Exemplo - Terremotos, destruição e Tsunami.

A imensa energia térmica guardada no interior da Terra tem consequências importantes para a vida no nosso planeta.

A primeira dela é a manutenção da temperatura na superfície. Sem uma temperatura média suficientemente alta não haveria água no estado líquido e a vida seria improvável.

Outra consequência é a formação de um núcleo central de ferro que cria um campo magnético que nos defende da radiação vinda do espaço. Existe, porém, consequências bem desagradáveis.

A Terra é como um balão de festa. Uma fina camada sólida no exterior, a crosta terrestre, boiando sobre a parte interna composta de rocha líquida. Isto e o fato dela estar girando a uma velocidade bastante alta causa o fraturamento da crosta. Veja a figura acima. Esses pedaços, as placas tectônicas, estão em constante choque uns com os outros. 

Em alguns lugares as placas estão se afastando. Esse movimento de separação forma uma falha no solo. Veja na imagem abaixo a falha que está no fundo do oceano Atlântico entre o Brasil e a África.   

Em outros lugares as placas estão se juntando, como mostrado na imagem abaixo, formando grandes cadeias de montanhas. Em certos lugares parte dessa energia é liberada para a superfície pelos vulcões. Veja aqui.

Esta tensão entre as placas libera  grande quantidade de energia em ondas de choque que se propaga até a superfície causando os terremotos e, quando o evento ocorre sob o leito marinho, as Tsunamis.

Veja o vídeo abaixo. Uma produção de Frank Gregório que serve muito bem como introdução para uma aula sobre o assunto. 

Este e outros interessantes vídeos estão disponíveis no canal Frank Gregório, no YouTube. Todos eles têm os direitos liberados para uso educacional.

Exemplo - O interior da Terra, as placas tectônicas e os vulcões.

Nosso planeta foi formado pelo choque sucessivo de um sem número de planetóides, isto é, de pequenos pedaços de rocha que orbitavam o sol no início do sistema solar.

A imensa energia dessas colisões não foi dissipada, ao contrário, está guardada no interior do planeta na forma de energia térmica. A Terra, que vista do espaço mostra paz e beleza, é, na verdade, uma bola de rocha líquida coberta por uma fina camada de rocha sólida, a Crosta Terrestre. Sobre ela vivemos nós.

A Crosta é dividida e os diversos pedaços formam as placas tectônicas. Tudo o mais na Terra é um agitado oceano interior composto  de lava. Veja a figura abaixo: 

O vídeo a seguir foi montado por Frank Gregorio como uma introdução ao estudo dos Vulcões. Repare, na altura 3:35, o núcleo de ferro líquido (Inner core) origem do campo magnético da Terra que nos protege do vento solar. 

No vídeo, atenção ainda para o movimento das placas tectônicas. Veja nas figuras abaixo. A da esquerda mostra as placas se separando e a fenda que surge na superfície. Isto ocorre na fenda que atravessa o fundo do Oceano Atlântico de norte a sul em frente da costa brasileira. A imagem da direita mostra as placas se comprimindo. Isto dá origem às cadeias de montanhas como os Andes.

No encontro das placas parte dessa energia é liberada para a superfície e forma os Vulcões. Em outras ocasiões as tensões resultantes do movimento das placas são liberadas de forma violenta e dão origem aos terremotos e Tsunamis. Veja aqui.

Ao assistir o vídeo deve-se notar a música da trilha sonora. É impressionante. Veja o vídeo com o som bem alto.

Aqui estamos nós. Vivendo sobre uma fina casca entre o fogo do interior do planeta e o frio do espaço. Poderia existir vizinhança melhor?





Imagem do topo de página: Desenhosparacolorir. Um site para as crianças com desenhos para colorir.

Este e outros interessantes vídeos estão disponíveis no canal Frank Gregório, no YouTube. Todos eles têm os direitos liberados para uso educacional.

Exemplo - A temperatura de ebulição dos líquidos e a pressão.

Em 1654, na cidade alemã de Magdeburgo, o físico Otto Von Guericke realizou um experimento com dois hemisférios metálicos que se tornou famoso. Veja a gravura ao lado.

Von Guericke,  pioneiro no estudo do vácuo e da eletrostática, usou um equipamento de alta tecnologia para a época chamado "bomba de vácuo". Com ela fez vácuo entre  os dois hemisférios metálicos que se encaixavam perfeitamente e foram unidos para formar uma esfera. 

No experimento, os hemisférios permaneceram unidos, resistindo aos esforços para separa-los realizado com a força de vários cavalos. Von Guericke além de Físico era jurista e prefeito da cidade. Fez do seu experimento uma festa com a presença do povo e de políticos. Isto chamou a atenção para a importância da pressão atmosférica.

No vídeo a seguir usa-se a bomba de vácuo para mostrar a influência da pressão do ar num fenômeno do dia a dia: A ebulição dos líquidos. 

Quando se afirma que a ebulição da água se dá a temperatura de 100°C, estamos considerando que o líquido se encontra sob uma pressão de 1 atm. As moléculas do ar atmosférico sobre o líquido dificultam a saída das moléculas da água. Somente aquelas com energia cinética suficiente vencem essa barreira.

Claro, quando a pressão diminui esta energia cinética necessária para a molécula abandonar o líquido também diminui. Logo a temperatura de ebulição acompanha esse movimento de queda. No limite, isto é, quando a pressão se torna nula, a água não pode existir no estado líquido.

No vídeo, 200 mililitros de água a aproximadamente 45°C são colocados sob a cúpula de vidro. A bomba de vácuo é ligada e a pressão do ar sobre a água no interior da cúpula diminui progressivamente.

Quando a pressão cai o suficiente a água, que está a 45°C, entra em ebulição. Repare, mesmo que a água estivesse numa temperatura menor, ela entraria em ebulição quando a pressão caísse um pouco mais.

Se nosso planeta não possuísse uma atmosfera, a água não poderia existir na forma líquida na superfície da Terra, independente da temperatura.

Produção: Vídeo disponível no canal StatlerChemCam's do Youtube.

Imagem do topo de página: Experiência sobre pressão atmosférica do físico Otto Von Guericke. Disponível no site Hermani Mattos.

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 - Cobertura de gelo no Ártico.

O Centro de Visualização Científica, do Goddard Space Flight Center, uma laboratório da NASA, produziu esta interessante animação da evolução sazonal da cobertura de gelo sobre o ártico e as terras ao seu redor.

Os dados cobrem a evolução no período de 04 de Setembro de 2009 a 30 de Janeiro de 2011. Repare como a cobertura de gelo avança e se retrai sobre o mar de acordo com as estações do ano.

Ela alcança o seu mínimo em extensão durante o verão. Nesta época temos a cobertura de gelo permanente sobre o mar ártico.

Durante o inverno a cobertura avança sobre o mar e, além disto, cobre a parte norte do Continente Americano, da Europa e Ásia.

Devido  ao aquecimento global a cobertura permanente de gelo sobre o mar ártico está cada vez menor. Se o aquecimento continuar nesse ritmo é possível que ela desapareça dentro de alguns anos. O que terá graves consequências para o clima.

Os dados sobre a cobertura de gelo são da plataforma Terra and Aqua / MODIS / Blue Marble Land Cover, da NSF, a Fundação de Ciência Americana.

Para mais informações:Scientific Visuatization Studios
Imagens, créditos: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio.

Aula - O ciclo de Carnot.

 Na antiguidade, o homem usou como fonte de energia para produzir trabalho a roda d'água, os ventos e a tração animal. Durante a primeira Revolução Industrial foram introduzidas as máquinas térmicas. Com isto passamos  a produzir trabalho a partir do calor. O material comumente usado nas máquinas para transferir o calor foi o vapor d'água. Se hoje vivemos a Era da Eletricidade, naqueles tempos vivíamos a Era do vapor.

As primeiras máquinas a vapor foram construídas por artesãos. Elas funcionavam, mas não se sabia exatamente como isto se dava. A situação permaneceu a mesma até que entraram em cena os engenheiros  James Watt e Sadi Carnot. Algumas das questões que eles enfrentaram foram: Como melhorar o rendimento da máquinas térmicas ? Qual o maior rendimento possível?

 Carnot se propôs a resolver o seguinte problema: Qual o rendimento máximo de um motor térmico que trabalha de forma cíclica entre uma fonte quente e uma fonte fria? A resposta encontrada por ele foi:

-O rendimento máximo é alcançado quando a máquina opera num ciclo de transformações térmicas chamado, em sua homenagem, Ciclo de Carnot.

O calor se perde inultimente (não produz trabalho) quando é transferido por condução. Isto ocorre quando os corpos que entram em contato térmico têm temperaturas diferentes. Assim, para evitar queda de rendimento, quando o vapor entra em contato térmico com as fontes quente e fria deve estar a mesma temperatura delas e, do mesmo modo, quando o vapor muda a sua temperatura durante uma transformação ele não deve estar em contato térmico com as fontes e o ambiente. Em outras palavras: No ciclo de Carnot as transformações que o vapor sofre devem ser isotérmicas ou adiabáticas.

Vamos usar uma animação para entender como uma máquina térmica opera num ciclo de Carnot.

Depois de aberta a animação clique em "Init" para monta-la. Faça o mesmo quando quiser reiniciar a animação. Depois clique em "start" para começar o processo.

Os dois retângulos laterais representam a fonte quente, quando ganham a cor vermelha; representam a fonte fria, quando ganham a cor azul. Quando eles adquirem a cor cinza isto indica que não há contato térmico com o vapor, isto é, está ocorrendo uma transformação adiabática.

A máquina produz trabalho mecânico quando move o pistão. Repare no gráfico pressão X volume ao lado. Ele descreve as diferentes transformações por que passa o vapor durante o Ciclo de Carnot.

No início o vapor está em contato térmico com a fonte fria. Note que o movimento do pistão diminui o volume disponível para o vapor. Ainda assim a temperatura se mantém constante pois o vapor cede calor para a fonte fria. Temos uma transformação isotérmica a baixa temperatura (Isothermal at low T).

Em seguida o vapor é isolado da fonte fria. Temos uma transformação adiabática. O volume continua diminuindo e a  pressão do vapor  aumenta. Como não há troca de calor, a temperatura do vapor também  aumenta.

Quando o vapor e a fonte quente estão à mesma temperatura eles são postos em contato térmico. O vapor absorve calor da  fonte quente. Como o volume aumenta a temperatura se mantém constante. Temos outra transformação isotérmica, agora a alta temperatura ( Isothermal at Hight T).

Ainda com a animação aberta observe que o vapor é novamente isolado do ambiente (outra transformação adiabática). Como o volume continua aumentando, a temperatura cai até atingir a temperatura da fonte fria e o ciclo se repete.

Animação produzida por: Shermam Visual Lab, Xing Min Wang, ph.d.

Imagens: Sadi Carnot,em www.mudanzashermanosjuarez.com

              Ciclo de Carnot, http://elwitxi.com/maquinasnavales/ciclo_carnot.htm

Aula - Medida da quantidade de calor.

A diferença de temperatura entre um objeto e seu entorno provoca a transferência de uma certa quantidade de energia interna entre o objeto e seu entorno na forma de calor.

Essa energia é medida através da seguinte expressão matemática:

Aula - Calor.

O conceito de "calor" sofreu grandes transformações ao longo do tempo. Primeiro temos a entendimento de "calor" como uma substância. Um corpo se aquece quando absorve uma certa quantidade de uma substância chamada calórico.

Com o tempo a idéia de calor como substância deu lugar ao conceito de calor como energia. No caso, como a energia em trânsito de um corpo para outro devido a diferença de temperatura entre eles.