FISICA TERMICA
Objetivo
- Mostrar um dos meios de obtenção de energia térmica: a combustão.
- Pode-se obter energia térmica por pelo menos três formas:
- Combustão ou queima de materiais: transformação de energia química em energia térmica. Exemplo: a queima do gás no fogão de cozinha.
- Atrito: transformação de energia mecânica em energia térmica. Exemplo: esfregar as mãos.
- Resistência elétrica: transformação de energia elétrica em energia térmica. Exemplo: a resistência que aquece a água dentro do chuveiro.
- Na queima de materiais há liberação de calor porque os gases que resultam da combustão estão numa temperatura muito maior que a do meio ambiente. Há propagação de energia térmica dos gases para todo o ambiente ao seu redor devido a essa diferença de temperatura. Para absorver a maior quantidade possível de calor, coloca-se um objeto que se deseja aquecer diretamente em contato com os gases produzidos pela combustão.
- A queima de materiais é uma reação química, por isso precisa de duas substâncias para reagirem. Uma das substâncias é chamada de combustível e a outra de comburente. Exemplos de combustível: gasolina, álcool, madeira, papel e gás de cozinha. Exemplo de comburente: gás oxigênio. Essas substâncias dos exemplos de combustível e comburente são mais comuns no dia a dia, porém existem outras substâncias que podem reagir liberando energia térmica. Para as substâncias reagirem é necessário que hajam condições ambientais favoráveis. Uma das condições é a temperatura. Por isso é necessário uma fagulha de fogo para iniciar uma combustão, pois essa fagulha irá aumentar a temperatura de uma pequena parte das substâncias, possibilitando que haja uma reação química entre as substâncias combustível e comburente. Essa primeira reação química libera calor que aquece o resto da substância permitindo sua reação. Exemplo disso é gás butano (um combustível) no fogão de cozinha, que para pegar fogo (reagir com o oxigênio, que é um comburente) precisa da chama de um palito de fósforo ou de uma faísca elétrica. Observe que se não fosse assim, ao abrir a válvula do fogão o gás butano encontraria com o gás oxigênio e ocorreria a combustão automaticamente. Se o combustível em contato com gás oxigênio for aquecido até atingir a temperatura necessária para ocorrer a combustão, ocorrerá a combustão sem precisar da existência de uma fagulha de fogo. Por isso deve se tomar o cuidado de não deixar substâncias combustíveis onde elas possam ser aquecidas até entrar em combustão.
- Este experimento trata apenas da combustão e a idéia é mostrar que é necessário haver combustível e comburente para que ela ocorra. Para mostrar a necessidade do combustível e do comburente numa combustão coloca-se um copo sobre uma vela acessa. O copo não permite a entrada de oxigênio (comburente), então a combustão do barbante da vela (combustível) pára quando acaba o gás oxigênio de dentro do copo, ou seja, a vela apaga. Depois volta-se a acender a vela e colocar o copo sobre ela. Mas desta vez, antes da chama apagar, ergue-se o copo permitindo a entrada de gás oxigênio. A chama volta a se reanimar. Percebe-se então a necessidade do gás oxigênio para a existência da chama (combustão).
| Item | Observações |
| Uma vela | pode ser apenas um pedaço, pois a vela tem que caber dentro de um copo |
| Um copo | transparente de vidro |
| Uma caixa de palitos de fóforo | para acender a vela |
Montagem
- Acenda a vela e fixe-a sobre uma mesa.
- Coloque o copo sobre a vela.
- Observe que a chama diminui até a vela apagar, pois o gás oxigênio que está no ar de dentro do copo vai sendo gasto na combustão. Quando a vela apaga é por que o gás oxigênio de dentro do copo terminou.
- Tire o copo e acenda novamente a vela.
- Coloque o copo sobre a vela outra vez. Quando a chama estiver apagando, levante o copo para entrar gás oxigênio.
- Observe que para a chama não apagar será necessário erguer boca do copo até que fique próxima à chama, pois o gás oxigênio que tinha dentro do copo já foi usado na combustão.
- Cada substância na sua queima libera uma quantidade de calor diferente. A quantidade de calor que cada substância libera na combustão é chamada calor de combustão.
- Antes de fazer essa experiência numa mesa, retire os papéis (cadernos e livros) que estiverem sobre a mesa.
ELETRICIDADE
- Mostrar a existência de cargas elétricas e suas propriendades.
- Alguns materiais apresentam, sob determindas condições, fenômenos elétricos que podemos explicar usando um modelo teórico.
- Estes fenômenos são observados pelo homem desde a antigüidade. E desde então houveram vários modelos que foram propostos para tentar explicar a sua origem.
- O modelo que melhor explicou tais fenômenos é o modelo de cargas elétricas, que é usado até os dias de hoje. Este modelo prevê a existência de dois tipos de cargas elétricas, uma carga de sinal positivo e outra de sinal negativo.
- Para explicar os fenômenos elétricos que eram observados, foi proposta a lei da atração e repulsão: cargas elétricas de mesmo sinal se repelem entre si e cargas elétricas de sinais opostos se atraem entre si. Veja o esquema das leis de atração e repulsão na figura abaixo.
- Os materiais em seu estado fundamental são neutros; a somatória de suas cargas elétricas é nula.
- É por isso que os fenômenos elétricos só podem ser observados em determinadas condições, ou seja, para que haja repulsão ou atração entre dois ou mais materiais é preciso que a somatória de suas cargas não seja nula. Isso quer dizer que é preciso que hajam cargas positivas ou negativas em excesso no material.
- É possível fazer com que um material que está neutro fique carregado elétricamente. Para isso basta fornecer ou retirar algumas cargas elétricas neste material, fazendo com que ele fique com uma carga líquida positiva ou negativa. Este processo é chamado de eletrização.
- Há vários métodos de eletrização que são empregados, de forma que cada método é usado dependendo do resultado que se quer obter.
- A eletrização só se dá entre materiais isolantes, pois os materiais condutores não tem a capacidade de reter cargas elétricas, pois elas escoam pelo material.
- Já os materiais isolantes não permitem que as cargas se movimentem em seu interior.
- Neste experimento, para demonstrarmos a existência de cargas elétricas, utilizaremos do método de eletrização por atrito.
- Esta eletrização é feita com dois materiais de características elétricas diferentes. Um deve ter mais facilidade para receber cargas negativas, estes materiais são chamados de eletronegativos e o outro deve ter mais facilidade para doar cargas negativas, estes são chamados de materiais eletropositivos. Assim quando estes materias são atritados as cargas negativas migram de um material para o outro.
- Ao afastá-los um deles terá recebido cargas elétricas negativas, se tornando um material eletrizado negativamente. E o outro se tornará um material eletrizado positivamente, pois ao doar cargas negativas, ficou com excesso de cargas positivas em seu interior. Como mostra a figura abaixo.
- Podemos a partir daqui compreender como se dá a repulsão e a atração entre materiais carregados.
- Para que haja repulsão entre dois materiais, eles devem estar carregados com a mesma carga. Ao serem aproximados haverá uma força de repulsão entre eles que se opõe à aproximação. Veja a figura abaixo.
- Para que haja atração entre dois materiais é preciso que eles estejam carregados com cargas elétricas de sinais opostos ou que um deles esteja carregado e o outro neutro.
- A atração entre um material carregado e outro neutro é mais comum, pente e papel por exemplo, e pode ser explicado utilizando-se da idéia da formação de dipolos elétricos, fenômeno comumente citado como "separação de cargas".
- O átomo neutro torna-se um dipolo elétrico quando os centros de carga positiva e negativa se separam. Isto acontece quando ele é submetido à ação de outras cargas elétricas.
- Se um material tem uma superfície eletrizada e se aproxima de um material neutro elétricamente, os átomos do material neutro se tornarão dipolos elétricos (polarização) na região de aproximação.
- Por exemplo se aproximarmos um material eletrizado negativamente de um material neutro, as cargas negativas em excesso do material eletrizado vão atrair as cargas positivas dos átomos da região de aproximação e consequentemente vão repelir as cargas de sinal negativo destes átomos.
- Isso faz o átomo assumir uma nova distribuição espacial na forma de um dipolo, como se fosse um íma, positivo de um lado e negativo de outro. Como mostra a figura abaixo.
- Note que o material continua neutro, pois o número de cargas continua o mesmo. A atração é favorecida devido a formação dos dipolos.
- Se atritarmos uma bexiga com os cabelos ela se eletrizará, pois a bexiga é um material isolante e se eletriza por atrito.
- É importante ressaltar que para se conseguir uma boa eletrização, a bexiga e os cabelos devem estar limpos e secos.
- Para verificarmos a existência de cargas podemos fazer um experimento simples com duas bexigas.
- Um primeiro teste é a verificação da repulsão entre elas. Eletrizamos as duas bexigas por atrito com os cabelos. Assim, as duas bexigas receberão o mesmo tipo de carga dos cabelos e ao proximarmos uma da outra elas se repelirão. Note que para garantir que as bexigas irão se eletrizar com as mesmas cargas, elas devem ser do mesmo material e serem eletrizadas no mesmo cabelo. E para se garantir que elas irão se repelir as áreas de aproximação devem ser as mesmas áreas que foram eletrizadas. Veja a figura abaixo.
- Para verificarmos a atração entre dua bexigas, eletrizamos por atrito uma bexiga com os cabelos, e aproximamos esta de uma bexiga neutra.
- Devemos observar neste caso uma atração quando se aproxima a bexiga eletrizada da bexiga que está neutra. As cargas da superfície da bexiga neutra se rearranjarão em dipolos fazendo com que as bexigas se atraiam. Veja figura abaixo.
- Com os testes deste experimento, podemos mostrar a existência de cargas elétricas bem como suas propriedades de atração e repulsão.
- Para fazer a atração entre as bexigas.
- Encha duas bexigas de forma que elas fiquem firmes e pequenas.
- Atrite uma delas no cabelo de uma pessoa. Atrite toda a superfície da bexiga no cabelo.
- Aproxime a bexiga eletrizada da bexiga neutra.
- Para fazer a repulsão entre as bexigas.
- Encha duas bexigas de forma que elas fiquem firmes e pequenas.
- Atrite as duas bexigas no cabelo de uma pessoa. Atrite toda a superfície das bexigas no cabelo.
- Solte lentamente uma das bexigas sobre uma mesa e aproxime dela a bexiga que ficou na mão.
- Ao encher a bexiga ela deve ficar o menor possível, mas também deve ficar cheia o suficiente para que fique firme.
- Ao atritar a bexiga com os cabelos, a bexiga e os cabelos devem estar limpos e secos.
- Ao atritar a bexiga com os cabelos vá girando a bexiga, para que toda a sua superfície fique eletrizada.
- Dê preferência para modelos pequenos de bexigas, pois ficam firmes e pequenas depois de cheias.
MECANICA
- Demonstrar que os objetos, quando em queda livre, gastam o mesmo tempo para cair uma mesma altura, independentemente de suas trajetórias. Ou seja: o objeto que cai em curva gasta o mesmo tempo para chegar ao chão que um objeto idêntico solto ao mesmo tempo da mesma altura mas que cai verticalmente.
- É comum de se pensar que o objeto lançado para cima em curva leva mais tempo para voltar ao solo do que se este objeto fosse lançado verticalmente. Esta é uma concepçao incorreta decorrente do fato verdadeiro que a distância total percorrida pelo objeto lançado em curva ser maior que daquele lançado verticalmente. Porém o movimento vertical é determinado pela atração gravitacional, que é tal que puxa os objetos em relação à Terra com a mesma velocidade, indepentemente da trajetória (e até da massa deles).
- A idéia do experimento é fazer um lançamento ao mesmo tempo de dois objetos idênticos só que com duas trajetórias diferentes: uma vertical e outra em curva. Pelo som dos objetos batendo no piso, pode-se deduzir que eles chegaram ao mesmo tempo, indepentemente da trajetória.
| Régua | comum de 30cm |
| Duas moedas idênticas |
- Coloque a régua sobre a mesa de forma que metade dela fique para fora.
- Coloque uma moeda sobre a régua do lado de fora e a outra entre a régua e a mesa.
- Bata de fora para dentro de forma que a régua lance uma moeda e deixa que a outra caia em queda livre.
- É preciso treinar algumas vezes para que o lançamento fique sincronizado de forma a demostrar o proposto.
Esquema geral
