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MIDIAFISICA Edição Trilíngue Produtores Executivos Bennett Glotzer Michael Glotzer Judy Sharinger April Fletcher Trabalho de Estúdio Pós-Produção Fornecido por Cataylst Post Services, Darin Kerby Produzido & Dirigido por Geoffrey Leighton Compressão em DVD e Autoria Enrique Londaits Patricio Londaits Soluciones DVD Produtor Associado & Projeto Gráfico Laurent Sanchiz Produtora Associada e Diretora de Marketing e Vendas Monica Araujo Produtor Associado Joan Abend Donell Massey Consultores Anderson Gomes Andre Vilela Escrito por Brett Carroll Direção Técnica Dr. Jearl Walker Brett Carroll John Davis Dr. Richard Berg Tradução da Edição em Português Regina Pinto de Carvalho Revisão Técnica da Edição em Português Lúcio Hora Acioli Revisão da Edição em Português Carlos Irineu da Costa Diretor e Editor de Gravação das Narrações para a Edição em Português George Silva Castro Narradores Brasileiros Vera Nicaretta Machao Phil Miler Gilberto Romagnolo Técnico de Som Dave McLaughlin Contabilidade da Produção Owen & DeSalvo As demonstrações nesta série foram fornecidas pelo Departamento de Física da Universidade de Washington Agradecimentos Especiais a Mark N. McDermott, Jefe Del/Chairman Departamento de Física, Universidade de Washington Demonstrações adicionais fornecidas pelo Departamento de Demonstrações em Física da Universidade de Maryland Esta produção foi possível graças ao Dr. Gerhard Salinger e a Fundação Nacional de Ciência Nossos agradecimentos especiais ao Jearl Walker por sua assistência durtante a produção desta série Este material foi desenvolvido com base em trabalho aprovado pela Fundação Nacional de Ciência sob a Concessão #MDR-9150092 © 2014 Bennett Glotzer Todos os Direitos Reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer maneira ou modo, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação, ou qualquer gravador de informação ou sistema de reprodução, sem permissão por escrito do publicador. Pedido de autorização para reprodução de qualquer parte da publicação deverá ser enviado para: Bennett Glotzer, PO Box 1667, Los Angeles, CA 90069 C A P Í T U L O L E I S D A T E R M O D I N  M I C A 3 4 Demo 34-01 Dem. 34-01 Drill and Dowel Furadeira e Pino / Sinopse This demonstration illustrates the conversion of mechanical energy into heat.† Esta demonstração ilustra a conversão de energia mecânica em calor*. Um pino A wooden dowel is rotated using an electric drill while being pressed into a de madeira gira encaixado em uma furadeira elétrica, enquanto é pressionado block of wood. The heat created by the friction causes the wood to smoke, as sobre uma tábua de madeira. O calor gerado pelo atrito faz a madeira fumegar, seen in Figure 1. como é visto na Figura 1. Figura11 Figure Referências H-171, Fire by Friction. †* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. Demonstration H-171, Fire by Friction. Freier Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem.Demonstration He-2, Fire Maker. Freiere and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, He-2, Fire Maker. 8 CH a pA íPtTuEl Ro 33 44 : : LL Ae W i sS dOaF TTeHr Em RoMd Oi nD âYmNi Ac M a I C S Dem. 34-01 Furadeira e Pino / Argumento Todos nós já sentimos como as mãos ficam mais quentes quando as esfregamos rapidamente uma contra a outra. Qualquer par de objetos atritados um contra o outro gera calor; aqui está um destes pares de objetos - uma tábua de madeira e um pino. Se os friccionarmos desta maneira, não vai acontecer quase nada. Vamos tentar usar mais velocidade e pressão. Agora vemos claramente os efeitos do calor gerado pelo atrito entre objetos que se movem. Lista de Material 1. Tábua com alguns furos já iniciados, presa a um tampo de madeira. 2. Pino de madeira com aproximadamente 30 cm de comprimento, com uma ponta arredondada. 3. Pino pequeno de madeira, com uma ponta arredondada e diâmetro apropriado para se encaixar em uma furadeira. 4. Furadeira elétrica. C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 9 Demo 34-02 Dem. 34-02 Mechanical Equivalent of Heat Equivalente Mecânico do Calor / Sinopse This demonstration illustrates the conversion of mechanical energy into heat.† A mass of lead shotilustra is allowed to fall from one end of a tube the other Esta demonstração a conversão de energia mecânica emtocalor*. Certaas the tube is repeatedly end.de Each tube isatéturned over, quantidade de chumboturned cai deend umafor ponta um time tubothe fechado a outra, enquanto o tubo é virado diversas vezes. Cada vez que o tuboenergy é virado, o the shot gains potential energy, which is converted to kinetic as the chumbo é convertida energia quando shot fallsganha to the energia bottom potencial, end of theque tube, and then toem heat. The cinética heat creates a ele e se transforma calor na parte do tubo. calor using gera um rise cai in temperature thatem is measured usingdea baixo thermistor and Esse displayed a aumento é medido porinum termistor bar graphna oftemperatura, light-emittingque diodes, as seen Figure 1. e mostrado em um dispositivo de LEDs em barra, como é visto na Figura 1. Figure Figura 11 Referências † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-176, Mechanical Equivalent of Heat—Shot Tube. * Sutton, Demonstration in Physics, Dem.for H-176, Mechanical Equivalent Heat –into Shot Freier and Anderson, AExperiments Demonstration Handbook Physics, Demonstration He-1,ofWork Tube. Heat. Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. He-1, Work into Heat. 10 C H A P T E R 3 4 : L AW S Capítulo 34: Leis O F d a THERMODYNAMICS Termodinâmica Dem. 34-02 Equivalente Mecânico do Calor / Argumento Usaremos este tubo plástico, cheio de chumbo de espingarda, para mostrar como a energia mecânica é transformada em energia térmica. Inicialmente a temperatura do chumbo é de 21 graus Celsius. Vamos exercer trabalho mecânico no chumbo, virando o tubo de um lado para o outro. Cada vez que viramos o tubo, o chumbo se eleva um metro, e depois cai para o fundo do tubo. Vamos virar o tubo 10 vezes, para obter uma distância total de elevação e queda de 10 metros. O chumbo agora está a 21,5 graus Celsius. A energia mecânica do levantamento foi transformada em energia térmica, aumentando a temperatura do chumbo. Lista de Material 1. Tubo de plástico transparente, medindo 1 metro, com chumbo, e com as duas pontas fechadas – uma delas tem um termistor sensível preso a ela. 2. Eletrônica adequada e leitor de LEDs para o termistor. C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 11 Demo 34-03 Dem. 34-03 CO2 Expansion Cooling Esfriamento do CO2 por Expansão / Sinopse Carbon dioxide cools when it evaporates and expands as it emerges from a † de carbono esfria, como quando emerge de Ao evaporar e expandir, o dióxido In this video the cooled carbon dioxide is carbon dioxide fire extinguisher. um extintor de incêndio*. Neste vídeo, o dióxido de carbono esfriado é usado used to freeze water in a test tube, as shown in Figure 1. para gelar água em um tubo de ensaio, como é mostrado na Figura 1. Figura 1 Figure 1 Referências † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-65, Carbon Dioxide Snow. * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-65, Carbon Dioxide Snow. 12 C H A P T E R 3 4 : L AW S Capítulo 34: Leis O F d a T THERMODYNAMICS e r m o d i n â m i c a Dem. 34-03 Esfriamento do CO2 por Expansão / Argumento Este tipo de extintor de incêndio contém dióxido de carbono a alta pressão. Quando a válvula é aberta, o dióxido de carbono escapa, e a pressão cai, até atingir a pressão atmosférica normal. Ao se expandir, o dióxido de carbono esfria tanto que congela a água num tubo de ensaio. Lista de Material 1. Extintor de incêndio de CO2. 2. Tubo de ensaio, com água. 3. Suporte para o tubo de ensaio. C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 13 Dem. 34-04 Expansão Adiabática / Sinopse Esta demonstração ilustra a expansão adiabática e o resfriamento do ar, assim como a formação de névoa devido ao esfriamento do ar abaixo do seu ponto de orvalho*. Bombeia-se ar para dentro de uma garrafa, parcialmente cheia com água, até que a pressão faça saltar uma rolha do alto da garrafa. O esfriamento adiabático, resultante da rápida expansão do ar, cria uma névoa, que fica logo visível dentro da garrafa. Simultaneamente, a temperatura do ar na garrafa é monitorada por um termistor ligado a um computador e mostrada em superposição com a montagem experimental, como é visto na Figura 1. T E M P E R A T U R A TEMPO (s) Figura 1 Referências * Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hg-3, Clement’s and Desorme’s Experiment. 14 C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a Dem. 34-04 Expansão Adiabática / Argumento Você já pensou porque aparece névoa na boca de uma garrafa de refrigerante, quando ela é aberta? Eis uma outra demonstração deste efeito. Uma garrafa tampada contém ar e um pouquinho de água no fundo. Se bombearmos ar para dentro da garrafa, a pressão vai aumentar, até que a rolha escape. Esta expansão súbita do ar, conhecida como expansão adiabática, consome energia rápido demais para que a energia térmica possa ser trazida do exterior do recipiente. Portanto, o ar usa sua própria energia térmica para a expansão, e então esfria. Montamos um termistor dentro da garrafa para medir a temperatura do ar. Quando a pressão aumenta, a temperatura do ar dentro da garrafa aumenta. Quando a rolha escapa, o ar na garrafa se expande, fazendo com que a temperatura interior caia rapidamente. Quando a temperatura cai abaixo do ponto de orvalho, forma-se a névoa. Lista de Material 1. Garrafa de refrigerante gasoso. 2. Abridor de garrafas. 3. Garrafa transparente de 1 galão, com um pouco de água, e com um termistor suspenso no meio de sua altura. 4. Rolha de borracha apropriada, completa, com um tubo de penetração e tubulação plástica. 5. Bomba de bicicleta. C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 15 Demo 34-05 Dem. 34-05 Fire Syringe Cilindro Incendiário / Sinopse A fire syringe consists of a small tube with a plunger sealed by O-rings, which can be useddetofogo” rapidly compress thetubo, air incom the um tube, raisingvedado its temperature A “seringa é um pequeno êmbolo por anéis de † The airpode risescomprimir above the rapidamente kindling temperature for cotton wool, so adiabatically. borracha; o êmbolo o ar no tubo, aumentando aadiabaticamente small piece of cotton wool can be set on fire by the hot compressed air, asdo sua temperatura*. A temperatura do ar no tubo sobe acima seen Figure 1. do algodão, e um chumaço de algodão pode ser queimado pontoinde ignição pelo ar comprimido quente, como é visto na Figura 1. Figura 1 Figure 1 † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-179, Heating by Compression—Fire Syringe. Referências Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration He-5, Match Lighter.Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-179, Heating by Compression – Fire Syringe. * Sutton, Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. He-5, Match Lighter. 16 C H A P T E R 3 4 : L AW S Capítulo 34: Leis O F d a THERMODYNAMICS Termodinâmica Dem. 34-05 Cilindro Incendiário / Argumento Uma bomba de bicicleta esquenta quando é acionada. Quando um gás é comprimido rapidamente, ele esquenta. Usaremos esta montagem para mostrar o aquecimento devido à compressão. Coloca-se um chumaço de algodão na base deste cilindro de vidro espesso e, sobre ele, um pistão que entra bem justo. Quando o gás é comprimido, empurrando o pistão rapidamente para baixo, o algodão pega fogo. Aqui vemos a ação repetida em câmera lenta. Lista de Material 1. 2. 3. 4. 5. C Bomba de bicicleta. Pneu de bicicleta. “Seringa de fogo”. Algodão. Vareta de arame. a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 17 Demo 34-06 Dem. 34-06 Stirling Engine Máquina de Stirling / Sinopse A Stirling engine operates using a system known as the Stirling heat cycle.† Operation small model Stirling engine is shownciclo in the video.de The excelA máquinaofdea Stirling funciona usando o chamado térmico Stirling*. lent graphics, from which Figure is taken,pequeno follow the operation of theA O vídeo mostra a operação de um1 modelo daactual máquina de Stirling. engine to show clearly how the device functions. excelente animação gráfica, da qual é tirada a Figura 1, segue a operação da máquina para mostrar claramente seu funcionamento. Figura 1 Figure 1 † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-182, Models. Referências Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hn-4, Stirling Hot Air Engine. * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-182, Models. Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hn-4, Stirling Hot Air Engine. C H A P T E R 3 4 : L AW S O F T H E R M O D Y N A M I C S 18 C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a Dem. 34-06 Máquina de Stirling / Argumento A máquina de combustão interna é o dispositivo mais conhecido para transformar energia química em energia de movimento. Mas existe outra máquina muito mais simples, que pode funcionar com o calor gerado pela queima de combustível. Esta máquina de Stirling usa combustão externa para transformar energia térmica em trabalho. Esta animação mostra como funciona a máquina de Stirling. Estes dois cilindros estão conectados por um tubo fino. Este pistão pode se deslocar com folga dentro deste cilindro. Este outro é o pistão de potência, que desliza bem justo dentro deste cilindro. Quando acendemos uma chama em torno do cilindro de baixo, o ar se expande em torno do cilindro mais frouxo, e empurra de volta o pistão de potência. O pistão frouxo se move então para frente, deslocando o ar para longe da chama, até esta parte do cilindro, onde ele esfria e se contrai. O pistão de potência se move para trás, o pistão frouxo empurra o ar mais frio de volta para perto da chama, e o ciclo recomeça. Lista de Material 1. Máquina de Stirling, disponível comercialmente. 2. Combustível para a máquina. 3. Fósforos ou similar. C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 19 Dem. 34-07 Demo 34-07 Máquina de Herão / Sinopse Hero’s Engine A máquina de Herão funciona da mesma forma que um irrigador de jardim, A Hero’svapor engine likedea água waterfervente sprinkler, using steam from a boiling usando deoperates um banho para girar um sistema formado water bath to rotate a flask and nozzle system, illustrating the principle of por um frasco com tampa giratória. Assim é ilustrado o princípio de ação † The system usedé in the action and reactiona as to giratório”*. a “rotationalOrocket.” e reação aplicado umapplied “foguete sistema usado no vídeo video is shown in Figure 1. mostrado na Figura 1. Figura 1 Figure 1 Referências Anderson, A Demonstration Handbook forfor Physics, Dem. Hn-5, Hero’sHn-5, Engine. †* Freier eand Anderson, A Demonstration Handbook Physics, Demonstration Hero’s Engine. 20 Capítulo 34: Leis C H A P T E R 3 4 : L AW S d a O F Termodinâmica THERMODYNAM I C S Dem. 34-07 Máquina de Herão / Argumento Este recipiente de vidro com dois braços laterais gira livremente no seu suporte. Usando uma chama, esquentamos até a fervura um pouco de água, que está no fundo do recipiente. Quando a água ferve, o vapor que sai pelos braços faz girar o recipiente. Lista de Material 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. C Máquina de Herão, de vidro. Suporte para a máquina. Água. Bico de gás. Tubulação de borracha. Gás natural. Fósforos ou similar. a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 21 Demo 34-08 Cork Popper/ Sinopse Dem. 34-08 Saca-Rolhas This demonstração demonstrationilustra illustrates the conversion of mechanical energy heat.† Esta a conversão de energia mecânica em calor*.toUm Heat from fechado, friction, between corked waterduas and peças two recipiente com rolhaa erotating contendo água,container é atritadoofcontra pieces of wood whichem aretorno squeezed around the waterdo container, the de madeira, apertadas do recipiente. O calor atrito fazboils a água water, as shown in the graphics of Figure 1, This boiling creates steam that ferver, como é mostrado na Figura 1. A ebulição cria vapor, que faz a rolha blowsdo therecipiente. cork off the water container. The heat energy is thusem transformed saltar Portanto, a energia térmica é transformada energia into kinetic energy the flying cork. cinética da rolha queofsalta. Figura11 Figure Referências * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-169, Heat from Friction. † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-169, Heat from Friction. 22 Capítulo 34: Leis C H A P T E R 3 4 : L AW S d a O F T e r m o d i n â m i c a THERMODYNAMICS Dem. 34-08 Saca-Rolhas / Argumento Usaremos este dispositivo para mostrar a conversão da energia mecânica em calor e depois novamente em energia mecânica. Este cilindro oco gira entre dois braços de madeira que podem ser pressionados contra o metal. Coloca-se um pouco de água dentro do cilindro, e em seguida aperta-se fortemente uma rolha no topo. Liga-se o motor e os braços são pressionados contra o cilindro que gira. O atrito entre o cilindro e os braços aquece a água e a transforma em vapor a alta pressão. A energia térmica do vapor lança a rolha no ar. Lista de Material Saca-rolhas construído especialmente para a demonstração. C a p í t u l o 34: L e i s d a T e r m o d i n â m i c a 23 C A P Í T U L O MUD A NÇA S DE 3 5 FASE Dem. 35-01 Demo 35-01 Nitrogênio Líquido num Balão / Sinopse Liquid Nitrogen in Balloon Coloca-se uma pequena nitrogênio um recipiente, A small amount of liquidquantidade nitrogen is de poured into a líquido flask, toem which a balloon que é a seguir com umvaporizes balão. Quando o nitrogênio ele to se is sealed. As thetampado liquid nitrogen it expands, causingvaporiza, the balloon † expande,and enchendo e estourando o balão*. Esta demonstração, ilustrada demonstration, illustrated in Figure 1, shows thenaenorexpand break. This Figuraincrease 1, mostra enormewhen aumento de volume quando umgaseous líquido state. evapora e mous in ovolume a liquid evaporates into its passa a seu estado gasoso. Figura11 Figure Referências † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-112, Volume Change by * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-112, Volume Change by Evaporation. Evaporation. 26 CH a p í t u l o 3 5 : M u d a n ç a s d e F a C A P T E R 3 5 : P H A S E C H A N G E S s e Dem. 35-01 Nitrogênio Líquido num Balão / Argumento Esta demonstração mostra o aumento de volume que ocorre quando um líquido se transforma em gás. Vamos colocar um pouco de nitrogênio líquido num recipiente e tampar o recipiente com um balão. Quando o nitrogênio evapora, o gás ocupa um volume muito maior que o líquido. O balão pode até estourar. Lista de Material 1. 2. 3. 4. C Balão volumétrico, de pirex, preso a uma base. Nitrogênio líquido. Luvas. Rolha com orifício, com um balão acoplado ao lado mais largo. É necessária uma vedação, por isso pode ser preciso fixar o balão com elástico ou fio. a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 27 Demo 35-02 Dem. 35-02 Boil Water Pressure Ebulição daUnder Água aReduced Baixa Pressão / Sinopse Water is boiled in um a beaker, and the beaker is sealed a cork a Ferve-se água em recipiente, e em seguida este é with fechado comcontaining uma thermometer. thetermômetro heat is removed andaice placed on the beaker, rolha que tem Ifum acoplado ela.isRemovendo a fonte de some calor eof the vapor will condense, reducing the pressure in the beaker and causing the colocando gelo sobre o recipiente, parte do vapor irá se condensar, reduzindo † videoreduzidas*. this boiling to boil at a ereduced and pressure. Inethe awater pressão interna fazendotemperature a água ferver a temperatura pressão at low pressure continues at water temperatures as temperaturas low as 80°C, da as shown No vídeo, a ebulição a baixa pressão continua com água dein Figure 1. como é mostrado na Figura 1. até 80ºC, Figura11 Figure Referências † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-75, Boiling Water at Reduced Pressure. * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-75, Boiling Water at reduced Pressure. Freiere and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Boiling by Freier Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem.Demonstration Hj-4, Boiling byHj-4, Cooling. Cooling. 28 C C a p í t u l o H A P T E R 35: Mudanças 35: PHASE CH d e F a s e A N G E S Dem. 35-02 Ebulição da Água a Baixa Pressão / Argumento Normalmente, a água ferve a 100 graus Celsius, mas, mudando a pressão do ar sobre a água, muda-se a temperatura necessária para fervê-la. À pressão atmosférica normal, a água neste recipiente está fervendo a 100 graus Celsius. O vapor de água empurra a maior parte do ar para fora do recipiente. Depois de tamparmos o recipiente com uma rolha e um termômetro, vamos esfriar o vapor usando gelo, para que a pressão interior fique abaixo da pressão atmosférica. Agora a temperatura da água está abaixo de 80 graus Celsius, mas a água ainda está fervendo, devido à baixa pressão no recipiente. Lista de Material 1. Balão volumétrico que foi modificado, criando uma reentrância funda na base. 2. Suporte anelar e presilhas. 3. Água. 4. Bico de gás. 5. Tubulação de borracha. 6. Gás natural. 7. Fósforos ou similar. 8. Rolha de borracha, com termômetro acoplado. 9. Gelo. 10. Luvas. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 29 Demo 35-03 Dem. 35-03 CO2 Critical Point Ponto Crítico do CO2 / Sinopse In this very beautiful demonstration the boundary between the liquid and the Nesta bonita demonstração, pode-se observar claramente o desaparecimento gaseous state is clearly shown as the temperature of carbon dioxide passes da fronteira entre os estados líquido e gasoso, quando a temperatura do through the critical point.† Below the critical point the liquid and the gaseous dióxido de carbono passa pelo seu ponto crítico*. Abaixo do ponto crítico, os states are clearly defined. Above the critical point the two states fuse, and the estados líquido e gasoso são claramente definidos. Acima do ponto crítico, os boundary between liquid and gas disappears. Figure 1 shows the situation dois estados se fundem e desaparece a fronteira entre líquido e gás. A Figura when the carbon dioxide is near its critical point, so the boundary is still par1 mostra a situação quando o dióxido de carbono está próximo do seu ponto tially visible. Note that the critical point is about 73 atmospheres at 31.6°C, so crítico e a fronteira ainda é parcialmente visível. Note que o ponto crítico é this experiment is potentially very dangerous, and should not be duplicated cerca de 73 atmosferas a 31,6ºC. Portanto, este experimento é potencialmente without thorough research. muito perigoso, não devendo ser repetido sem preparação cuidadosa. Figura11 Figure Referências H-90, Critical Temperature. †* Sutton, Sutton, Demonstration DemonstrationExperiments Experimentsin inPhysics, Physics,Dem. Demonstration H-90, Critical Temperature. Freier Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem.Demonstration Hk-6, CriticalHk-6, Point Critical of Carbon Freiere and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dioxide. Point of Carbon Dioxide. 30 CH a pA í Pt Tu El R o 33 5 5 :: PMHu Ad Sa En çCa Hs A dNeG EF Sa C s e Dem. 35-03 Ponto Crítico do CO2 / Argumento Este tubo de vidro contém dióxido de carbono no estado líquido. O dióxido de carbono tem um ponto crítico, no qual ele pode existir tanto como gás quanto como líquido. Este ponto crítico só é alcançado a enormes pressões e numa temperatura pouco acima da ambiente. A pressão de aproximadamente 80 atmosferas dentro do tubo é suficiente para atingir o ponto crítico. Vamos aquecer lentamente o tubo com um secador de cabelos, e observar o menisco do líquido quando nos aproximamos do ponto crítico. O CO2 líquido está se aproximando do ponto crítico, e ferve um pouco. Quando o ponto crítico é alcançado, o menisco do líquido perde a nitidez. Os estados líquido e gasoso estão em equilíbrio. Quando a temperatura aumenta, o CO2 passa completamente para o estado gasoso. Deixando o tubo esfriar, o menisco reaparece gradualmente, quando nos aproximamos do ponto crítico a partir de temperaturas mais altas. Lista de Material 1. Tubo de vidro, de paredes espessas, contendo dióxido de carbono líquido, à pressão de 80 atmosferas. 2. Base para o tubo. 3. Secador de cabelos. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 31 Demo 35-04 Dem. 35-04 Drinking Bird Passarinho que Bebe / Sinopse The famous toy drinking bird, shown using graphics from the video in Figure Nouses famoso brinquedo que bebe”, usam-se as mudanças de 1, changes of state“passarinho to create motion as it bobs its head into a container of estadoand paraappears criar movimento, quando pássarothe mergulha sua cabeça liquido inside bird is some type ofem freon, water to drink.† The um recipiente com tri-chloro água e parece beber*. Umits quadro ilustrativo, often mono-fluoro methane, under own vapor (withtirado no airda in the animaçãoIfdo mostrado na Figura 1. O líquido dentroofdo pássaro é system). thevídeo, bird’s éhead is dunked into water, evaporation water on the um tipo fréon, monofluorotriclorometano, no seusimultaneously próprio vapor wet headde cools thegeralmente liquid inside, causing it to condense, while (sementering ar no sistema). a cabeça do pássaro é mergulhada na the água, a heat the tail Quando evaporates the liquid in the bulb at the tail of bird. evaporação água na in cabeça molhada esfria o gás fazendo The pressurededecreases the head relative to the tailinterior, allow the liquidcom to rise, que ele the se condense, enquanto, ao mesmo tempo, calorback externo causing bird to become unbalanced. The liquidoflows intoevapora the bottom o líquido no bulbo da cauda. A queda de pressão na cabeça com relação à bulb and the cycle repeats. cauda faz o líquido subir, e o pássaro fica desequilibrado. O líquido flui de volta para o bulbo e o ciclo recomeça. Figura11 Figure †Referências Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hj-7, Drinking Bird. * Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hj-7, Drinking Bird. 32 CHAPTER 35: PHASE CHA Capítulo 35: Mudanças N G E S d e F a s e Dem. 35-04 Passarinho que Bebe / Argumento Este brinquedo, chamado passarinho que bebe, vai se inclinar repetidamente e “beber”, enquanto houver água no pires. A evaporação da água na cabeça do passarinho esfria o vapor dentro da cabeça, condensando um pouco do vapor para líquido e abaixando a pressão na cabeça. A diferença de pressão entre a cabeça e a cauda força o líquido para cima pelo tubo central. O líquido que sobe desequilibra o passarinho e o inclina para baixo, o que esvazia o tubo e recomeça o ciclo. Lista de Material 1. Pássaro que bebe. 2. Água. 3. Pequeno suporte ajustável. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 33 Demo 35-05 Dem. 35-05 Freezing by Boiling Congelamento pela Fervura / Sinopse When the atmospheric pressure is greatly reduced above a small sample of † water using asobre vacuum waterfor begins to boil, as shown in Figure 1.‡ Se a pressão um pump, pouco the de água bastante reduzida com uma bomba The evaporation the water boiled off requires heat, which is provided de vácuo, a água of começará a ferver*, como é mostrado na Figura 1**. A by the remaining water bath, so the water bath cools and eventually freezes. evaporação da água que ferve requer calor, que é fornecido pelo resto da água; então, a água do recipiente esfria e, eventualmente, congela. Figura11 Figure Referências † Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hj-3, Boiling at * Reduced Freier e Anderson, Pressure. A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hj-3, Boiling at Reduced Pressure. ‡ Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstrations H-69, Freezing Water by **Evaporation—The Sutton, Demonstration Physics, Dems. H-69, Freezing Water by Evaporation- The TripleExperiments Point, and in H-70. triple Point, e H-70. 34 CHAPTER 35: PHASE CHANGES Capítulo 35: Mudanças de Fa s e Dem. 35-05 Congelamento pela Fervura / Argumento Normalmente a água ferve a 100 graus Celsius e congela a 0 graus Celsius. Mas isso só é verdade à pressão atmosférica. Se reduzirmos bastante a pressão, a água pode tanto ferver como congelar próximo de 0 graus Celsius. Vamos colocar água na depressão que existe no topo deste suporte de vidro e colocar o suporte sob uma câmara de vácuo. Removendo o ar da câmara, a água começa imediatamente a ferver. Quando a água ferve, ela perde energia térmica e esfria. Quando a água fervendo atinge 0 graus Celsius, ela congela rapidamente. Lista de Material 1. Placa de Petri, com um vidro de relógio de diâmetro menor que o da placa suspenso sobre ela. A placa contém ácido (para proteger a bomba e acelerar a demonstração) e o vidro de relógio contém água e algumas esferinhas para se visualizar a fervura. 2. Ácido sulfúrico concentrado. 3. Água – agitar antes de usar. 4. Base para bombeamento. 5. Graxa de vácuo. 6. Campânula. 7. Tubulação de vácuo. 8. Bomba de vácuo. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 35 Dem. 35-06 Demo 35-06 Crióforo / Sinopse Cryophorus Um crióforo é is uma glass tubo de vidro bulbos nas end pontas pouco de água A cryophorus tube withcom bulbs on each ande aum small amount of dentro, sob seu vapor, quenoestá bulbo de cima noupper tubo)*. water, under its próprio own vapor (with air no in the tube), which(sem is inarthe † Se o bulbo baixobulb for is colocado ema um recipiente contendo nitrogênio If thede lower placed in container of liquid nitrogen, some of the bulb. líquido, partewill do condense vapor de água vai se condensar e gelar, abaixando a pressão water vapor and freeze, lowering the pressure in the tube. This no tubo.additional Isso provoca vaporização de um água que coolcauses watera to vaporize from thepouco waterda pool in restante, the top bulb, sobe para o bulbo superior. Com a vaporização, água que in resta se esfria e, ing the water and eventually causing it to freeze,aas shown Figure 1, thus eventualmente, congela, como é mostrado na Figura 1, ilustrando assim o illustrating cooling by evaporation. resfriamento por evaporação. Figura 11 Figure Referências † Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-67, Cooling by Expansion— * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-67, Cooling by Expansion - Cryophorus. Cryophorus. Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hj-8, Cryophorus.. Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hj-8, Cryophorus. 36 C C aH pAí Pt Tu El Ro 33 55 :: PMHu Ad SaEn çCa Hs A dN eG EFSa s e Dem. 35-06 Crióforo / Argumento Este crióforo consiste de dois bulbos de vidro conectados por um tubo oco. Os bulbos estão a baixa pressão e contêm um pouco de água. Quando o bulbo inferior é imerso em nitrogênio líquido, o vapor de água condensa no bulbo inferior, e abaixa ainda mais a pressão no crióforo. Quando a pressão é suficientemente baixa, a água no bulbo superior gela. Lista de Material 1. Crióforo. 2. Béquer grande, de pirex. 3. Dewar com nitrogênio líquido. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 37 Dem. 35-07 Demo 35-07 Bomba de Gelo / Sinopse Ice Bomb † A thickThe ice bomb demonstrates expansion water as it freezes. A bomba de gelo demonstra the a expansão da of água quando gela*. Uma esfera walled iron sphere is filledgrossas, with water, tightly sealed, and placed in a liquid e oca de ferro, com paredes é cheia de água, fechada hermeticamente nitrogen bath. After about minute the water Depois freezes,de concomitantly colocada em um banho de anitrogênio líquido. cerca de um expandminuto, andgela, breaking the iron sphere, as shown in Figure 1. como é mostrado aing água expandindo-se e quebrando a esfera de ferro, na Figura 1. Figura11 Figure Referências * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-56, Expansion on Freezing. Freier e Anderson, A Demonstration forDemonstration Physics, Dem. H-56, Hk-5, Expansion Ice Bomb. on Freezing. † Sutton, Demonstration ExperimentsHandbook in Physics, Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hk-5, Ice Bomb. 38 Capítulo 35: Mudanças de Fa CHAPTER 35: PHASE CHANGES s e Dem. 35-07 Bomba de Gelo / Argumento Usaremos a pressão gerada pela água que congela para quebrar este recipiente grosso de ferro. Primeiro enchemos o recipiente com água. Uma tampa é então enroscada nele fortemente, e o recipiente é colocado num banho de nitrogênio líquido. Alguns minutos mais tarde, o recipiente explode. As paredes grossas de ferro não suportaram a tremenda pressão gerada pela água quando ela congelou. Esta animação mostra a pressão na superfície interior do recipiente, gerada pela água ao congelar. Lista de Material 1. Bomba de gelo. 2. Água (funciona melhor se for desgaseificada por fervura, mas será necessária uma proteção mais forte contra o estouro). 3. Chave inglesa. 4. Caixa de leite de 1 litro, vazia, com a tampa removida. 5. Lata de tinta de 20 litros, de paredes grossas, vazia. 6. Nitrogênio líquido. 7. Tábua grossa e larga, para cobrir a lata. 8. Dois tijolos de chumbo ou peso similar, para manter a tábua sobre a lata. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 39 Demo 35-08 Dem. 35-08 Regelation Recongelamento / Sinopse A wire with weights on each end is hung over an ice cube. If the pressure on Pendura-se sobre um cubo de gelo um fio que tem as pontas unidas e um the ice is raised to a high enough value the melting point of the ice will be peso pendurado a elas. Se a pressão sobre o gelo atingir um valor bastante reduced, and the ice will melt.† This phenomenon offers a partial explanation alto, o ponto de fusão do gelo será reduzido, e o gelo derreterá*. Este for the motion of glaciers, and has been applied erroneously to the reduction fenômeno explica parcialmente o movimento de geleiras, e tem sido aplicado ‡ In the process of regelation, as demin friction during ice skating. erroneamente à redução do atritofact, durante a patinação no gelo**. even De fato, †† onstrated this simple experiment, turns to be rather complicated, o processoinde recongelamento, mesmo se out demonstrado neste experimentoand the phenomenon very strongly affected by details ofé the experiment. simples, vem a serisbastante complicado***, e othe fenômeno fortemente afetado pelos detalhes do experimento. Figura11 Figure Referências † Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hk-4, * Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hk-4, Regelation. Regelation. **‡ R. W. onon Ice, Am. J. Sci. 41,41, 30-33 (1891). R. W.Wood, Wood,Jr., Jr.,Effect EffectofofPressure Pressure Ice, Am. J. Sci. 30-33 (1891). Michael D. Edminston, Freezing Points (Letter to the Editor), Phys. Teach. 28, 28, 260 260 (1990). Michael D. Edmiston, Freezing Points (Letter to the Editor), Phys. Teach. (1990). *** Mark W. W. Zemansky, Zemansky, The The Regelation †† Mark Regelation of ofIce IceisisaaComplicated ComplicatedPhenomenon, Phenomenon,Phys. Phys.Teach. Teach.3,3,301302301-302 (1990). (1965). 40 CC Ha p A íPtTuEl Ro 33 55 :: PMHuAdSaEn çCaHs A dN eG EF Sa s e Dem. 35-08 Recongelamento / Argumento Sob certas condições, o gelo pode fundir, mesmo quando sua temperatura permanece em zero graus Celsius ou menos. Vamos passar sobre este bloco de gelo um fio fino, com um objeto pesado na ponta. A pressão do fio faz o bloco fundir logo abaixo do fio, e este afunda lentamente no bloco. Depois que o fio passa, o gelo recongela por cima dele. Quando o fio tiver atravessado completamente, temos o bloco de novo inteiro. Lista de Material 1. Bloco de gelo. 2. Laçada de fio de aço inoxidável (quanto mais fino, melhor), com as duas pontas atadas a um anel metálico. 3. Suporte para o gelo. 4. Tapete e bacia para aparar o peso e a água. 5. Objeto pesado. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 41 Dem. 35-09 Demo 35-09 Hélio e CO2 em Nitrogênio Líquido / Sinopse Helium and CO2 Balloons in Liquid Nitrogen Esta experiência ilustra a variação do volume de um gás devido a mudanças de temperatura*, e a mudança estado gás, quando pela suain This experiment illustrates the no change in do volume of a gasele duepassa to changes † temperatura deand transição. Enchem-se comtemthe change in state dois of a balões, gas as itrespectivamente, passes its transition temperature, gases de hélio e dióxidoare de filled carbono. A seguir,with eles helium são mergulhados perature. Two balloons respectively and carbonem dioxide um recipiente líquido. se pode observar novideo vídeo,demono gases, and are com thennitrogênio dipped into a poolComo of liquid nitrogen. As the resfriamento do gás leva à redução no volume do hélio, encolhendo o balão. strates, the cooling of the gas leads to reduction in the volume of the helium O dióxido de carbono encolhe depoisdioxide se condensa emthen gelocondenses seco, comotoé gas, shrinking the balloon. The ecarbon shrinks, mostrado na Figura 1. form dry ice, as shown in Figure 1. Figura11 Figure Referências 42 * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. M-328, Gas-filled Balloons. Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hk-3, Change in Volume with †Change Sutton,ofDemonstration Experiments in Physics, Demonstration M-328, Gas-filled Balloons. State. Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonsteration Hk-3, Change in Volume with Change of State. C a p í t u l o CHAPTER 35: M 35: PHASE u d a n ç a s d e F a s e CHANGES Dem. 35-09 Hélio e CO2 em Nitrogênio Líquido / Argumento Usaremos estes dois balões para ilustrar o conceito de mudança de fase. Este balão contém gás hélio: se for colocado em nitrogênio líquido, que tem uma temperatura muito baixa, o balão encolhe, mas o hélio continua gasoso. Este balão contém dióxido de carbono. Quando é colocado no nitrogênio líquido, o balão se contrai completamente. Cortando o balão, encontramos dióxido de carbono sólido em seu interior. Este é um exemplo da mudança de fase de um gás para o estado sólido. Quando o dióxido de carbono sólido se aquece, ele volta a seu estado gasoso anterior. Lista de Material 1. 2. 3. 4. 5. 6. C Recipiente raso, de isopor (nós usamos a tampa de uma caixa para gelo). Nitrogênio líquido. Balão cheio com hélio. Tesoura. Balão cheio com dióxido de carbono. Pinça. a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 43 Dem. Demo35-10 35-10 Sublimação Sublimationde of CO CO22/ Sinopse Esta experiência ilustra a enorme variação no volume de um material, quando This experiment illustrates the enormous change in the volume of a material ele muda seu estado de gás para líquido ou sólido. Um balão de dióxido de as it changes state from a gas to a liquid or a solid. A carbon dioxide balloon carbono encolhe completamente quando é imerso em nitrogênio líquido, collapses entirely when it is immersed in liquid nitrogen, because the liquid porque o gás esfria até abaixo do seu ponto de sublimação e se condensa em nitrogen cools the carbon dioxide below its sublimation point and it condenses gelo seco, como é mostrado na Figura 1*. Depois, o gelo seco evapora de into dry ice, as shown in Figure 1.† The dry ice then evaporates back into the novo no ar, não deixando traços. air, leaving no trace. Figura 11 Figure Referências * Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dems. H-51, sublimation, e H-97, Expansion of †Solid Sutton, Demonstration Carbon Dioxide. Experiments in Physics, Demonstrations H-51, Sublimation, and H-97, Expansion of SolidACarbon Dioxide. Handbook for Physics, Dem. Hk-1, Change of Volume with Freier e Anderson, Demonstration Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hk-1, Change of Change of State. Volume with Change of State. 44 C C aH pA í Pt Tu El Ro 33 55 :: PMHuAdSaEn çCaHs A dN eG EFS a s e Dem. 35-10 Sublimação de CO2 / Argumento A maioria dos materiais sólidos se transforma em líquido quando aquecidos ao ponto de fusão. O dióxido de carbono é uma exceção. Vamos congelar um pouco de dióxido de carbono, enchendo um balão com o gás e mergulhando-o em nitrogênio líquido. Agora que o dióxido de carbono solidificou, vamos espalhá-lo na mesa para aquecer. Quando esquenta, ele passa diretamente de sólido para gás, sem nunca ficar líquido, num processo conhecido como sublimação. Por causa deste comportamento, o dióxido de carbono ficou conhecido como gelo seco. Lista de Material 1. 2. 3. 4. 5. 6. C Recipiente raso, de isopor (o mesmo da Demonstração 35-09). Nitrogênio líquido. Balão cheio de dióxido de carbono. Luvas. Tesoura. Fundo escuro, para depositar o gelo seco branco. a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 45 Demo 35-11 Dem. 35-11 Slime Ball Bola de Geleca / Sinopse “Slime” is a type of non-Newtonian fluid. When under normal atmospheric “Geleca” é um não-Newtoniano. pressão normal, tem pressure it has fluido small viscosity and flowsSob readily, so aatmosférica ball of slime will become baixa e flui1.facilmente. Neste caso, umait bola de geleca se achata, flat, asviscosidade seen in Figure On the other hand, when is under high pressure, como é visto when na Figura 1. of Por outro sobagainst alta pressão por exemplo, se for example, a ball slime is lado, thrown a hard -surface, its viscosity uma bola dramatically, de geleca for and lançada contra uma superfície viscosidade increases it bounces, behaving moredura, like asua rubber ball. aumentará dramaticamente, e ela se comportará como uma bola de borracha. Figura 11 Figure 46 C C H A P T E R a p í t u l o 35: PHASE CHANGES 35: Mudanças de Fa s e Dem. 35-11 Bola de Geleca / Argumento Esta bola repica quando é jogada sobre a mesa, comportando-se como uma bola sólida de borracha. Quando a bola é deixada sobre a mesa alguns segundos, ela começa a fluir como um líquido. Lista de Material Produto disponível comercialmente, sob o nome de “Geleca”. C a p í t u l o 35: M u d a n ç a s d e F a s e 47