Aula - A primeira lei da termodinâmica.

A primeira Revolução Industrial, na Inglaterra, foi movida pelas máquinas a vapor (veja figura ao lado). Isto tornou fundamental o estudo do calor, isto é, da Termodinâmica.

Durante o século XVIII, vários físicos entre os quais se encontravam Joule, Helmholtz e Meyer, foram aos poucos construindo os conceitos de energia, calor e trabalho.

No final deste mesmo século, Os físicos Clausius  e Thomson (Lord Kelvin)  escreveram os primeiros enunciados formais da Primeira Lei da Termodinâmica.

Esta lei enuncia que a energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna.

Se desejar reveja o conceito de trabalho clicando aqui e o de calor aqui.

Repare que a primeira lei da termodinâmica é o Princípio da conservação da energia. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor.

Imagem: Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP.

Exemplo - A variação da Energia Interna através do calor.

Observe uma porção de água em repouso. A primeira vista parece não haver qualquer atividade. No entanto, existe um intenso movimento, uma agitação permanente das moléculas de água. 

À energia deste movimento chamamos de Energia Interna desta porção de água.

Para recordar o conceito de Energia Interna veja aqui.

A pergunta que nos fazemos é: Como podemos variar a Energia Interna de um corpo.

A parte da Física que trata deste assunto chama-se Termodinâmica. E nela a Primeira Lei da Termodinâmica trata dos meios para se produzir variações na Energia Interna de um corpo material.

Estas variações da Energia Interna de um corpo ocorrem devido a transferência de energia entre o corpo e o  meio ambiente. Ela se dá  por dois processos distintos:  A transferência de energia na forma de calor e a realização de trabalho. Reveja o conceito de trabalho clicando aqui e o de calor aqui.

A variação da Energia Interna de um corpo pelo calor ocorre quando existe uma diferença de temperatura entre o corpo e o meio ambiente. E continua a ocorrer enquanto houver diferença entre as temperaturas, isto é, até se alcançar o equilíbrio térmico.

Vamos usar uma animação do site Molecularium para obter uma simulação do processo. Clique aqui e abra a animação.

 Repare que na animação o tamanho da representação das moléculas de água está totalmente fora de escala. Elas são muito menores. Do mesmo modo, o número das moléculas representadas é muito maior para qualquer porção de água, por menor que ela seja.

Rode o botão para simular o aquecimento. Quando a placa de aquecimento atinge uma temperatura maior que a da água, seus átomos estão mais agitados que as moléculas de água.

Assim, as moléculas de água ao se chocarem com a placa recebem energia que se manifesta como energia cinética. Neste caso o calor está sendo transferido por condução.

Por outro lado, os átomos da placa de aquecimento, estão emitindo radiação infravermelha. Esta radiação é absorvida pelas moléculas de água. O calor está sendo transferido por irradiação.

Num dado momento as moléculas de agua irão se organizar em correntes de convecção. O calor está sendo então transferido por convecção.

Claro, os três tipos de transferência de calor podem  ocorrer simultaneamente.

Clique aqui e abra a animação. Note que o calor não é uma forma nova de energia. É apenas energia de movimento sendo transferida. Quando a transferência acaba não podemos mais falar em calor.

No final do processo a placa perdeu energia e a água aumentou sua Energia Interna.

Imagem: softicons.com Imagens livres (Icons) para uso não comercial na Internet

Molecularium: Clique aqui e veja as demais simulações de fenômenos da Física e da Química.

 Imagem e Produção: Centro de Ciência Viva de Coimbra e da Universidade do Porto, Portugal.

Exemplo - A Energia Interna de um líquido ou gás.

Na imagem ao lado vemos representadas algumas moléculas de água. Os átomos de oxigênio estão representados pelas esferas vermelhas e as duas esferas cinzas de tamanho menor são a representação dos átonos de Hidrogênio.

Claro, isto é apenas uma representação. Não temos informações de como  os átomos se parecem realmente. Mas esta representação será útil para entender o conceito de Energia Interna de um líquido ou gás. A definição você encontrará aqui.

Para uma critica bem humorada à nossa representação dos átomos clique aqui.

Vamos trabalhar com uma certa porção d'água dentro de um vasilhame com um aquecedor e um termômetro. Para isto abra a animação do site Molecurarium clicando aqui.

Nossa intenção é usar um exemplo para entender melhor o conceito de Energia Interna de um líquido ou gás. Neste caso usaremos a porção de água da animação mencionada acima.

Observe a animação. Nela estão representadas moléculas de água dentro de um recipiente. Claro, elas estão absurdamente fora de escala. Do contrário não seriam vistas.

Note que cada uma das moléculas tem movimento de translação. Além disto todas elas giram e vibram. Assim  podemos associar a cada uma delas uma certa  energia cinética para cada tipo de movimento.

Por outro lado, cada molécula é origem de um campo elétrico. Portanto existem forças de atração ou repulsão elétricas entre elas. Logo, podemos associar ao conjunto delas uma certa energia potencial.

À soma da energia potencial do conjunto de moléculas com o total  da soma das energias cinéticas de cada uma delas chamamos de Energia Interna desta porção de água.

Siga este link e abra a animação. Nos perguntamos agora se é possível variar a energia interna desta porção de água.

Se isto for possível deve significar uma variação na soma  das energias cinéticas das moléculas do material. 

Na animação, gire o botão para simular o aquecimento da porção de água. Repare: quanto maior a temperatura mais as moléculas se agitam. A energia cinética do conjunto das moléculas aumentou com o aumento da temperatura.

Como a energia se conserva, isto significa que esta porção de água está recebendo energia a placa de aquecimento e com isto aumentando a sua Energia Interna.

Para conhecer as maneiras de se variar a Energia Interna de um objeto veja aqui.

Molecularium: Clique aqui e veja as demais simulações de fenômenos da Física e da Química.

 Imagem e Produção: Centro de Ciência Viva de Coimbra e da Universidade do Porto, Portugal.

Exemplo - O espalhamento da luz pela atmosfera.

A Lua, enquanto percorre a sua órbita, em certas ocasiões passa pela sombra da Terra. São os Eclipses Lunares. Estes eventos são uma excelente oportunidade para se observar o espalhamento e a dispersão da luz solar pela atmosfera terrestre.

Este mesmo espalhamento pode ser observado quando uma nave em órbita da Terra se aproxima do Terminador.

Relembre o conceito de Terminador clicando aqui e o conceito de dispersão da luz solar aqui.

Observe a foto abaixo. Ela foi feita pelos astronautas da Estação Espacial e mostra a aproximação do ônibus espacial. As naves estão próximas do terminador, isto é, da linha que separa o dia da noite.

               ônibus Espacial próximo ao Terminador.

A luz solar, ao passar através da atmosfera é espalhada pelas moléculas do ar. As frequências mais altas são espalhadas em primeiro lugar.

Assim, a parte da luz solar que cruza a atmosfera mais próxima da superfície percorre uma distância maior dentro da atmosfera. Como o caminho percorrido é longo quase todas as frequências são espalhadas.

Quando olhamos para a parte da atmosfera próxima à superfície vemos a luz de menor frequência, isto é, a de cor vermelha (veja na figura acima).

A parte da luz solar que cruza pelo topo da atmosfera percorre um caminho menor. Devido a isto a luz espalhada  é somente aquela de frequência mais alta, isto é, a de cor azul.

Quando ocorre o Eclipse Lunar o fenômeno do espalhamento da luz é espetacular. Na fase da Umbra a Lua serve como um espelho. A Lua, que está totalmente encoberta pela sombra da Terra, acaba recebendo a luz vermelha dispersa pela atmosfera da Terra (veja figura abaixo).

                                 Eclipse da Lua.

É por isto que, ao contrário do esperado, vemos a Lua com uma cor avermelhada durante a fase da Umbra dos eclipses lunares.

Observe, no vídeo a seguir, a simulação deste fenômeno feita pela NASA.

As imagens e a produção do vídeo são da NASA - Multimídia. Se desejar veja os demais vídeos aqui.

Artigo - O Principia de Isaac Newton.

Um procedimento comum entre os editores, no século XVII, é o de enviar ao autor do livro uma cópia impressa com várias páginas em branco intercaladas.

Nelas, o editor espera que o autor faça as correções devidas e escreva notas, adendos e erratas que deverão ser incluídas na próxima edição do livro.

Você conhecerá a seguir uma destas cópias. Trata-se a cópia digitalizada pela Cambridge Digital Library do exemplar da primeira edição do Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica entregue a Newton pelo seu editor.

Neste livro, a obra prima de Newton, são publicadas pela primeira vez as três Leis do Movimento e a Lei da Gravitação Universal.

 A primeira edição do livro foi publicada em julho de 1687. No exemplar mencionado acima, que você verá a seguir, estão as correções, erratas e anotações feitas à mão por Newton. Elas foram incluídas na edição de 1713.

Clique aqui e veja a cópia digitalizada do Principia. O livro foi publicado em Latim. Isto torna impossível a Leitura. Mas esta não é a nossa intenção.

Para percorrer o livro utilize a aba "contents" na lateral esquerda da página.

Ilustração de página do Principia com anotações do autor.

A importância, a fama e a grandiosidade do trabalho de Newton faz com que ele apareça para nós como um deus e seu trabalho como obra divina. Nada mais longe da verdade. O trabalho dos grandes cientistas geralmente é longo e árduo.

Mas é desta maneira que o trabalho de Newton é apresentado  aos alunos no ensino médio. Isto é um erro. A ciência é uma construção dos homens e, portanto, o caminho até o conhecimento científico é tortuoso e sempre provisório.

Clique aqui e percorra as páginas do livro. Observe com cuidado as revisões feitas por Newton. Elas dão uma ideia do trabalho de Newton para construir a sua teoria. Note que ele escreve erratas, ele faz correções, ele tem que responder às criticas feitas por outros cientistas.

Em resumo, ele tem que defender o seu trabalho. Da mesma maneira que você, meu caro estudante, terá que fazer quando, daqui a alguns anos, iniciar a sua vida profissional.

 Para conhecer os demais trabalhos de Newton que já estão digitalizados e disponibilizados online visite a coleção Newton Papers da Cambridge Digital Library.

Exercício - O pulo do gato de Schrödinger.

No ensino médio, uma das queixas mais constantes dos alunos quando desafiados a resolver um exercício de Física é a de não saber como dar o primeiro passo, isto é, como começar a resolução.

Um dos caminhos mais eficientes nesses casos é: Antes de fazer contas, crie uma estratégia. Ou seja, pense num caminho que leve a solução. Detalhe cada passo a ser dado. Em seguida teste esse caminho. Se não tiver sucesso modifique o caminho escolhido ou crie um novo. Teste novamente.

Aqui, é claro, não vamos resolver exercícios de Física. Vamos, isto sim, brincar com um joguinho e aproveitar a oportunidade para treinar a criação de estratégias para a resolução de problemas.

Em 1935, o Físico Erwin Schrödinger, um dos fundadores da Mecânica Quântica, criou uma experiência mental, depois chamada de "O gato de Schrödinger". A experiência ficou famosa.

O objetivo dela e como foi imaginada não vem ao caso neste momento. É suficiente saber que a experiência  envolve um gato preso numa caixa.

Vamos aproveitar a ideia do gato preso na caixa e usar o jogo criado por Peter M. Richter, do blog Game Design br. O objetivo do jogo é simples: Impedir que o gato fuja da caixa escapando pelas laterais.

Para isto clique sobre os círculos amarelos. A cor do círculo muda para verde escuro. O gato jamais salta para um círculo desta cor.

Na figura acima temos o gato e a caixa. Naturalmente, você pode simplesmente começar a jogar sem maiores preocupações e prosseguir até obter sucesso. Este é o método da "tentativa e erro". Se esta for a sua opção clique aqui e comece.

Por outro lado, você pode tornar o jogo mais interessante: Procure em primeiro lugar observar por algum tempo o comportamento do gato em fuga e depois use suas observações para criar uma estratégia para prende-lo.

Vou propor uma primeira estratégia. Você fica encarregado de testa-la. Depois proponha outras ( Use a caixa de comentários abaixo).

Vamos cercar o gato pelas laterais da caixa. Clique sempre nos círculos da lateral para onde o gato caminha.  Enquanto o gato estiver longe clique nos círculos das laterais mas sempre saltando um. Quando ele estiver perto feche o cerco.

Vamos ao trabalho. Clique aqui e mãos a obra. Para começar o jogo clique em um dos círculos amarelos.

Criação, imagens e produção do jogo: Game Design br.
Para a visualização de mais jogos veja aqui.

Informação via:  theteacherlist

Exercício - Construa o corpo humano.

Um grupo de cientistas, professores, artistas, animadores e programadores de computador americanos se reuniram numa comunidade online chamada Spongelab.

O objetivo destes apaixonados pela ciência é criar uma plataforma online dedicada a divulgação do conhecimento científico e a educação dos jovens e de todos aqueles interessados na ciência.

Um dos jogos sobre Biologia desta plataforma é "Construa um corpo humano". O objetivo do jogo é levar o estudante a identificar os vários sistemas do corpo humano, os órgãos que o compõem e a sua localização no sistema.

Clique aqui. para acessar o jogo. Aguarde o programa carregar e clique em "Start" para iniciar. Escolha um dos sistemas do organismo humano.

Tendo em mente os órgãos que compõem este sistema e a sua localização, escolha um deles e arraste para o local que, a seu juízo, ele ocupa no corpo humano. Para navegação no site veja a figura abaixo.

Teste os seus conhecimentos de biologia. Para fazer o exercício clique aqui. Aguarde o programa carregar e clique em "Start" para iniciar o jogo. Ao completar a tarefa o sistema libera uma mensagem.

Observe a descrição de cada sistema e de cada órgão no lado esquerdo. Infelizmente ela ainda está em inglês. Se necessário copie e cole o texto no tradutor do Google. Funciona bastante bem.

Imagens e produção: Spongelab, site educacional premiado pela Fundação de Ciências Americana, a NSF (National Science Fundation).

Exemplo - Cores primárias.

As cores não são uma propriedade fundamental da luz mas estão relacionadas às características do nosso sistema visual. Em grande parte as cores são o resultado do processamento do cérebro.

Na retina dos nossos olhos temos três tipos de células ligadas à recepção do sinal luminoso. São as chamadas células cone. 

Existem células cone de três tipo: O tipo L sensível aos comprimentos de onda mais longos da luz ; O tipo M para os comprimentos de onda médios e o tipo S para os mais curtos.

Associamos aos sinais recebidos das células do tipo L a uma cor avermelhada; aos sinais recebidos das células do tipo M a uma cor amarelada e a uma cor azulada associamos aos sinais das células do tipo S.

Portanto, a nossa constituição fisiológica determina que a visão humana seja tricromática. Isto é, a partir de um conjunto de três cores, ditas cores primárias, construímos a maioria  das demais cores.

Por exemplo, para reproduzir as cores nos equipamentos eletrônicos (Televisão, data show, monitores) usamos as cores  vermelho (red), verde (Gren) e azul (blue). Este é o modelo RGB.

Leonardo Da Vinci, artista italiano, criou o modelo RYB. Nele  usamos as cores vermelha (Red), amarela (Yellow) e azul (Blue). Este modelo ainda é muito usado pelos pintores.

Para informações adicionais visite a página Cores Primárias, na Wikipédia. Os conceitos de cores primárias e cores secundárias foram criados por Newton e apresentados pela primeira vez no seu artigo sobre a Teoria das cores de 1672. Clique aqui e conheça o artigo.

O vídeo a seguir, Three Primary Colors, é uma produção da PBS, a rede de televisão pública americana. Ele é feito em "stop motion", com animação de Al Jarnow. O vídeo explica o básico sobre as cores primárias (RYB) e as cores secundárias.

No vídeo, os cantores representam as très cores primárias: Vermelho, amarelo e azul.  Da mistura delas construimos a maioria  das demais cores.

Por exemplo, da mistura do vermelho com amarelo formamos a cor laranja.do amarelo e do azul formamos o verde e do vermelho e azul a cor púrpura.

 A série de televisão Sesame Street é uma produção da PBS, Rede de Televisão Pública Americana. No Brasil, Vila Sésamo é adaptada e transmitida pela TV Cultura e pela TV Brasil.

Vídeo disponível: CanalSesameStreet, no Youtube.

Informação via: Brain Pickings.