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Física no Cotidiano 2 – Dilatação térmica

Para esse post, o segundo da série “Física no Cotidiano” [veja o primeiro aqui], vou me basear em algo que me aconteceu recentemente:

Semana passada estive de férias e fui visitar minha avó. Encontrei-a com um pequeno problema: a tampa de uma panela havia entrado em uma bacia de metal e ficado presa, e ela não conseguia de jeito nenhum tirar a tampa de lá. Para resolver isso, coloquei o sistema em questão no congelador e, depois de algumas horas, joguei água fervente ao redor da bacia. Imediatamente a tampa se soltou. Por que será que isso aconteceu?

A explicação para isso está no fenômeno da dilatação térmica.

Sabemos que ao fornecermos calor para um corpo, sua temperatura aumenta. Bom, esse aumento na temperatura aumenta a energia interna do corpo, que ocasiona uma maior vibração das partículas que o compõem. Vibrando mais, essas partículas precisarão de mais espaço, fazendo com que o corpo se expanda.

O oposto acontece ao retirarmos calor de um corpo: sua temperatura diminui, sua energia interna diminui, a vibração de suas partículas diminui, e o corpo sofre uma contração.

A dilatação térmica, obviamente, depende de alguns fatores. São eles:

  • O tamanho inicial do objeto. Um exemplo para entender por que: duas barras de metal, uma com 10 metros e outra com 10 centímetros de comprimento, inicialmente à mesma temperatura, recebem a mesma quantidade de calor; se verificarmos que a barra de 10 metros passa a medir 11 metros, não podemos afirmar que a barra de 10 centímetros também aumentará em 1 metro seu comprimento. Isso porque o aumento é proporcional ao tamanho: quanto menor um corpo, menor será sua dilatação.
  • A variação de temperatura que o corpo sofre. Quanto mais sua temperatura varia, maior será sua dilatação.
  • O coeficiente de dilatação térmica do corpo. Materiais diferentes sofrem dilatação diferentemente. Isso se deve à estrutura molecular do corpo. Quanto maior é esse coeficiente, maior será a dilatação do corpo.

É no coeficiente de dilatação térmica que vou me deter agora. Na situação que descrevi no começo do post, tanto a bacia quanto a tampa eram de metal. Não sei qual metal, mas isso significa que seus coeficientes de dilatação térmica eram muito próximos. A diferença de tamanho entre os dois também não era relevante. Sabendo disso, pude concluir que, se eu aquecesse o sistema todo, tanto a bacia quanto a tampa se expandiriam semelhantemente, e não seria criada uma folga entre os dois. Por isso, deduzi que seria necessário esquentar somente a bacia, para que ela aumentasse de tamanho, e esfriar a tampa, para que diminuísse de tamanho, e aí sim seria criada a folga necessária para que se soltassem. E foi o que aconteceu.

O conhecimento desse fenômeno pode ser muito útil em situações como essa. Sabe aquele vidro de pepino que você fecha, guarda na geladeira, e depois não consegue mais abrir? É só esquentar a tampa e está resolvido! O coeficiente de dilatação da tampa, que é de metal, é maior que o do frasco, que é de vidro; por isso, quando ambos são resfriados (na geladeira), a tampa fica muito apertada no vidro porque se contrai mais que ele. Quando são aquecidos, acontece o oposto, ficando mais fácil separá-los.

O fenômeno da dilatação térmica ocorre o tempo todo ao nosso redor, mas na maioria das vezes é imperceptível aos nossos olhos, ou estamos muito desatentos para reparar nele. Se prestarmos atenção, podemos notar, por exemplo, que os fios de luz ficam mais esticados no inverno e mais “soltos” no verão.

A esfera passava pelo anel, mas foi aquecida e aumentou de tamanho.

Esse fenômeno é levado em conta em qualquer processo de fabricação, e um pequeno erro de cálculo pode ter graves conseqüências. Imagine só um carro com parafusos que têm coeficientes de dilatação térmica muito diferentes do que as placas onde são encaixados!

É por causa da dilatação térmica também que blocos de concreto nas calçadas e em pontes têm um espaçamento entre si, assim como as barras de metal nos trilhos de trem.

Outro fato interessante é que a dilatação dos líquidos é imensamente maior que a dos sólidos. Quem entendeu o que eu disse até agora vai saber por que é mais lógico abastecer o carro à noite! Hehe =]

Espero que tenham gostado, fiquem à vontade para comentar e fazer perguntas.

Giulia R.

Introdução à espectroscopia

Autor: Gravilo, do blog Númerofilia

O que é espectroscopia?

Sabemos que a luz é uma onda eletromagnética, ou seja, uma onda que se propaga no vácuo. O que chamamos de espectro nada mais é do que a intensidade da luz em diferentes comprimentos de onda, e a espectroscopia estuda justamente isso. Em 1856, Kirchhoff e Bunsen realizaram um experimento vital para o desenvolvimento da espectroscopia, então vamos tentar entendê-lo.

Aproveitando o bico de Bunsen, que emitia chama incolor, os cientistas puderam observar a cor de cada elemento. Já realizou o chamado teste da chama, no qual você joga um determinado sal na chama do bico de Bunsen e verifica a coloração resultante? Pois então, Kirchhoff foi além e sugeriu que as cores passassem através de um prisma, decompondo-se (veremos a seguir com mais detalhes). Também foi posicionado um conjunto de lentes em frente ao prisma.

Ilustração esquemática do primeiro espectroscópio de Kirchhoff

A aparelhagem acima recebeu o nome de espectroscópio, ou espectrômetro, e através dela pode-se identificar as linhas refletidas pelo prisma com os elementos químicos. Assim, cada elemento gerava uma série de linhas diferentes: o sódio tinha linhas no amarelo, neônio no vermelho etc. Interessante, não? Agora já era possível identificar um elemento através do espectroscópio, mas para que tudo isso serve?

Para que serve a espectroscopia?

Hoje em dia muito do que sabemos sobre estrelas é proveniente da análise do espectro de cada uma delas, sem precisarmos ir até elas e fazer as medidas diretamente. De fato, Kirchhoff logo viu o potencial da espectroscopia e decidiu utilizar o espectroscópio para estudar a luz do Sol. Com isso, viu que o Sol era um gás ou sólido quente e descobriu linhas de magnésio, cálcio, crômio, cobalto, zinco, bário e níquel.

Em 1868, o astrônomo Sir Joseph Norman Lockyer utilizou a técnica para descobrir um novo elemento químico: o hélio. A espectroscopia também teve um papel muito importante no desenvolvimento da mecânica quântica, incluindo a explicação de Niels Bohr à estrutura atômica. De acordo com Bohr, elétrons permanecem em órbitas bem definidas e, quando excitados, emitem ou absorvem energia para transitar entre elas.

Quando aquecemos um elemento, fornecemos energia em forma de calor absorvida pelos elétrons, fazendo com que os elétrons saltem a uma outra órbita. Quando retornam à órbita original, eles emitem a energia recebida em forma de radiação seguindo um comprimento de onda específico. Justamente por isso cada elemento gera uma série de linhas diferentes.

Como funciona um espectroscópio ou espectrômetro?

Primeiro precisamos conhecer o processo de decomposição por redes de difração; nelas, há um suporte transparente ou refletor com linhas muito finas. Quando a luz incide sobre o conjunto, cada cor se dispersa em todas as direções (por isso o nome redes de difração), e depois as cores iguais — ou seja, comprimentos de ondas semelhantes — sofrem interferência construtiva e se reforçam segundo as direções determinadas pelo feixe de luz. Em outras direções, sofrem interferência destrutiva.

Se estiver boiando, dê uma olhada nesta página sobre Ondulatória. Enfim, o resultado disso tudo é parecido com o que obteríamos através de um prisma, mas com maior eficiência. Essa é a vantagem do espectroscópio em relação aos métodos usados até então. Ah, e o tal “suporte transparente ou refletor com linhas muito finas”? Ora, um CD serve. Por que não observamos como as coisas são na prática?

Construa seu próprio espectroscópio ou espectrômetro

É possível construir seu próprio espectroscópio simples sem complicação e observar os mais diversos espectros na natureza. Nesta página do Feira de Ciências há uma montagem muito prática utilizando apenas uma caixa de fósforos grande e um CD inutilizado. Se quiser algo mais “profissional” para apresentar aos amigos, o ideal é usar um tubo (de papel higiênico por exemplo), pedaços quadrados de papel negro e uma lâmina de barbear. Veja como fazê-lo neste link.

Montagem de um espectroscópio caseiro, exibindo os lados difrator (esquerda) e captador (direita) de luz

Na montagem acima, retirada do blog FisicoMaluco, temos na esquerda uma visão da parte difratora e na direita da parte que captura a luz. A captação é realizada pela lâmina do gilete, garantindo que os raios de luz se dirijam ao pedaço de CD; este realiza o processo de difração propriamente dito e decompõe a luz. Agora você já pode bancar o Kirchhoff e analisar a luz do sol, por exemplo!

Fontes:

Espectroscópio: fundamentos e construção

Como fazer seu próprio espectrômetro e se divertir decompondo cores

Espectroscopia

Spectroscopy

Teste da chama

Física no Cotidiano 1 – Calorimetria

Inauguro com este post a série que chamarei de “Física no cotidiano”. Nela, utilizarei conceitos físicos para explicar fenômenos que presenciamos no cotidiano, aos quais normalmente não damos muita atenção.

Nesse primeiro post, tratarei algo que frequentemente vejo pessoas discutindo: ao deixar algo cozinhando, é melhor manter a chama do gás alta ou baixa?

Explicarei isso tomando alguns conceitos da Calorimetria.

Ao fornecermos energia a um corpo, ocasionamos o aumento da sua energia interna. Esse aumento pode causar dois efeitos no corpo:

  1. Pode aumentar sua temperatura
  2. Pode mudar seu estado físico (sólido, líquido, gasoso)

Para explicar isso utilizarei o gráfico abaixo, que mostra a variação da temperatura da água em função do tempo:

No intervalo A, vemos que a água sólida (gelo) variou sua temperatura de -20°C para 0°C. Nesse intervalo, a energia absorvida foi utilizada unicamente para o aumento da temperatura. O mesmo ocorre com a água líquida em C e com o vapor d’água em E.

No intervalo B, a água atingiu seu ponto de fusão. O corpo continua absorvendo energia, porém, como o gelo está fundindo, sua temperatura permanece a mesma até que toda a água se torne líquida. Ou seja, a energia absorvida foi utilizada unicamente para a mudança de estado físico. O mesmo ocorre durante a vaporização, em D.

Agora aplicarei isso ao cozimento de alimentos com a água. Usarei como exemplo o cozimento de uma massa.

Para colocar a massa na panela, devemos esperar até que água esteja fervendo, certo?

Nesse caso, precisa-se elevar a temperatura da água até que ela atinja 100°C. Como nessa etapa toda energia absorvida é utilizada para o aumento da temperatura, o mais prático é deixarmos a chama do gás alta. Assim, será fornecida mais energia por intervalo de tempo, fazendo com que água atinja os desejados 100°C em menos tempo do que com a chama baixa.

Depois que água atingiu os 100°C e a massa está cozinhando, sabemos que toda a energia absorvida a partir desse momento será utilizada para a vaporização da água. A temperatura da água líquida já atingiu seu máximo e não irá mais aumentar. Portanto, o ideal é deixarmos a chama baixa, para que menos gás seja gasto. Deixar a chama alta irá fazer com que a água líquida se transforme em vapor mais rápido do que com a chama baixa. Consequentemente, o nível de água na panela irá abaixar mais rápido, e talvez seja necessária a adição de mais água para manter o nível necessário ao cozimento.

Até o próximo post.

Giulia R.