valores baixos. Pode ser obtida, por exemplo, tocando-se simultaneamente duas teclas adjacentes de um piano, uma branca e uma preta.
Existe uma consequência importante sobre a superposição de ondas. Quando, em uma mesma região do espaço, dois trens de ondas senoidais, com mesmas frequência e amplitudes, mas sentidos contrários, interferem entre si, temos o que chamamos de ONDA ESTACIONÁRIA.
Formam-se pontos na onda onde não existe vibração, chamados NÓS, graças à interferência destrutiva, e pontos onde a amplitude de vibração é máxima, DENOMINADOS VENTRES, devido à interferência construtiva.
Outros pontos possuem amplitude intermediária. Assim, os vários pontos da o da vibram com amplitudes diferentes, mas com mesma frequência, mas sem deslocamento na direção de propagação das ondas originais.
Ondas estacionárias formam-se, principalmente, em regiões limitadas por algum tipo de descontinuidade, pois um trem de ondas pode sofrer reflexão nesta e retornar, ocasionando a interferência com as porções da onda que ainda se movem no sentido original.
O modo de menor frequência no qual acontece uma onda estacionária é chamado de MODO FUNDAMENTAL ou PRIMEIRO HARMÔNICO.
Existem outras frequências para as quais temos ondas estacionárias. Elas são chamadas de segundo harmônico, terceiro harmônico e assim sucessivamente. À medida que aumentamos a frequência, em harmônicos maiores, o comprimento de onda reduz.
Note, através da figura, que a distância entre dois nós sucessivos ou entre dois ventres sucessivos vale meio comprimento de onda.
Polarizar uma onda significa orientá-la em uma única direção ou plano através da passagem em um dado meio, chamado de polarizador. Somente ondas transversais podem ser polarizadas!)
A luz solar não tem uma direção específica de polarização. Cada onda eletromagnética que sai do sol pode vibrar em uma direção diferente. Neste caso, dizemos que a luz é não polarizada. Quando a luz solar é refletida, pode ser polarizada em uma direção específica.
As lentes polarizadas de óculos escuros podem barrar a passagem dessa luz, diminuindo a sensação de ofuscamento causada pelas superfícies que refletem a luz
Sistemas físicos, como sólidos, por exemplo, devido à sua estrutura atômica ou molecular, possuem uma vibração própria graças a efeitos térmicos ou externos. Quando uma vibração externa, com frequência próxima ou igual à frequência natural de vibração de um sistema, é emitida na direção deste, o sistema absorve fortemente a energia dessa onda, aumentando a amplitude de suas vibrações. Neste caso, dizemos que o sistema está em ressonância.
É graças a isso que é possível estourar uma taça de cristal apenas com a voz. Ao emitirmos um som com frequência próxima ao valor natural do cristal, ele entra em ressonância e não suporta o aumento da vibração, quebrando.
É também por isso que escutamos o som de um violão: a madeira da caixa do violão entra em ressonância graças à vibração das cordas, fazendo o ar retido dentro da caixa também vibrar, aumentando a intensidade do som.
