FÍ­SI­CA

PAR­TE 2

Superguia Enem - Matemática e Física - - Física -

FRAN­CIS­CO DE AS­SIS NAS­CI­MEN­TO JR. 1 1 Ba­cha­rel em ge­o­fí­si­ca pe­lo Ins­ti­tu­to de As­tro­no­mia e Ge­o­fí­si­ca (IAG) e lin­cen­ci­a­do em fí­si­ca pe­lo Ins­ti­tu­to de Fí­si­ca (IF) da Uni­ver­si­da­de de São Pau­lo (USP). É mes­tre em en­si­no de fí­si­ca pe­lo IF-USP, com a dis­ser­ta­ção “Quar­te­to Fan­tás­ti­co: en­si­no de fí­si­ca, his­tó­ria em qua­dri­nhos, fic­ção ci­en­tí­fi­ca e sa­tis­fa­ção cul­tu­ral”. Dou­tor em edu­ca­ção na Fa­cul­da­de de Edu­ca­ção (FE) da USP, on­de pes­qui­sa a re­la­ção en­tre as his­tó­ri­as em qua­dri­nhos, a divulgação ci­en­tí­fi­ca e as ques­tões de gê­ne­ro no en­si­no de ci­ên­ci­as.

1. Gran­de­zas Es­ca­lar e Ve­to­ri­al

Fa­lan­do em gran­de­zas, a fí­si­ca com­pre­en­de dois ti­pos: as es­ca­la­res (que não pos­su­em ori­en­ta­ção, co­mo o tem­po) e as ve­to­ri­ais (pos­sui­do­ras de in­ten­si­da­de, di­re­ção e sen­ti­do). Por exem­plo, se dis­ser­mos que um car­ro se mo­ve a 80km/h, es­ta­mos tra­tan­do sua ve­lo­ci­da­de co­mo uma gran­de­za es­ca­lar. Não di­ze­mos co­mo o car­ro es­tá se mo­vi­men­tan­do, se es­tá sen­do er­gui­do por um he­li­cóp­te­ro ou des­pen­can­do de um pe­nhas­co. Di­ze­mos ape­nas o mó­du­lo (va­lor nu­mé­ri­co) de sua ve­lo­ci­da­de, seu va­lor nu­mé­ri­co, de 80km/h.

A mes­ma gran­de­za, a ve­lo­ci­da­de do car­ro, tam­bém po­de ser ex­pres­sa co­mo gran­de­za ve­to­ri­al se dis­ser­mos que o car­ro es­tá se mo­ven­do a 80km/h, na di­re­ção ho­ri­zon­tal e da es­quer­da pa­ra a di­rei­ta. Além do mó­du­lo, ela pas­sou a ter di­re­ção (ho­ri­zon­tal) e sen­ti­do (da es­quer­da pa­ra di­rei­ta).

Gra­fi­ca­men­te, as gran­de­zas ve­to­ri­ais se apre­sen­tam da se­guin­te ma­nei­ra:

A se­ta re­pre­sen­ta o ve­tor (→) e de­ter­mi­na sua di­re­ção (ver­ti­cal, ho­ri­zon­tal, ou in­cli­na­da), seu sen­ti­do (da di­rei­ta pa­ra a es­quer­da ou da es­quer­da pa­ra a di­rei­ta) e in­ten­si­da­de. Quan­to mai­or a re­pre­sen­ta­ção grá­fi­ca do ve­tor, sem­pre em es­ca­la, mai­or se­rá o seu mó­du­lo. Há di­ver­sas par­ti­cu­la­ri­da­des en­vol­ven­do as ope­ra­ções al­gé­bri­cas com gran­de­zas ve­to­ri­ais, mas vo­cê de­ve se in­tei­rar do as­sun­to ma­te­ri­al de es­tu­do de ma­te­má­ti­ca.

A ques­tão das uni­da­des de me­di­da men­ci­o­na­da no ítem 1 traz a to­na a ques­tão do re­fe­ren­ci­al: tudo aqui­lo que é me­di­do ou quan­ti­fi­ca­do é fei­to em re­la­ção a uma gran­de­za já co­nhe­ci­da e de­fi­ni­da, e es­sa má­xi­ma se apli­ca in­clu­si­ve ao es­pa­ço. For­mal­men­te, po­de­mos di­zer que um re­fe­ren­ci­al é um cor­po ou um ob­je­to em re­la­ção ao qual po­de­mos de­ter­mi­nar a lo­ca­li­za­ção dos ob­je­tos: se a dis­tân­cia en­tre o ob­je­to e seu re­fe­ren­ci­al se man­tém cons­tan­te com o de­cor­rer do tem­po, di­ze­mos que es­te ob­je­to se en­con­tra em re­pou­so em re­la­ção ao seu re­fe­ren­ci­al. Se a dis­tân­cia va­ria com o de­cor­rer do tem­po, di­ze­mos que o ob­je­to es­tá em mo­vi­men­to em re­la­ção ao seu re­fe­ren­ci­al.

Uti­li­za­mos gri­fo (ne­gri­to) pa­ra en­fa­ti­zar que to­do es­ta­do de mo­vi­men­to ou re­pou­so é sem­pre re­la­ti­vo ao re­fe­ren­ci­al do ob­je­to, não exis­tin­do o con­cei­to de “re­pou­so ab­so­lu­to” na na­tu­re­za. Por exem­plo, um pas­sa­gei­ro sen­ta­do em um ôni­bus que se mo­ve pe­la rua es­ta­rá em re­pou­so se o re­fe­ren­ci­al ado­ta­do for o co­bra­dor do ôni­bus, mas em mo­vi­men­to se uma ár­vo­re na rua for o re­fe­ren­ci­al. Por­tan­to, na prá­ti­ca, con­si­de­re o re­fe­ren­ci­al co­mo o pon­to de vis­ta de um ob­ser­va­dor. Sem­pre que o enun­ci­a­do do pro­ble­ma não es­pe­ci­fi­car qual o re­fe­ren­ci­al ado­ta­do, vo­cê po­de con­si­de­rá-lo co­mo a su­per­fí­cie ter­res­tre.

Uma vez que a po­si­ção de um cor­po (sua dis­tân­cia em re­la­ção a um re­fe­ren­ci­al) po­de ou não va­ri­ar (o cor­po po­de es­tar em re­pou­so ou mo­vi­men­to), se­rá pre­ci­so pres­tar mais aten­ção aqui. Ain­da bem que a me­câ­ni­ca (par­te da fí­si­ca que es­tu­da o mo­vi­men­to) se di­vi­de em es­tá­ti­ca, ci­ne­má­ti­ca e di­nâ­mi­ca. Is­so sim­pli­fi­ca mui­to os nos­sos es­tu­dos! Exis­te uma re­la­ção his­tó­ri­ca en­tre mo­vi­men­to de um cor­po e sua cau­sa: o con­cei­to de for­ça e su­as re­pre­sen­ta­ções e des­cri­ções, jun­to com as ou­tras du­as fa­mo­sas Leis de New­ton (a “Lei da Inér­cia” e a “Lei da Ação e Re­a­ção”, co­mo são co­nhe­ci­das) tam­bém per­ten­cem à me­câ­ni­ca.

E por que nós não se­pa­ra­mos ve­to­res, re­fe­ren­ci­ais e o es­tu­do do mo­vi­men­to? Por­que no Enem (e em pra­ti­ca­men­te to­das as ques­tões re­la­ti­vas ao mo­vi­men­to) es­ses três te­mas se­rão sem­pre co­bra­dos de for­ma con­jun­ta. Ob­ser­ve o exer­cí­cio a se­guir, ex­traí­do da edi­ção 2011 do exa­me.

Pa­ra me­dir o tem­po de re­a­ção de uma pes­soa, po­de-se re­a­li­zar a se­guin­te ex­pe­ri­ên­cia:

I. Man­te­nha uma ré­gua (com cer­ca de 30 cm) sus­pen­sa ver­ti­cal­men­te, se­gu­ran­do-a pe­la ex­tre­mi­da­de su­pe­ri­or, de mo­do que o ze­ro da ré­gua es­te­ja si­tu­a­do na ex­tre­mi­da­de in­fe­ri­or.

II. A pes­soa de­ve co­lo­car os de­dos de sua mão, em for­ma de pin­ça, pró­xi­mos do ze­ro da ré-

gua, sem to­cá-la.

III. Sem aviso pré­vio, a pes­soa que es­ti­ver se­gu­ran­do a ré­gua de­ve sol­tá-la. A ou­tra pes­soa de­ve procurar se­gu­rá-la o mais ra­pi­da­men­te pos­sí­vel e ob­ser­var a po­si­ção on­de con­se­guiu se­gu­rar a ré­gua, is­to é, a dis­tân­cia que ela per­cor­re du­ran­te a que­da. O qua­dro se­guin­te mos­tra a po­si­ção em que três pes­so­as con­se­gui­ram se­gu­rar a ré­gua e os res­pec­ti­vos tem­pos de re­a­ção.

A dis­tân­cia per­cor­ri­da pe­la ré­gua au­men­ta mais ra­pi­da­men­te que o tem­po de re­a­ção por­que a: a) energia me­câ­ni­ca da ré­gua au­men­ta, o que a faz cair mais rá­pi­do. b) re­sis­tên­cia do ar au­men­ta, o que faz a ré­gua cair com me­nor ve­lo­ci­da­de. c) ace­le­ra­ção de que­da da ré­gua va­ria, o que pro­vo­ca um mo­vi­men­to ace­le­ra­do. d) a for­ça pe­so da ré­gua tem va­lor cons­tan­te, o que ge­ra um mo­vi­men­to ace­le­ra­do. e) a ve­lo­ci­da­de da ré­gua é cons­tan­te, o que pro­vo­ca uma pas­sa­gem li­ne­ar de tem­po.

Vo­cê con­se­guiu en­xer­gar os ve­to­res, o re­fe­ren­ci­al ou as Leis de New­ton nes­sa ques­tão? Pois bem, an­tes de ex­pli­car, va­mos anun­ci­ar a res­pos­ta cor­re­ta, que con­sis­te na op­ção “d”.

É im­por­tan­te es­cla­re­cer co­mo che­ga­mos à es­ta con­clu­são e co­mo os con­teú­dos já ci­ta­dos po­dem ser ope­ra­ci­o­na­li­za­dos nes­te ca­so.

Ope­ra­ci­o­na­li­zan­do a re­so­lu­ção do exer­cí­cio a par­tir das Leis de New­ton, te­mos na se­gun­da lei (tam­bém co­nhe­ci­da co­mo “o prin­cí­pio fun­da­men­tal da me­câ­ni­ca”) a re­la­ção en­tre for­ça, mas­sa e ace­le­ra­ção: F= ma.

Nes­ta lei te­mos a re­la­ção en­tre du­as gran­de­zas ve­to­ri­ais e uma gran­de­za es­ca­lar.

Es­ca­lar Es­ta si­tu­a­ção, por­tan­to, po­de ser re­sol­vi­da com um tra­ta­men­to ve­to­ri­al. Tam­bém há a ques­tão do re­fe­ren­ci­al e do mo­vi­men­to: a po­si­ção ini­ci­al do “ze­ro” da ré­gua e sua va­ri­a­ção em re­la­ção aos de­dos da pes­soa que de­ve­rá se­gu­rá-la. E por que ado­tar es­te pon­to co­mo re­fe­ren­ci­al ao in­vés da par­te su­pe­ri­or da ré­gua, on­de a pes­soa que irá sol­tá-la es­tá se­gu­ran­do? Sim­ples, por­que com o ze­ro lo­ca­li­za­do na ex­tre­mi­da­de in­fe­ri­or, fi­ca­rá mais fá­cil me­dir seu des­lo­ca­men­to em re­la­ção àque­le pon­to, que é exa­ta­men­te o que pe­de o enun­ci­a­do do pro­ble­ma. Tam­bém é pre­ci­so no­tar que a ta­be­la for­ne­ci­da pe­lo enun­ci­a­do traz os va­lo­res em sub­múl­ti­plos de me­tro e se­gun­do.

Mas, co­mo já dis­se­mos an­tes, na­da de per­der tem­po re­a­li­zan­do cál­cu­los des­ne­ces­sá­ri­os ou re­dun­dan­tes. A me­lhor ma­nei­ra pa­ra re­sol­ver o pro­ble­ma vem de uma li­gei­ra re­fle­xão con­cei­tu­al, que po­de ser re­a­li­za­da com a pergunta: “Qual a prin­ci­pal for­ça que age so­bre a ré­gua, an­tes de ela ser sol­ta?”.

A for­ça “pe­so” (P). Sa­be­mos que Fm = x a e, subs­ti­tuin­do F por P, te­mos Pm = x a. Nes­te ca­so, a = g e te­mos Pm = x g. O que is­so lhe diz a res­pei­to do mo­vi­men­to de que­da da ré­gua? Que sua mas­sa se man­te­rá cons­tan­te du­ran­te o mo­vi­men­to, as­sim co­mo a ace­le­ra­ção de 9,8m/s². Lem­bre-se de que a ace­le­ra­ção cor­res­pon­de à va­ri­a­ção de uma ve­lo­ci­da­de por se­gun­do, daí sua uni­da­de de me­di­da ser em m/s².

Co­mo to­do e qual­quer mo­vi­men­to em que­da li­vre (que não pos­sui ve­lo­ci­da­de ini­ci­al), a que­da da ré­gua obe­de­ce­rá às re­gras do Mo­vi­men­to Re­ti­lí­neo Uni­for­me­men­te Va­ri­a­do (MRUV) de acor­do com a equa­ção. Ob­ser­ve:

A dis­tân­cia per­cor­ri­da pe­la ré­gua cor­res­pon­de à va­ri­a­ção de sua po­si­ção (ΔS = S –S ) e co­mo

fi­nal ori­gi­nal vo­cê po­de ver na dedução aci­ma, de­pen­de­rá de tem­po ele­va­do ao qua­dra­do (t²): aí es­tá o mo­ti­vo pe­lo qual ela irá va­ri­ar mais ra­pi­da­men­te do que o va­lor

do tem­po de re­a­ção da se­gun­da pes­soa. Ago­ra, ex­pe­ri­men­te de­se­nhar a ré­gua e cons­truir seu di­a­gra­ma de for­ças, pa­ra en­ten­der que es­se mes­mo ra­ci­o­cí­nio te­ria si­do al­can­ça­do pe­lo tra­ta­men­to ve­to­ri­al.

Ou­tra ques­tão da edi­ção 2009 do Enem abor­da es­sa si­tu­a­ção de for­ma in­te­res­san­te e di­ver­ti­da, fa­lan­do so­bre um que­ri­do per­so­na­gem das his­tó­ri­as em qua­dri­nhos, o Su­per­man. Ob­ser­ve:

Uma das ra­zões pa­ra pen­sar so­bre a fí­si­ca dos su­per-he­róis é, aci­ma de tudo, uma for­ma di­ver­ti­da de ex­plo­rar mui­tos fenô­me­nos fí­si­cos in­te­res­san­tes, des­de fenô­me­nos cor­ri­quei­ros até eventos con­si­de­ra­dos fan­tás­ti­cos. A fi­gu­ra abai­xo mos­tra o Su­per-ho­mem lan­çan­do-se no es­pa­ço pa­ra che­gar ao to­po de um pré­dio de al­tu­ra H. Se­ria pos­sí­vel ad­mi­tir que com seus su­per­po­de­res ele es­ta­ria vo­an­do com pro­pul­são pró­pria, mas con­si­de­re que ele te­nha da­do um for­te sal­to. Nes­te ca­so, sua ve­lo­ci­da­de fi­nal no pon­to mais al­to do sal­to de­ve ser ze­ro, ca­so con­trá­rio, ele con­ti­nu­a­ria su­bin­do. Sen­do g a ace­le­ra­ção da gra­vi­da­de, a re­la­ção en­tre a ve­lo­ci­da­de ini­ci­al do Su­per-ho­mem e a al­tu­ra atin­gi­da é da­da por: v2 = 2gh.

A al­tu­ra que o Su­per-ho­mem al­can­ça em seu sal­to de­pen­de do qua­dra­do de sua ve­lo­ci­da­de ini­ci­al por­que:

a) a al­tu­ra do seu pulo é pro­por­ci­o­nal à sua ve­lo­ci­da­de mé­dia mul­ti­pli­ca­da pe­lo tem­po que ele per­ma­ne­ce no ar ao qua­dra­do. b) o tem­po que ele per­ma­ne­ce no ar é di­re­ta­men­te pro­por­ci­o­nal à ace­le­ra­ção da gra­vi­da­de e es­sa é di­re­ta­men­te pro­por­ci­o­nal à ve­lo­ci­da­de. c) o tem­po que ele per­ma­ne­ce no ar é in­ver­sa­men­te pro­por­ci­o­nal à ace­le­ra­ção da gra­vi­da­de e es­sa é in­ver­sa­men­te pro­por­ci­o­nal à ve­lo­ci­da­de mé­dia. d) a ace­le­ra­ção do mo­vi­men­to de­ve ser ele­va­da ao qua­dra­do, pois exis­tem du­as ace­le­ra­ções en­vol­vi­das: a ace­le­ra­ção da gra­vi­da­de e a ace­le­ra­ção do sal­to. e) a al­tu­ra do seu pulo é pro­por­ci­o­nal à sua ve­lo­ci­da­de mé­dia mul­ti­pli­ca­da pe­lo tem­po que ele per­ma­ne­ce no ar, e es­se tem­po tam­bém de­pen­de da sua ve­lo­ci­da­de ini­ci­al.

Par­ti­cu­lar­men­te, apre­ci­ei mui­to es­ta ques­tão, não só por abor­dar um te­ma li­ga­do ao di­ver­ti­men­to (his­tó­ri­as em qua­dri­nhos mos­tran­do que a fí­si­ca é le­gal, mes­mo!) co­mo por pos­si­bi­li­tar mais de uma in­ter­pre­ta­ção na ho­ra da re­so­lu­ção. Per­ce­ba que não es­tou fa­lan­do em “mais de uma res­pos­ta”, há so­men­te uma res­pos­ta cor­re­ta e ela é a al­ter­na­ti­va “e”. Po­rém, es­se re­sul­ta­do po­de ser ob­ti­do por dois ca­mi­nhos di­fe­ren­tes e é in­te­res­san­te abor­dar­mos os dois.

Pri­mei­ro, va­mos apli­car a equa­ção de Tor­ri­cel­li (aque­la que nos per­mi­te ob­ter a ve­lo­ci­da­de de um cor­po a par­tir de sua ve­lo­ci­da­de ini­ci­al, ace­le­ra­ção e dis­tân­cia per­cor­ri­da). No ca­so: Ve­lo­ci­da­de fi­nal = V Ve­lo­ci­da­de ini­ci­al = V0 Ace­le­ra­ção = a Dis­tân­cia per­cor­ri­da = al­tu­ra = h Sa­be­mos que V0 se­rá igual a 0, a par­tir da fór­mu­la da Ve­lo­ci­da­de Mé­dia (Vm=ds/dt), e subs­ti­tuin­do te­re­mos: VM= (V+V0)/2 = h/t en­tão, h=(v+v0)t/2 e, por­tan­to, H=(VM x t)/2, que é a res­pos­ta in­di­ca­da pe­la al­ter­na­ti­va “e”. Mas, e se eu qui­ser ir por ou­tro ca­mi­nho, por exem­plo, a par­tir da con­ser­va­ção de energia? Bem, daí as coi­sas fi­cam ain­da mais sim­ples, per­ce­ba:

A con­ser­va­ção da energia me­câ­ni­ca de um sis­te­ma nos diz que: E =K+U

m on­de E = Energia Me­câ­ni­ca To­tal

m K = Energia Ci­né­ti­ca

U = Energia Po­ten­ci­al Sa­ben­do que a energia ci­né­ti­ca é cal­cu­la­da com a fór­mu­la K=mv2/2 e a energia po­ten­ci­al pe­la fór­mu­la U=mgh, ten­do li­do com aten­ção o enun­ci­a­do do exer­cí­cio vo­cê já de­ve ter de­du­zi­do o que va­mos fa­lar ago­ra, não é?

Sim, é exa­ta­men­te o que vo­cê (mui­to pro­va­vel­men­te) já de­du­ziu: a mas­sa do Su­per­man não se al­te­ra du­ran­te o sal­to! Subs­ti­tuin­do as equações em K e U, vo­cê irá ob­ter a re­la­ção: Es­ta é a res­pos­ta in­di­ca­da pe­la al­ter­na­ti­va “e”.

2. Energia

Co­mo já men­ci­o­na­mos, o te­ma energia tem si­do bas­tan­te abor­da­do em edi­ções an­te­ri­o­res do Enem, jun­ta­men­te com os con­cei­tos de tra­ba­lho e po­tên­cia, a energia me­câ­ni­ca cer­ta­men­te de­ve re­ce­ber uma aten­ção es­pe­ci­al de quem es­tá se pre­pa­ran­do pa­ra o exa­me. Mas, o que exa­ta­men­te é energia? Es­ta é uma pergunta co­ra­jo­sa que nin­guém sa­be res­pon­der ao cer­to. A fí­si­ca tra­ba­lha com uma de­fi­ni­ção se­gun­do a qual «energia é a ca­pa­ci­da­de de ge­rar tra­ba­lho ou ge­rar uma ação” e tem fun­ci­o­na­do bas­tan­te bem até ho­je. Uma par­ti­cu­la­ri­da­de da energia é que ela não po­de ser cri­a­da ou des­truí­da, ape­nas trans­for­ma­da. Mais uma vez va­mos nos ser­vir de al­guns enun­ci­a­dos de ques­tões já apli­ca­das pa­ra ex­plo­rar es­se con­teú­do, co­me­çan­do por uma ques­tão do Enem 2009.

A efi­ci­ên­cia de um pro­ces­so de con­ver­são de energia é de­fi­ni­da co­mo a ra­zão en­tre a pro­du­ção de energia ou tra­ba­lho útil e o to­tal de entrada de energia no pro­ces­so. A fi­gu­ra mos­tra um pro­ces­so com di­ver­sas eta­pas. Nes­se ca­so, a efi­ci­ên­cia ge­ral se­rá igual ao pro­du­to das efi­ci­ên­ci­as das eta­pas in­di­vi­du­ais. A entrada de energia que não se trans­for­ma em tra­ba­lho útil é per­di­da sob for­mas não uti­li­zá­veis (co­mo re­sí­du­os de ca­lor).

Au­men­tar a efi­ci­ên­cia dos pro­ces­sos de con­ver­são de energia im­pli­ca eco­no­mi­zar re­cur­sos e com­bus­tí­veis. Das pro­pos­tas se­guin­tes, qual re­sul­ta­rá em mai­or au­men­to da efi­ci­ên­cia ge­ral do pro­ces­so?

a) Au­men­tar a quan­ti­da­de de com­bus­tí­vel pa­ra quei­ma na usi­na de for­ça. b) Uti­li­zar lâm­pa­das in­can­des­cen­tes, que ge­ram pou­co ca­lor e mui­ta lu­mi­no­si­da­de. c) Man­ter o me­nor nú­me­ro pos­sí­vel de apa­re­lhos elé­tri­cos em fun­ci­o­na­men­to nas mo­ra­di­as. d) Uti­li­zar ca­bos com me­nor di­â­me­tro nas li­nhas de trans­mis­são a fim de eco­no­mi­zar o ma­te­ri­al con­du­tor. e) Uti­li­zar ma­te­ri­ais com me­lho­res pro­pri­e­da­des con­du­to­ras nas li­nhas de trans­mis­são e lâm­pa­das flu­o­res­cen­tes nas mo­ra­di­as.

An­tes de ana­li­sar­mos, a res­pos­ta cor­re­ta é al­ter­na­ti­va “e”. Vo­cê já ou­viu fa­lar em ruí­do na re­de elé­tri­ca? Pa­re­ce um no­me cu­ri­o­so, afi­nal a re­de elé­tri­ca (com­pos­ta pe­los fi­os de al­ta ten­são, pos­tes, con­dui­tes etc.) trans­por­ta ele­tri­ci­da­de co­mo o pró­prio no­me diz e não on­das so­no­ras.

Em fí­si­ca cha­ma­mos de ruí­do al­go que “não de­ve­ria es­tar lá” ao to­mar­mos uma me­di­da, por exem­plo, o ruí­do de fun­do do Big Bang – tra­ços de ra­di­a­ção ori­gi­ná­ri­as do mo­men­to de cri­a­ção do Uni­ver­so, de­tec­ta­dos por aca­so. No ca­so da re­de elé­tri­ca te­mos diversos pro­ble­mas de qua­li­da­de no ma­te­ri­al dos ca­bos, pos­tes e trans­for­ma­do­res, além do fa­to de se tra­tar prin­ci­pal­men­te de fi­os ele­va­dos (e não so­ter­ra­dos, que pro­por­ci­o­na­ri­am me­lhor iso­la­men­to).

Es­se ra­ci­o­cí­nio é im­por­tan­te na re­so­lu­ção des­te exer­cí­cio, uma vez que a uti­li­za­ção de ma­te­ri­ais com me­lho­res pro­pri­e­da­des con­du­to­ras nas li­nhas de trans­mis­são de energia elé­tri­ca cau­sa­rá uma di­mi­nui­ção nas per­das, oca­si­o­na­da pe­la re­du­ção da re­sis­tên­cia exis­ten­te no per­cur­so. E, co­mo vo­cê de­ve já sa­ber a res­pei­to do fun­ci­o­na­men­to das lâm­pa­das flu­o­res­cen­tes e in­can­des­cen­tes (es­tas úl­ti­mas apre­sen­tam per­da de energia elé­tri­ca sob a for­ma de ca­lor, con­su­min­do mais do que as flu­o­res­cen­tes) o uso de lâm­pa­das flu­o­res­cen­tes pa­ra se ob­ter um de­ter­mi­na­do ní­vel de lu­mi­no­si­da­de sem­pre pro­por­ci­o­na­rá me­nor con­su­mo de ele­tri­ci­da­de do que lâm­pa­das in­can­des­cen­tes.

Na mes­ma edi­ção do Enem hou­ve ou­tra ques­tão abor­dan­do ain­da o te­ma “energia”. Ve­ja­mos.

De­se­ja-se ins­ta­lar uma es­ta­ção de ge­ra­ção de energia elé­tri­ca em um mu­ni­cí­pio lo­ca­li­za­do no in­te­ri­or de um pe­que­no va­le cer­ca­do de al­tas mon­ta­nhas de di­fí­cil aces­so. A ci­da­de é cru­za­da por um rio, que é fon­te de água pa­ra con­su­mo, ir­ri­ga­ção das la­vou­ras de sub­sis­tên­cia e pes­ca. Na re­gião, que pos­sui pe­que­na ex­ten­são ter­ri­to­ri­al, a in­ci­dên­cia so­lar é al­ta o ano to­do. A es­ta­ção em ques­tão irá abas­te­cer ape­nas o mu­ni­cí­pio apre­sen­ta­do.

Qual for­ma de ob­ten­ção de energia, en­tre as apre­sen­ta­das, é a mais in­di­ca­da pa­ra ser im­plan­ta­da nes­se mu­ni­cí­pio de mo­do a cau­sar o me­nor im­pac­to am­bi­en­tal?

a) Ter­me­lé­tri­ca, pois é pos­sí­vel uti­li­zar a água do rio no sis­te­ma de re­fri­ge­ra­ção. b) Eó­li­ca, pois a ge­o­gra­fia do lo­cal é pró­pria pa­ra a cap­ta­ção des­se ti­po de energia. c) Nuclear, pois o mo­do de res­fri­a­men­to de seus sis­te­mas não afe­ta­ria a po­pu­la­ção. d) Fo­to­vol­tai­ca, pois é pos­sí­vel apro­vei­tar a energia so­lar que che­ga à su­per­fí­cie do lo­cal. e) Hi­dre­lé­tri­ca, pois o rio que cor­ta o mu­ni­cí­pio é su­fi­ci­en­te pa­ra abas­te­cer a usi­na cons­truí­da.

Vo­cê não pre­ci­sou pen­sar mui­to pa­ra des­co­brir que a res­pos­ta cor­re­ta cor­res­pon­de a al­ter­na­ti­va “d”, afi­nal em um mu­ni­cí­pio com as ca­rac­te­rís­ti­cas des­cri­tas no enun­ci­a­do (“a in­ci­dên­cia so­lar é al­ta o ano to­do”), a me­lhor op­ção se­ria o uso das cé­lu­las fo­to­vol­tai­cas.

3. Ra­di­o­a­ti­vi­da­de

Per­ce­beu co­mo fun­ci­o­na a tão fa­la­da in­ter­dis­ci­pli­na­ri­e­da­de nas ques­tões do Enem? Nes­se sen­ti­do, va­mos ver co­mo o exa­me abor­da a ques­tão da ra­di­o­a­ti­vi­da­de (tó­pi­co li­ga­do à fí­si­ca mo­der­na).

Ob­ser­ve a ques­tão a se­guir, ex­traí­da da pro­va anu­la­da em 2009.

O li­xo ra­di­o­a­ti­vo ou nuclear é re­sul­ta­do da ma­ni­pu­la­ção de ma­te­ri­ais ra­di­o­a­ti­vos, uti­li­za­dos ho­je na agri­cul­tu­ra, na in­dús­tria, na me­di­ci­na, em pes­qui­sas ci­en­tí­fi­cas, na pro­du­ção de energia, etc. Em­bo­ra a ra­di­o­a­ti­vi­da­de se re­du­za com o tem­po, o pro­ces­so de de­cai­men­to ra­di­o­a­ti­vo de al­guns ma­te­ri­ais po­de le­var mi­lhões de anos. Por is­so, exis­te a ne­ces­si­da­de de se fa­zer um des­car­te ade­qua­do e con­tro­la­do de re­sí­du­os des­sa na­tu­re­za. A ta­xa de de­cai­men­to ra­di­o­a­ti­vo é me­di­da em ter­mos de um tem­po ca­rac­te­rís­ti­co, cha­ma­do meia-vi­da, que é o tem­po ne­ces­sá­rio pa­ra que uma amos­tra per­ca me­ta­de de sua ra­di­o­a­ti­vi­da­de ori­gi­nal. O grá­fi­co se­guin­te re­pre­sen­ta a ta­xa de de­cai­men­to ra­di­o­a­ti­vo do rá­dio-226, ele­men­to quí­mi­co per­ten­cen­te à família dos me­tais al­ca­li­nos ter­ro­sos e que foi uti­li­za­do du­ran­te mui­to tem­po na me­di­ci­na.

As in­for­ma­ções for­ne­ci­das mos­tram que:

a) quan­to mai­or é a meia-vi­da de uma subs­tân­cia mais rá­pi­do ela se de­sin­te­gra. b) ape­nas 1/8 de uma amos­tra de rá­dio-226 te­rá de­caí­do ao fi­nal de 4.860 anos.

c) me­ta­de da quan­ti­da­de ori­gi­nal de rá­dio-226, ao fi­nal de 3.240 anos, ain­da es­ta­rá por de­cair. d) res­ta­rá me­nos de 1% de rá­dio-226 em qual­quer amos­tra des­sa subs­tân­cia após de­cor­ri­das 3 mei­as-vi­das. e) a amos­tra de rá­dio-226 di­mi­nui a sua quan­ti­da­de pe­la me­ta­de a ca­da in­ter­va­lo de 1.620 anos de­vi­do à de­sin­te­gra­ção ra­di­o­a­ti­va.

Bem, após ler o enun­ci­a­do vo­cê já de­ve ter per­di­do o “sus­to” que le­vou ao ler so­bre “ra­di­o­a­ti­vi­da­de (as­sun­to da fí­si­ca mo­der­na). À pri­mei­ra vis­ta te­mos a im­pres­são de es­tar­mos di­an­te de um te­ma com­pli­ca­dís­si­mo, com um ver­da­dei­ro zo­o­ló­gi­co de equações e fór­mu­las a se­rem “de­co­ra­das”, qu­an­do, na ver­da­de, a ques­tão so­li­ci­ta mes­mo é que vo­cê leia e in­ter­pre­te um grá­fi­co, so­men­te is­so. A res­pos­ta cor­re­ta é a al­ter­na­ti­va “e”, afi­nal, aqui­lo que a ci­ên­cia cha­ma de “meia-vi­da” de um ele­men­to cor­res­pon­de ao in­ter­va­lo de tem­po ne­ces­sá­rio pa­ra que uma quan­ti­da­de da­que­le ma­te­ri­al se­ja re­du­zi­da pe­la me­ta­de, de mo­do na­tu­ral. Es­ta é uma pro­pri­e­da­de fí­si­ca mui­to im­por­tan­te pa­ra a ar­que­o­lo­gia, por exem­plo, pois é atra­vés de­la que se tor­na pos­sí­vel cal­cu­lar a ida­de de uma os­sa­da. Nos­so or­ga­nis­mo pos­sui uma quan­ti­da­de X de car­bo­no, com­pos­ta por car­bo­nos 12 e 14 (nú­me­ros re­fe­ren­tes à mas­sa atô­mi­ca), uma amos­tra de car­bo­no 14 pos­sui dois neu­trons a mais que uma amos­tra de car­bo­no 12 em seu nú­cleo. O 12 é uma for­ma mais es­tá­vel do car­bo­no, por­tan­to os áto­mos do 14 ten­de­rão a de­cair pa­ra o 12, após um de­ter­mi­na­do in­ter­va­lo de tem­po (no ca­so do car­bo­no 14, cer­ca de 5730 anos). Des­se mo­do, se no mo­men­to do fa­le­ci­men­to o or­ga­nis­mo pos­suir uma quan­ti­da­de de 2% de C14, após 5730 anos en­con­tra­re­mos so­men­te 1%. Na sua meia-vi­da, a quan­ti­da­de de car­bo­no 14 foi re­du­zi­da pe­la me­ta­de. Cu­ri­o­so, não? Es­te mé­to­do tam­bém fun­ci­o­na pa­ra a da­ta­ção de ro­chas, por exem­plo. E o Enem não dei­xa de fo­ra ques­tões en­vol­ven­do a energia ge­o­tér­mi­ca. Já ou­viu fa­lar de­la? Ca­so a res­pos­ta se­ja ne­ga­ti­va, não se pre­o­cu­pe, pois o pró­prio enun­ci­a­do da ques­tão cos­tu­ma for­ne­cer tudo aqui­lo que é pre­ci­so sa­ber pa­ra de­sen­vol­ver o ra­ci­o­cí­nio.

4. Energia Ge­o­tér­mi­ca

Va­mos ver uma ques­tão que abor­dou o as­sun­to de energia ge­o­tér­mi­ca.

A energia ge­o­tér­mi­ca tem sua ori­gem no nú­cleo der­re­ti­do da Ter­ra, on­de as tem­pe­ra­tu­ras atin­gem 4.000ºc. Es­sa energia é pri­mei­ra­men­te pro­du­zi­da pe­la de­com­po­si­ção de ma­te­ri­ais ra­di­a­ti­vos den­tro do pla­ne­ta.

De­pre­en­de-se das in­for­ma­ções aci­ma que as usi­nas ge­o­tér­mi­cas:

a) uti­li­zam a mes­ma fon­te pri­má­ria de energia que as usi­nas nu­cle­a­res, sen­do, por­tan­to, se­me­lhan­tes os ris­cos de­cor­ren­tes de am­bas. b) fun­ci­o­nam com ba­se na con­ver­são de energia po­ten­ci­al gra­vi­ta­ci­o­nal em energia tér­mi­ca. c) po­dem apro­vei­tar a energia quí­mi­ca trans­for­ma­da em tér­mi­ca no pro­ces­so de des­sa­li­ni­za­ção. d) as­se­me­lham-se às usi­nas nu­cle­a­res no que diz res­pei­to à con­ver­são de energia tér­mi­ca em ci­né­ti­ca e, de­pois, em elé­tri­ca. e) trans­for­mam ini­ci­al­men­te a energia so­lar em energia ci­né­ti­ca e, de­pois, em energia tér­mi­ca.

Aque­la que po­de­ria ser uma ques­tão en­vol­ven­do um te­ma es­pe­cí­fi­co aca­ba se mos­tran­do ape­nas um pro­ble­ma de con­ver­são de energia que, co­mo já dis­se­mos, não po­de ser des­truí­da ou cri­a­da, mas so­men­te con­ver­ti­da de uma for­ma pa­ra ou­tra. A al­ter­na­ti­va com a res­pos­ta cor­re­ta é a “d”. Te­mos aqui um pro­ces­so mui­to pa­re­ci­do com aque­le pre­sen­te no in­te­ri­or de uma usi­na nuclear, on­de as tur­bi­nas gi­ram de­vi­do à ação do va­por con­ver­ten­do sua ener-

Em fon­tes ge­o­tér­mi­cas, a água, apri­si­o­na­da em um re­ser­va­tó­rio sub­ter­râ­neo, é aque­ci­da pe­las ro­chas ao re­dor e fi­ca sub­me­ti­da a al­tas pres­sões, po­den­do atin­gir tem­pe­ra­tu­ras de até 370ºc sem en­trar em ebu­li­ção. Ao ser li­be­ra­da na su­per­fí­cie, à pres­são am­bi­en­te, ela se va­po­ri­za e se res­fria, for­man­do fon­tes ou gêi­se­res. O va­por de po­ços ge­o­tér­mi­cos é se­pa­ra­do da água e é uti­li­za­do no fun­ci­o­na­men­to de tur­bi­nas pa­ra ge­rar ele­tri­ci­da­de. A água quen­te po­de ser uti­li­za­da pa­ra aque­ci­men­to di­re­to ou em usi­nas de des­sa­li­ni­za­ção. Ro­ger A. Hinrichs e Merl­lin Klein­ba­ch. Energia e meio am­bi­en­te. Ed. ADBR (com adap­ta­ções)

gia ci­né­ti­ca em energia elé­tri­ca.

A con­ver­são da energia ci­né­ti­ca em po­ten­ci­al (as­sim co­mo o pro­ces­so con­trá­rio) es­tá pre­sen­te em mui­tas si­tu­a­ções co­ti­di­a­nas e, por es­se mo­ti­vo, es­tá cons­tan­te­men­te nas pro­vas do Enem. Ve­ja­mos mais ques­tões.

O uso da água do sub­so­lo re­quer o bom­be­a­men­to pa­ra um re­ser­va­tó­rio ele­va­do. A ca­pa­ci­da­de de bom­be­a­men­to (li­tros/ho­ra) de uma bom­ba hi­dráu­li­ca de­pen­de da pres­são má­xi­ma de bom­beio, co­nhe­ci­da co­mo al­tu­ra ma­no­mé­tri­ca H (em me­tros), do com­pri­men­to L da tu­bu­la­ção que se es­ten­de da bom­ba até o re­ser­va­tó­rio (em me­tros), da al­tu­ra de bom­beio h (em me­tros) e do de­sem­pe­nho da bom­ba (exem­pli­fi­ca­do no grá­fi­co). De acor­do com os da­dos a se­guir, ob­ti­dos de um fa­bri­can­te de bom­bas, pa­ra se de­ter­mi­nar a quan­ti­da­de de li­tros bom­be­a­dos por ho­ra pa­ra o re­ser­va­tó­rio com uma de­ter­mi­na­da bom­ba, de­ve-se: 1. Es­co­lher a li­nha apro­pri­a­da na ta­be­la cor­res­pon­den­te à al­tu­ra (h), em me­tros, da entrada de água na bom­ba até o re­ser­va­tó­rio.

2.Es­co­lher a co­lu­na apro­pri­a­da, cor­res­pon­den­te ao com­pri­men­to to­tal da tu­bu­la­ção (L), em me­tros, da bom­ba até o re­ser­va­tó­rio.

3. Ler a al­tu­ra ma­no­mé­tri­ca (H) cor­res­pon­den­te ao cru­za­men­to das res­pec­ti­vas li­nha e co­lu­na na ta­be­la.

4. Usar a al­tu­ra ma­no­mé­tri­ca no grá­fi­co de de­sem­pe­nho pa­ra ler a va­zão cor­res­pon­den­te.

Con­si­de­re que se de­se­ja usar uma bom­ba, cu­jo de­sem­pe­nho é des­cri­to pe­los da­dos aci­ma, pa­ra en­cher um re­ser­va­tó­rio de 1.200L que se en­con­tra 30m aci­ma da entrada da bom­ba. Pa­ra fa­zer a tu­bu­la­ção en­tre a bom­ba e o re­ser­va­tó­rio se­ri­am usa­dos 200m de ca­no. Nes­sa si­tu­a­ção, é de se es­pe­rar que a bom­ba con­si­ga en­cher o re­ser­va­tó­rio a) en­tre 30 e 40 mi­nu­tos. b) em me­nos de 30 mi­nu­tos. c) em mais de 1h e 40 mi­nu­tos. d) en­tre 40 mi­nu­tos e 1h e 40 mi­nu­tos. e) en­tre 1h e 10 mi­nu­tos e 1h e 40 mi­nu­tos.

Es­ta é uma ques­tão que po­de ser re­sol­vi­da a par­tir da lei­tu­ra dos grá­fi­cos 1 e 2. De acor­do com o grá­fi­co 1, pa­ra uma al­tu­ra (h) = 30m com com­pri­men­to (L) = 200m te­re­mos uma al­tu­ra ma­no­mé­tri­ca (H) = 45m. A par­tir da lei­tu­ra do grá­fi­co 2, pa­ra uma al­tu­ra ma­no­mé­tri­ca(h) de 45m ob­te­re­mos a va­zão de 900L/h. Co­nhe­cen­do-se a re­la­ção en­tre va­zão de um lí­qui­do, seu vo­lu­me e o tem­po, te­mos: Va­zão = vo­lu­me/tem­po Tem­po = 200/900 = (4/3) h = 1h e 20min. E que tal um exer­cí­cio abor­dan­do a ques­tão da energia so­lar, uma das prin­ci­pais fon­tes de energia re­no­vá­veis pa­ra o nos­so pla­ne­ta? A ques­tão a se­guir tam­bém foi re­ti­ra­da da pro­va va­za­da da edi­ção 2009 do Enem. Ve­ja­mos.

Além de ser ca­paz de ge­rar ele­tri­ci­da­de, a energia so­lar é usa­da pa­ra mui­tas ou­tras fi­na­li­da-

des. A fi­gu­ra a se­guir mos­tra o uso da energia so­lar pa­ra des­sa­li­ni­zar a água. Ne­la, um tan­que con­ten­do água sal­ga­da é co­ber­to por um plás­ti­co trans­pa­ren­te e tem a sua par­te cen­tral abai­xa­da pe­lo pe­so de uma pe­dra, sob a qual se co­lo­ca um re­ci­pi­en­te (co­po). A água eva­po­ra­da se con­den­sa no plás­ti­co e es­cor­re até o pon­to mais bai­xo, cain­do den­tro do co­po.

Nes­se pro­ces­so, a energia so­lar ce­di­da à água sal­ga­da:

a) fi­ca re­ti­da na água do­ce que cai no co­po, tor­nan­do-a, as­sim, al­ta­men­te ener­gi­za­da. b) fi­ca ar­ma­ze­na­da na for­ma de energia po­ten­ci­al gra­vi­ta­ci­o­nal con­ti­da na água do­ce. c) é usa­da pa­ra pro­vo­car a re­a­ção quí­mi­ca que trans­for­ma a água sal­ga­da em água do­ce. d) é ce­di­da ao am­bi­en­te ex­ter­no atra­vés do plás­ti­co, on­de ocor­re a con­den­sa­ção do va­por. e) é re­e­mi­ti­da co­mo ca­lor pa­ra fo­ra do tan­que, no pro­ces­so de eva­po­ra­ção da água sal­ga­da

Vo­cê já ou­viu fa­lar no pro­ces­so de des­sa­li­ni­za­ção da água? É o pro­ces­so por meio do qual se ex­trai o sal da água do mar, tor­nan­do-a pró­pria pa­ra o con­su­mo. Co­mo vo­cê já de­ve ter ima­gi­na­do tra­ta-se de um pro­ces­so mui­to im­por­tan­te pa­ra os ma­ri­nhei­ros e tam­bém pa­ra as po­pu­la­ções que vi­vem em paí­ses com par­te de seu ter­ri­tó­rio to­ma­da por de­ser­tos.

E qual a al­ter­na­ti­va cor­re­ta? É a “d”, uma vez que ao re­ce­ber energia so­lar (ca­lor) a água sal­ga­da irá eva­po­rar, mas seu va­por irá ce­der es­te ca­lor ex­ce­den­te ao en­cos­tar na su­per­fí­cie do plás­ti­co, con­den­san­do. O pro­ces­so de trans­mis­são do ca­lor sem­pre obe­de­ce a es­te prin­cí­pio: quem tem mai­or quan­ti­da­de de ca­lor sem­pre irá per­der ca­lor pa­ra quem pos­sui uma me­nor quan­ti­da­de.

5. Fenô­me­nos Elé­tri­cos e Mag­né­ti­cos

Os fenô­me­nos elé­tri­cos e mag­né­ti­cos tam­bém se­rão abor­da­dos nas ques­tões da sua pro­va: a cor­ren­te elé­tri­ca, a car­ga elé­tri­ca, a Lei de Cou­lomb, a Lei de OHM, a Lei de Jou­le.

O mais le­gal des­ta par­te da fí­si­ca é que ela se li­ga de for­ma in­trín­se­ca a mui­tos de nos­sos as­sun­tos fa­vo­ri­tos, co­mo é o ca­so do au­to­mo­bi­lis­mo. E não es­ta­mos fa­lan­do aqui do des­lo­ca­men­to dos ve­lo­zes carros de cor­ri­da, mas da sim­ples ma­nu­ten­ção de um veí­cu­lo. Mui­tos já pas­sa­ram por pe­que­nos pro­ble­mas em ca­sa com seus carros, prin­ci­pal­men­te aque­les que já pos­su­em um de­ter­mi­na­do tem­po de uso e a mai­o­ria des­ses de­fei­tos po­de ser di­ag­nos­ti­ca­do por vo­cê mes­mo em sua re­si­dên­cia.

Va­mos ver uma ques­tão ex­traí­da da edi­ção 2010 do Enem.

To­do car­ro pos­sui uma cai­xa de fu­sí­veis, que são uti­li­za­dos pa­ra pro­te­ção dos cir­cui­tos elé­tri­cos. Os fu­sí­veis são cons­ti­tuí­dos de um ma­te­ri­al de bai­xo pon­to de fu­são, co­mo o es­ta­nho, por exem­plo, e se fun­dem qu­an­do per­cor­ri­dos por uma cor­ren­te elé­tri­ca igual ou mai­or do que aque­le que são ca­pa­zes de su­por­tar. O qua­dro a se­guir mos­tra uma sé­rie de fu­sí­veis e os va­lo­res de cor­ren­te por eles su­por­ta­dos.

Um fa­rol usa uma lâm­pa­da de gás ha­lo­gê­nio de 55W de po­tên­cia que ope­ra com 36V. Os dois fa­róis são li­ga­dos se­pa­ra­da­men­te, com um fu­sí­vel pa­ra ca­da um, mas, após um mau fun­ci­o­na­men­to, o

mo­to­ris­ta pas­sou a co­nec­tá-los em pa­ra­le­lo, usan­do ape­nas um fu­sí­vel. Des­sa for­ma, ad­mi­tin­do-se que a fi­a­ção suporte a car­ga dos dois fa­róis, o me­nor va­lor de fu­sí­vel ade­qua­do pa­ra pro­te­ção des­se no­vo cir­cui­to é o: a) azul. b) pre­to. c) la­ran­ja. d) ama­re­lo. e) ver­me­lho.

A res­pos­ta cor­re­ta é a al­ter­na­ti­va “c”, que in­di­ca o fu­sí­vel de cor la­ran­ja. Es­te exer­cí­cio é mui­to in­te­res­san­te por mos­trar co­mo os co­nhe­ci­men­tos bá­si­cos da ele­tri­ci­da­de po­dem au­xi­li­ar na ma­nu­ten­ção do­més­ti­ca. Sa­be­mos que a in­ten­si­da­de da cor­ren­te elé­tri­ca que se­rá for­ma­da no fu­sí­vel se­rá igual a so­ma das in­ten­si­da­des das cor­ren­tes for­ma­das em ca­da lâm­pa­da, afi­nal tra­ta-se da aná­li­se de um cir­cui­to em pa­ra­le­lo. Vo­cê sa­be a di­fe­ren­ça en­tre um cir­cui­to em sé­rie e um cir­cui­to em pa­ra­le­lo?

An­tes de re­sol­ver o exer­cí­cio, va­mos dar uma olha­da nas du­as fi­gu­ras abai­xo: a) cir­cui­to em sé­rie

Em am­bas as fi­gu­ras a li­nha con­tí­nua re­pre­sen­ta o fio, os cír­cu­los com o “x” no meio re­pre­sen­tam lâm­pa­das, os dois pon­tos es­cu­ros o in­ter­rup­tor de li­ga/des­li­ga e os tra­ci­nhos pa­ra­le­los re­pre­sen­tam a fon­te – es­sa é a di­ca pa­ra “ler” os de­se­nhos de cir­cui­tos. Ago­ra, res­pon­da: qual a di­fe­ren­ça en­tre os de­se­nhos a e b?

Sim­ples, no de­se­nho a te­mos uma du­as lâm­pa­das alo­ca­das no mes­mo fio (um cir­cui­to em sé­rie), ou se­ja, em sequên­cia, e no de­se­nho b te­mos as lâm­pa­das alo­ca­das em fi­os di­fe­ren­tes, mas ali­men­ta­das pe­lo mes­mo fio (por­tan­to, es­tão em pa­ra­le­lo), on­de vo­cê po­de no­tar que a se­gun­da lâm­pa­da se en­con­tra li­ga­da aos ter­mi­nais que ali­men­tam a pri­mei­ra lâm­pa­da.

Por­tan­to, fi­ca fá­cil es­ta­be­le­cer uma di­fe­ren­ça no com­por­ta­men­to fí­si­co da ele­tri­ci­da­de nos dois ca­sos. Na fi­gu­ra “a” a cor­ren­te elé­tri­ca per­cor­re um úni­co fio (que vo­cê po­de pen­sar co­mo “um ca­mi­nho” a ser per­cor­ri­do pe­la ele­tri­ci­da­de) e, as­sim, pas­sa pe­las du­as lâm­pa­das. Is­so fun­ci­o­na pa­ra um nú­me­ro in­de­ter­mi­na­do de lâm­pa­das, sa­ben­do que quan­to mai­or for o nú­me­ro de lâm­pa­das ins­ta­la­das em sé­rie, me­nos in­ten­sa se­rá a luz emi­ti­da por ca­da uma de­las, uma vez que a energia elé­tri­ca for­ne­ci­da pe­la ba­te­ria (ou to­ma­da, ou ge­ra­dor) se­rá di­vi­di­da en­tre to­das elas de for­ma igual, co­mo acon­te­ce com as fa­mo­sas lâm­pa­das de ilu­mi­na­ção que uti­li­za­mos nas ár­vo­res de Na­tal (“pis­ca-pis­ca”). Qu­an­do uma das lâm­pa­das “quei­ma”, to­da a fi­lei­ra de lâm­pa­das dei­xa de acen­der, por­que a ele­tri­ci­da­de que de­ve­ria per­cor­rer to­do o fio tem sua cor­ren­te in­ter­rom­pi­da na­que­le pon­to, não po­den­do se­guir seu ca­mi­nho em di­re­ção às de­mais.

E no se­gun­do ca­so? No cir­cui­to em pa­ra­le­lo, ca­so uma das lâm­pa­das quei­me as ou­tras con­ti­nu­a­ri­am ace­sas da mes­ma for­ma, pois a cor­ren­te elé­tri­ca se di­vi­de en­tre os dois ca­mi­nhos, sem que ocor­ra ne­nhu­ma mu­dan­ça em sua in­ten­si­da­de. Pa­ra ela, é co­mo se exis­tis­se ape­nas uma lâm­pa­da em to­do o cir­cui­to, o que vai oca­si­o­nar uma mai­or in­ten­si­da­de de bri­lho pa­ra as lâm­pa­das alo­ca­das em um cir­cui­to pa­ra­le­lo do que aque­las ins­ta­la­das em um cir­cui­to em sé­rie.

O que se po­de con­cluir des­sa rá­pi­da ex­pli­ca­ção? Que a cor­ren­te elé­tri­ca sem­pre pro­cu­ra per­cor­rer o ca­mi­nho mais fá­cil em um cir­cui­to ou, de mo­do mais téc­ni­co, po­de­mos di­zer que a ele­tri­ci­da­de per­cor­re­rá o ca­mi­nho on­de hou­ver me­nor re­sis­tên­cia – e é aí que en­tra o pa­pel do fu­sí­vel. Se con­si­de­rar­mos um cir­cui­to com o fu­sí­vel em sé­rie com o re­sis­tor não res­ta­rá ou­tro ca­mi­nho pa­ra que a cor­ren­te pos­sa per­cor­rer, o que fa­rá com que o va­lor da cor­ren­te pas­se a ser li­mi­ta­do pe­la re­sis­tên­cia do re­sis­tor. Po­rém, no ca­so de uma ins­ta­la­ção em pa­ra­le­lo, po­de­mos di­zer que to­da a cor­ren­te irá per­cor­rer o ca-

mi­nho atra­vés do fu­sí­vel (es­ta­mos con­si­de­ran­do sua re­sis­tên­cia co­mo sen­do mui­to me­nor do que aque­la ofe­re­ci­da pe­lo re­sis­tor).

Por­tan­to, pa­ra uma mes­ma ten­são apli­ca­da em dois cir­cui­tos di­fe­ren­tes (pa­ra­le­lo e em sé­rie) po­de ser que o fu­sí­vel se rom­pa em um de­les (no ca­so do cir­cui­to pa­ra­le­lo) e em ou­tro o fu­sí­vel não rom­pa (no ca­so do cir­cui­to em sé­rie).

Te­nha em men­te que a re­so­lu­ção do pro­ble­ma pro­pos­to é bas­tan­te sim­ples, mas que é ne­ces­sá­rio apro­vei­tar­mos o “gan­cho” pro­por­ci­o­na­do pe­lo enun­ci­a­do pa­ra res­ga­tar­mos al­guns con­teú­dos que po­de­rão aju­dá-lo a se pre­pa­rar me­lhor pa­ra a pró­xi­ma edi­ção do Enem.

Po­de ser que vo­cê te­nha es­tra­nha­do a pa­la­vra “re­sis­tor” em nos­sa ex­pli­ca­ção so­bre o fun­ci­o­na­men­to dos cir­cui­tos elé­tri­cos. Pois bem, ca­so não se lem­bre (ou não sai­ba ain­da) o que é um re­sis­tor, tra­ta-se de um ins­tru­men­to usa­do pa­ra “atra­pa­lhar” (no sen­ti­do de cri­ar uma re­sis­tên­cia) pa­ra a pas­sa­gem dos elé­trons, tor­nan­do a cor­ren­te elé­tri­ca que pas­sa pe­lo fio mais fra­ca. Pa­ra que al­guém iria que­rer en­fra­que­cer a cor­ren­te elé­tri­ca em um cir­cui­to? Ve­ja­mos. Ima­gi­ne que pa­ra pro­por­ci­o­nar uma ilu­mi­na­ção me­lhor em um jar­dim um jar­di­nei­ro mon­tas­se um cir­cui­to pa­ra acen­der um led de 1 Volt, ali­men­ta­do por ba­te­ria de 2 Volts? Após um de­ter­mi­na­do pe­río­do de tem­po es­se led quei­ma­rá, o que po­de ser evi­ta­do se o jar­di­nei­ro cor­tar um pe­da­ço do fio, in­ter­rom­pen­do o cir­cui­to, e alo­car ali uma re­sis­tên­cia com o va­lor de 2 ohms. Des­ta for­ma, o led pas­sa­ria a fun­ci­o­nar nor­mal­men­te ali­men­ta­do com 1V.

Os re­sis­to­res que as­sim se com­por­tam são cha­ma­dos co­muns ou ôh­mi­cos, por obe­de­ce­rem a lei de Ohm. Não im­por­ta se vo­cê quer re­du­zir a vol­ta­gem ou a am­pe­ra­gem, re­sis­to­res ôh­mi­cos se­gui­rão es­se pa­drão de com­por­ta­men­to: um re­sis­tor de 2 ohms re­du­zi­rá a ten­são em 1/2, um re­sis­tor de 3 ohms a re­du­zi­rá em 1/3, um re­sis­tor de 4 ohms a re­du­zi­rá em1/4 e as­sim por di­an­te.

Cha­ma­mos de “Re­sis­tor Ôh­mi­co” (ou co­mum) aque­le que obe­de­ce à Lei de Ohm: V=rxi On­de:

V= Vol­ta­gem R = Re­sis­tên­cia i = Am­pe­ra­gem Vo­cê já de­ve sa­ber que:

V sig­ni­fi­ca a di­fe­ren­ça de po­ten­ci­al elé­tri­co en­tre dois pon­tos, é a fa­mo­sa ddp;

R é a re­sis­tên­cia com a fi­na­li­da­de de re­du­zir a cor­ren­te elé­tri­ca, con­ver­ten­do energia elé­tri­ca em energia tér­mi­ca atra­vés do cha­ma­do efei­to Jou­le;

i é o flu­xo or­de­na­do de par­tí­cu­las por­ta­do­ras de car­ga elé­tri­ca, ou se­ja, a uni­da­de de me­di­da (Am­pé­re ou A) da in­ten­si­da­de da cor­ren­te elé­tri­ca.

Acre­di­to que ago­ra a de­fi­ni­ção de re­sis­tên­cia te­nha re­al­men­te pas­sa­do a fa­zer me­lhor sen­ti­do pa­ra vo­cê. É as­sim que fun­ci­o­na a re­sis­tên­cia do chu­vei­ro, con­ver­ten­do energia elé­tri­ca em ca­lor, que aque­ce a água e nos pos­si­bi­li­ta to­mar aque­le ba­nho gos­to­so. Já sa­be­mos que quan­to me­nor for a re­sis­ten­cia, mai­or se­rá a in­ten­si­da­de da cor­ren­te e, em con­sequên­cia, mai­or se­rá sua po­tên­cia. É o que le­va mui­tas pes­so­as a “en­cur­tar” a re­sis­tên­cia do chu­vei­ro no in­ver­no, cor­tan­do fo­ra um pe­da­ço de­la, pois se vo­ce di­mi­nuir a re­sis­ten­cia ofe­re­ci­da pe­lo re­sis­tor do seu chu­vei­ro, a po­tên­cia au­men­ta de mo­do pro­por­ci­o­nal. Es­sas pes­so­as es­que­cem que o re­sis­tor do chu­vei­ro foi cons­truí­do de acor­do com os cál­cu­los fei­tos pe­lo fa­bri­can­te, que le­vou em con­ta a apli­ca­ção de uma ten­são no­mi­nal. Se vo­cê ele­var a ten­são (ou di­mi­nuir a re­sis­tên­cia do re­sis­tor) ele rom­pe­rá – o que acon­te­ce qu­an­do di­ze­mos que o “chu­vei­ro quei­mou”. O re­sul­ta­do é o ris­co de cur­to-cir­cui­to, e con­se­quen­te au­men­to na con­ta de energia elé­tri­ca.

E quan­to ao po­ten­ci­al elé­tri­co? Men­ci­o­na­mos que a di­fe­ren­ça de po­ten­ci­al elé­tri­co en­tre dois pon­tos (v) é cal­cu­la­da de acor­do com a fór­mu­la V = R x i, mas co­mo se cal­cu­la o po­ten­ci­al elé­tri­co em um pon­to? A equa­ção que bus­ca­mos é P= U x i, on­de: P = po­tên­cia elé­tri­ca U = ddp no­mi­nal i = in­ten­si­da­de da cor­ren­te elé­tri­ca. Se apli­car­mos es­sa fór­mu­la aos da­dos do nos­so pro­ble­ma com os fu­sí­veis (cu­ja res­pos­ta cor­re­ta já for­ne­ce­mos e dis­cu­ti­mos), te­re­mos:

Aqui foi ne­ces­sá­ria uma rá­pi­da con­ta ma­te­má­ti­ca pa­ra en­con­trar a so­lu­ção do pro­ble­ma, par­tin­do de uma dis­cus­são a res­pei­to dos cir­cui­tos elé­tri­cos em sé­rie ou em pa­ra­le­lo, in­cluin­do a de­fi­ni­ção de cor­ren­te, po­tên­cia e re­sis­tor.

Os exa­mi­na­do­res do Enem “ado­ram” abor­dar as ques­tões so­bre cor­ren­te elé­tri­ca e su­as pro­pri­e­da­des, co­mo vo­cê po­de ver a se­guir na ques­tão re­ti­ra­da da edi­ção 2010, que abor­da a ques­tão do chu­vei­ro elé­tri­co.

Qu­an­do ocor­re um cur­to-cir­cui­to em uma ins­ta­la­ção elé­tri­ca, a re­sis­tên­cia elé­tri­ca to­tal do cir­cui­to di­mi­nui mui­to, es­ta­be­le­cen­do-se ne­le uma cor­ren­te mui­to ele­va­da.

O su­pe­ra­que­ci­men­to da fi­a­ção, de­vi­do a es­se au­men­to da cor­ren­te elé­tri­ca, po­de oca­si­o­nar incêndios, que se­ri­am evi­ta­dos ins­ta­lan­do-se fu­sí­veis e dis­jun­to­res que in­ter­rom­pem es­sa cor­ren­te, qu­an­do a mes­ma atin­ge um va­lor aci­ma do es­pe­ci­fi­ca­do nes­ses dis­po­si­ti­vos de pro­te­ção.

Su­po­nha que um chu­vei­ro ins­ta­la­do em uma re­de elé­tri­ca de 110V, em uma re­si­dên­cia, pos­sua três po­si­ções de re­gu­la­gem da tem­pe­ra­tu­ra da água. Na po­si­ção ve­rão uti­li­za 2100W, na po­si­ção pri­ma­ve­ra, 2400W e na po­si­ção in­ver­no, 3200W. GREF. Fí­si­ca 3: Ele­tro­mag­ne­tis­mo. São Pau­lo: EDUSP, 1993 (adap­ta­do).

De­se­ja-se que o chu­vei­ro fun­ci­o­ne em qual­quer uma das três po­si­ções de re­gu­la­gem de tem­pe­ra­tu­ra, sem que ha­ja ris­cos de in­cên­dio. Qual de­ve ser o va­lor mí­ni­mo ade­qua­do do dis­jun­tor a ser uti­li­za­do?

a) 40A b) 30A c) 25A d) 23A e) 20A

A al­ter­na­ti­va cor­re­ta é a le­tra “b”, co­mo vo­cê já de­ve ter ob­ser­va­do. Bas­ta apli­car a fór­mu­la

P= U x i e ob­ter:

6. Ele­tro­di­nâ­mi­ca

Co­me­ça­mos o te­ma de ge­ra­do­res elé­tri­cos pe­la aná­li­se de ques­tão ex­traí­da da edi­ção 2009 do Enem. O es­que­ma mos­tra um di­a­gra­ma de blo­co de uma es­ta­ção ge­ra­do­ra de ele­tri­ci­da­de abas­te­ci­da por com­bus­tí­vel fós­sil:

Se fos­se ne­ces­sá­rio me­lho­rar o ren­di­men­to des­sa usi­na, que for­ne­ce­ria ele­tri­ci­da­de pa­ra abas­te­cer uma ci­da­de, qual das se­guin­tes ações po­de­ria re­sul­tar em al­gu­ma economia de energia, sem afe­tar a ca­pa­ci­da­de de ge­ra­ção da usi­na? a) Re­du­zir a quan­ti­da­de de com­bus­tí­vel for­ne­ci­do à usi­na pa­ra ser quei­ma­do. b) Re­du­zir o vo­lu­me de água do la­go que cir­cu­la no con­den­sa­dor de va­por. c) Re­du­zir o ta­ma­nho da bom­ba usa­da pa­ra de­vol­ver a água lí­qui­da à caldeira. d) Me­lho­rar a ca­pa­ci­da­de dos du­tos com va­por con­du­zi­rem ca­lor pa­ra o am­bi­en­te.

e) Usar o ca­lor li­be­ra­do com os ga­ses pe­la cha­mi­né pa­ra mo­ver um ou­tro ge­ra­dor. A res­pos­ta cor­re­ta é a op­ção “e”. Vo­cê é ca­paz de di­zer por que? Ve­ja­mos as al­ter­na­ti­vas a, b, c: to­das elas apre­sen­tam si­tu­a­ções que re­du­zi­ri­am a ca­pa­ci­da­de de ge­ra­ção da usi­na e o enun­ci­a­do dei­xa cla­ro que se de­se­ja me­lho­rar seu ren­di­men­to. A res­pos­ta ofe­re­ci­da pe­la al­ter­na­ti­va “e” é a úni­ca que apre­sen­ta uma si­tu­a­ção em que o ren­di­men­to da usi­na se­ria me­lho­ra­do sem afe­tar sua ca­pa­ci­da­de de ge­ra­ção. Por que a al­ter­na­ti­va “d” es­tá er­ra­da, vo­cê é ca­paz de res­pon­der? É sim­ples: es­ta ação afe­ta­ria de for­ma ne­ga­ti­va o de­sem­pe­nho da usi­na!

Va­mos ve­ri­fi­car mais uma ques­tão da edi­ção 2010 do Enem.

A re­sis­tên­cia elé­tri­ca de um fio é de­ter­mi­na­da pe­las su­as di­men­sões e pe­las pro­pri­e­da­des es­tru­tu­rais do ma­te­ri­al. A con­du­ti­vi­da­de ( σ) ca­rac­te­ri­za a es­tru­tu­ra do ma­te­ri­al de tal for­ma que a re­sis­tên­cia de um fio po­de ser de­ter­mi­na­da co­nhe­cen­do-se L, o com­pri­men­to do fio e A, a área de se­ção re­ta. A ta­be­la re­la­ci­o­na o ma­te­ri­al à sua res­pec­ti­va re­sis­ti­vi­da­de em tem­pe­ra­tu­ra am­bi­en­te.

Man­ten­do-se as mes­mas di­men­sões ge­o­mé­tri­cas, o fio que apre­sen­ta me­nor re­sis­tên­cia elé­tri­ca é aque­le fei­to de: a) tungs­tê­nio. b) alu­mí­nio. c) fer­ro. d) co­bre. e) pra­ta.

A al­ter­na­ti­va cor­re­ta é a le­tra “e”, uma vez que o fio que ofe­re­ce a me­nor re­sis­tên­cia se­rá aque­le fei­to de ma­te­ri­al que pro­por­ci­o­na mai­or con­du­ti­vi­da­de. Com o pen­sa­men­to fir­me nos con­cei­tos, uma ques- tão co­mo es­ta se­ria ou­tra de re­so­lu­ção rá­pi­da e fá­cil pa­ra vo­cê ga­ba­ri­tar a pro­va de fí­si­ca. O as­sun­to dos re­cep­to­res elé­tri­cos é pre­sen­ça cons­tan­te tam­bém no Enem, co­mo vo­cê po­de ver na ques­tão a se­guir, ex­traí­da da edi­ção de 2009 do exa­me.

A efi­ci­ên­cia de um pro­ces­so de con­ver­são de energia, de­fi­ni­da co­mo sen­do a ra­zão en­tre a quan­ti­da­de de energia ou tra­ba­lho útil e a quan­ti­da­de de energia que en­tra no pro­ces­so, é sem­pre me­nor que 100% de­vi­do a li­mi­ta­ções im­pos­tas por leis fí­si­cas. A ta­be­la a se­guir, mos­tra a efi­ci­ên­cia glo­bal de vá­ri­os pro­ces­sos de con­ver­são.

Se es­sas li­mi­ta­ções não exis­tis­sem, os sis­te­mas mos­tra­dos na ta­be­la, que mais se be­ne­fi­ci­a­ri­am de in­ves­ti­men­tos em pes­qui­sa pa­ra te­rem su­as efi­ci­ên­ci­as au­men­ta­das, se­ri­am aque­les que en­vol­vem as trans­for­ma­ções de energia:

a) me­câ­ni­ca energia elé­tri­ca. b) nuclear energia elé­tri­ca. c) quí­mi­ca energia elé­tri­ca. d) quí­mi­ca energia tér­mi­ca. e) ra­di­an­te energia elé­tri­ca. Com­pli­ca­do? Ain­da bem que não! Afi­nal, mais um exer­cí­cio que co­bra do can­di­da­to ape­nas su­as ha­bi­li­da­des de lei­tu­ra e in­ter­pre­ta­ção de da­dos dis­pos­tos em uma ta­be­la – vo­cê es­tá ven­do al­gu­ma cons­tan­te, aqui? Mui­tas são as ques­tões que so­li­ci­tam ra­ci­o­cí­nio.

A al­ter­na­ti­va que apre­sen­ta a res­pos­ta cor­re­ta é a le­tra

“e”, e che­ga­mos a es­ta con­clu­são so­men­te a par­tir da lei­tu­ra da ta­be­la ofe­re­ci­da pe­lo enun­ci­a­do, on­de se ob­ser­va que os sis­te­mas di­tos me­nos efi­ci­en­tes são aque­les mais ra­di­an­tes. Des­te mo­do, es­tes são os sis­te­mas que mais se be­ne­fi­ci­a­ri­am com in­ves­ti­men­tos em pes­qui­sa, cla­ro, ex­ce­tu­an­do-se su­as li­mi­ta­ções, de acor­do com o re­co­men­da­do pe­lo enun­ci­a­do. Mui­to fá­cil, não? Ago­ra, va­mos ver mais um exer­cí­cio so­bre re­sis­to­res, re­ti­ra­do do Enem 2011.

Em um ma­nu­al de um chu­vei­ro elé­tri­co são en­con­tra­das in­for­ma­ções so­bre al­gu­mas ca­rac­te­rís­ti­cas téc­ni­cas, ilus­tra­das no qua­dro, co­mo a ten­são de ali­men­ta­ção, a po­tên­cia dis­si­pa­da, o di­men­si­o­na­men­to do dis­jun­tor ou fu­sí­vel, e a área da se­ção trans­ver­sal dos con­du­to­res uti­li­za­dos. Uma pes­soa ad­qui­riu um chu­vei­ro do mo­de­lo A e, ao ler o ma­nu­al, ve­ri­fi­cou que pre­ci­sa­va li­gá-lo a um dis­jun­tor de 50 am­pe­res. No en­tan­to, in­tri­gou­se com o fa­to de que o dis­jun­tor a ser uti­li­za­do pa­ra uma cor­re­ta ins­ta­la­ção de um chu­vei­ro do mo­de­lo B de­via pos­suir am­pe­ra­gem 40% me­nor. apon­ta­da pe­la al­ter­na­ti­va “a”, ou se­ja, 0,3. E co­mo é pos­sí­vel che­gar a es­ta re­so­lu­ção?

Se vo­cê ao vi­a­jar pa­ra o li­to­ral ou in­te­ri­or tam­bém po­de ter en­con­tra­do di­fe­ren­tes ten­sões, já de­ve ter ex­pe­ri­men­ta­do pro­ble­mas de com­pa­ti­bi­li­da­de da po­tên­cia de apa­re­lhos ele­tro-ele­trô­ni­cos. Es­te pro­ble­ma não exis­te qu­an­do se tra­ta da re­sis­tên­cia dos chu­vei­ros. O que is­to sig­ni­fi­ca? Que a po­tên­cia dos chu­vei­ros elé­tri­cos se­rá sem­pre a mes­ma!

Po­tên­cia (P), nós sa­be­mos, cor­res­pon­de ao pro­du­to do qua­dra­do da in­ten­si­da­de da cor­ren­te elé­tri­ca (i) pe­la Re­sis­tên­cia (R). O que pa­re­ce com­pli­ca­do fa­lan­do as­sim? Per­ce­ba a im­por­tân­cia de do­mi­nar a ma­te­má­ti­ca. Em por­tu­guês, as de­fi­ni­ções em fí­si­ca fi­cam mui­tas ve­zes hor­rí­veis e di­fí­ceis de se­rem acom­pa­nha­das. Já na lin­gua­gem da ma­te­má­ti­ca sim­ples­men­te es­cre­ve­ría­mos P = R - i2

De acor­do com o enun­ci­a­do, há uma re­la­ção en­tre a in­ten­si­da­de da cor­ren­te elé­tri­ca que per­cor­re o chu­vei­ro B e aque­la que per­cor­re o chu­vei­ro A, de for­ma que ib = 0,6ia, não é? Is­so nos per­mi­te ela­bo­rar uma re­la­ção, sa­ben­do que PB=PA (afi­nal, são dois chu­vei­ros elé­tri­cos): (ia) x RA = (ib) x RB

2 2 (ia) x RA = (0,40 x (ia) 2) x RB

2 RA/RB = 0,3 Um cál­cu­lo sim­ples de ser re­a­li­za­do ago­ra, e na ho­ra da pro­va vo­cê te­rá de per­ma­ne­cer cal­mo o su­fi­ci­en­te pa­ra es­ta­be­le­cer es­se ti­po de ra­ci­o­cí­nio e acer­tar as ques­tões. Es­pe­ra­mos que sim! A di­ca é a mes­ma que de­mos lá no iní­cio des­ta apos­ti­la: pre­pa­re-se bem, es­tu­de um pe­que­no li­mi­te de tem­po to­dos os di­as e na pro­va o re­sul­ta­do na­tu­ral do seu es­for­ço vai se con­cre­ti­zar. Vo­cê te­rá su­ces­so e a sua apro­va­ção!

7. Ca­lor e Fenô­me­nos Tér­mi­cos

E por fa­lar em su­ar, não po­de­mos dei­xar de la­do o ca­lor e os fenô­me­nos tér­mi­cos, is­to é, es­ca­las ter­mo­mé­tri­cas. Trans­fe­rên­cia de ca­lor e equi­lí­brio tér­mi­co são es­sen­ci­ais pa­ra que vo­cê do­mi­ne con­cei­tos co­mo o com­por­ta­men­to dos ga­ses ide­ais, as má­qui­nas tér­mi­cas e o ci­clo de Car­not, to­dos re­la­ci­o­na­dos às leis da ter­mo­di­nâ­mi­ca. Os no­mes pa­re­cem com­pli­ca­dos, mas va­mos dar uma olha­da em al­gu­mas ques­tões de edi­ções di­ver­sas do Enem e, de­pois, es­cla­re­cer al­guns pon­tos. A ques­tão a se­guir foi ex­traí­da da edi­ção 2010.

Con­si­de­ran­do-se os chu­vei­ros de mo­de­los A e B, fun­ci­o­nan­do à mes­ma po­tên­cia de 4400W, a ra­zão en­tre as su­as res­pec­ti­vas re­sis­tên­ci­as elé­tri­cas, RA e RB, que jus­ti­fi­ca a di­fe­ren­ça de di­men­si­o­na­men­to dos dis­jun­to­res, é mais pró­xi­ma de: a) 0,3. b) 0,6. c) 0,8. d) 1,7. e) 3,0.

An­tes de mais na­da, a res­pos­ta cor­re­ta é aque­la

Em nos­so co­ti­di­a­no, uti­li­za­mos as pa­la­vras “ca­lor” e “tem­pe­ra­tu­ra” de for­ma di­fe­ren­te de co­mo elas são usa­das no meio ci­en­tí­fi­co. Na lin­gua­gem cor­ren­te, ca­lor é iden­ti­fi­ca­do co­mo “al­go quen­te” e tem­pe­ra­tu­ra me­de a “quan­ti­da­de de ca­lor de um cor­po”. Es­ses sig­ni­fi­ca­dos, no en­tan­to, não con­se­guem ex­pli­car di­ver­sas si­tu­a­ções que po­dem ser ve­ri­fi­ca­das na prá­ti­ca.

Do pon­to de vis­ta ci­en­tí­fi­co, que si­tu­a­ção prá­ti­ca mos­tra a li­mi­ta­ção dos con­cei­tos cor­ri­quei­ros de ca­lor e tem­pe­ra­tu­ra?

a) A tem­pe­ra­tu­ra da água po­de fi­car cons­tan­te du­ran­te o tem­po em que es­ti­ver fer­ven­do. b) Uma mãe co­lo­ca a mão na água da ba­nhei­ra do be­bê pa­ra ve­ri­fi­car a tem­pe­ra­tu­ra da água. c) A cha­ma de um fo­gão po­de ser usa­da pa­ra au­men­tar a tem­pe­ra­tu­ra da água em uma pa­ne­la d) A água quen­te que es­tá em uma ca­ne­ca é pas­sa­da pa­ra ou­tra ca­ne­ca a fim de di­mi­nuir sua tem­pe­ra­tu­ra. e) Um for­no po­de for­ne­cer ca­lor pa­ra uma va­si­lha de água que es­tá em seu in­te­ri­or com me­nor tem­pe­ra­tu­ra do que a de­le.

A res­pos­ta cor­re­ta pa­ra es­te exer­cí­cio é a al­ter­na­ti­va “a”, sa­be por quê? Bem, ao con­trá­rio do que diz o sen­so co­mum, a tem­pe­ra­tu­ra não me­de a quan­ti­da­de de um cor­po, mas o grau de agi­ta­ção das mo­lé­cu­las de um cor­po ou meio. Qu­an­do es­tá em ebu­li­ção a água con­ti­nua a re­ce­ber ca­lor en­quan­to sua tem­pe­ra­tu­ra per­ma­ne­ce cons­tan­te.

Mas, en­tão o que é ca­lor? Va­mos nos ba­se­ar na aná­li­se da pró­xi­ma ques­tão pa­ra es­cla­re­cer, ex­traí­da da edi­ção 2009 do Enem.

A água apre­sen­ta pro­pri­e­da­des fí­si­co-quí­mi­cas que a co­lo­ca em po­si­ção de des­ta­que co­mo subs­tân­cia es­sen­ci­al à vi­da. Den­tre es­sas, des­ta­cam-se as pro­pri­e­da­des tér­mi­cas bi­o­lo­gi­ca­men­te mui­to im­por­tan­tes, por exem­plo, o ele­va­do va­lor de ca­lor la­ten­te de va­po­ri­za­ção. Es­se ca­lor la­ten­te re­fe­re-se à quan­ti­da­de de ca­lor que de­ve ser adi­ci­o­na­da a um lí­qui­do em seu pon­to de ebu­li­ção, por uni­da­de de mas­sa, pa­ra con­ver­tê-lo em va­por na mes­ma tem­pe­ra­tu­ra, que no ca­so da água é igual a 540 ca­lo­ri­as por gra­ma.

A pro­pri­e­da­de fí­si­co-quí­mi­ca men­ci­o­na­da no tex­to con­fe­re à água a ca­pa­ci­da­de de:

a) ser­vir co­mo do­a­dor de elé­trons no pro­ces­so de fo­tos­sín­te­se. b) fun­ci­o­nar co­mo re­gu­la­dor tér­mi­co pa­ra os or­ga­nis­mos vi­vos. c) agir co­mo sol­ven­te uni­ver­sal nos te­ci­dos ani­mais e ve­ge­tais. d) trans­por­tar os íons de fer­ro e mag­né­sio nos te­ci­dos ve­ge­tais. e) fun­ci­o­nar co­mo man­te­ne­do­ra do me­ta­bo­lis­mo nos or­ga­nis­mos vi­vos.

A res­pos­ta cor­re­ta é a op­ção “b”, que diz res­pei­to es­pe­ci­fi­ca­men­te ao fenô­me­no da mu­dan­ça de fa­se da água. Mas an­tes de ex­pli­car­mos is­so, que tal ver o que sig­ni­fi­ca ca­lor la­ten­te e an­tes dis­so, o ca­lor pro­pri­a­men­te?

Co­mo já vi­mos a de­fi­ni­ção de tem­pe­ra­tu­ra no ítem an­te­ri­or, es­tá na ho­ra de mos­trar que, qu­an­do as pes­so­as di­zem “es­tou com ca­lor” po­dem não fa­zer a me­nor ideia do que es­tão fa­lan­do. Ca­lor é, na ver­da­de, a energia tér­mi­ca em trân­si­to que flui de um cor­po pa­ra o ou­tro de­vi­do a uma di­fe­ren­ça de tem­pe­ra­tu­ra en­tre eles, obe­de­cen­do a se­guin­te lei pa­ra o seu flu­xo: sem­pre do cor­po com mai­or quan­ti­da­de de ca­lor, pa­ra o de me­nor quan­ti­da­de de ca­lor.

Is­so sig­ni­fi­ca que uma pe­dra de ge­lo co­lo­ca­da em um co­po de re­fri­ge­ran­te não irá “es­fri­ar” a be­bi­da, mas o con­trá­rio, o re­fri­ge­ran­te é que ira aque­cer o ge­lo, fa­zen­do com que der­re­ta e se mis­tu­re a ele – por is­so o gos­to “agua­do”. E o ca­lor la­ten­te, que o enun­ci­a­do ci­ta? Ca­lor la­ten­te de uma subs­tân­cia é a quan­ti­da­de de ca­lor ne­ces­sá­ria pa­ra que es­sa subs­tân­cia mu­de de fa­se, no ca­so des­ta ques­tão a água. Além do ca­lor la­ten­te (re­pre­sen­ta­do na fí­si­ca pe­la le­tra “L”, e cu­ja uni­da­de de me­di­da é a ca­lo­ria por gra­ma ou cal/g) há ou­tro pon­to a ser le­van­ta­do, o ca­lor es­pe­cí­fi­co. Es­te tra­ta da ca­pa­ci­da­de que um ma­te­ri­al tem de ele­var um gra­ma de sua mas­sa em um grau Cel­sius. Des­se mo­do, um ma­te­ri­al que pos­sua ele­va­do ca­lor es­pe­cí­fi­co irá de­mo­rar uma mai­or quan­ti­da­de de tem­po pa­ra ga­nhar ca­lor, as­sim co­mo de­mo­ra­rá mais pa­ra li­be­rar ca­lor. E é jus­ta­men­te is­so o que a tor­na um óti­mo re­gu­la­dor tér­mi­co pa­ra

os or­ga­nis­mos vi­vos, já que seu al­to ca­lor es­pe­cí­fi­co a im­pe­de de so­frer gran­des va­ri­a­ções de tem­pe­ra­tu­ra.

A ques­tão a se­guir foi re­ti­ra­da da edi­ção 2009 do Enem e tam­bém se re­fe­re ao tó­pi­co da ca­lo­ri­me­tria, faz re­fe­rên­cia no­va­men­te à uni­da­de de me­di­da Cel­sius, que ex­pli­ca­re­mos mais adi­an­te.

A Cons­te­la­ção Vul­pé­cu­la (Ra­po­sa) en­con­tra-se a 63 anos-luz da Ter­ra, fo­ra do sis­te­ma so­lar. Ali, o pla­ne­ta gi­gan­te HD 189733b, 15% mai­or que Jú­pi­ter, con­cen­tra va­por de água na at­mos­fe­ra. A tem­pe­ra­tu­ra do va­por atin­ge 900 graus Cel­sius. “A água sem­pre es­tá lá, de al­gu­ma for­ma, mas às ve­zes é pos­sí­vel que se­ja es­con­di­da por ou­tros ti­pos de nu­vens”, afir­ma­ram os as­trô­no­mos do Spit­zer Sci­en­ce Cen­ter (SSC), com se­de em Pa­sa­de­na, Ca­li­fór­nia, res­pon­sá­vel pe­la des­co­ber­ta. A água foi de­tec­ta­da pe­lo es­pec­tró­gra­fo in­fra­ver­me­lho, um apa­re­lho do te­les­có­pio es­pa­ci­al Spit­zer.

De acor­do com o tex­to, o pla­ne­ta con­cen­tra va­por de água em sua at­mos­fe­ra a 900 graus Cel­sius. So­bre a va­po­ri­za­ção in­fe­re-se que:

a) se há va­por de água no pla­ne­ta, é cer­to que exis­te água no es­ta­do lí­qui­do tam­bém. b) a tem­pe­ra­tu­ra de ebu­li­ção da água in­de­pen­de da pres­são, em um lo­cal ele­va­do ou ao ní­vel do mar, ela fer­ve sem­pre a 100 graus Cel­sius. c) o ca­lor de va­po­ri­za­ção da água é o ca­lor ne­ces­sá­rio pa­ra fa­zer 1kg de água lí­qui­da se trans­for­mar em 1kg de va­por de água a 100 graus Cel­sius. d) um lí­qui­do po­de ser su­pe­ra­que­ci­do aci­ma de sua tem­pe­ra­tu­ra de ebu­li­ção nor­mal, mas de for­ma ne­nhu­ma nes­se lí­qui­do ha­ve­rá for­ma­ção de bo­lhas. e) a água em uma pa­ne­la po­de atin­gir a tem­pe­ra­tu­ra de ebu­li­ção em al­guns mi­nu­tos, e é ne­ces­sá­rio mui­to me­nos tem­po pa­ra fa­zer a água va­po­ri­zar com­ple­ta­men­te.

A res­pos­ta cor­re­ta ao exer­cí­cio é a al­ter­na­ti­va “c”, já que “ca­lor de va­po­ri­za­ção” sig­ni­fi­ca a quan­ti­da­de de energia ne­ces­sá­ria pa­ra que um mol de uma subs­tân­cia se en­con­tre em equi­lí­brio com o seu pró­prio va­por. Des­sa for­ma, pa­ra que a mas­sa de 1kg de água no es­ta­do lí­qui­do pos­sa atin­gir o es­ta­do de equi­lí­brio com a mas­sa de 1kg de va­por é ne­ces­sá­rio que es­ta atin­ja o ca­lor de va­po­ri­za­ção.

No­va­men­te, a tem­pe­ra­tu­ra apa­re­ce me­di­da em graus Cel­sius, por quê? An­tes de mais na­da, uma aten­ção ao no­me do ins­tru­men­to res­pon­sá­vel por me­dir a di­fe­ren­ça de tem­pe­ra­tu­ra en­tre dois cor­pos: o termô­me­tro. Tra­ta-se da ado­ção de um re­fe­ren­ci­al pa­ra a men­su­ra­ção de uma gran­de­za. Uti­li­za­mos três es­ca­las ter­mo­mé­tri­cas pa­ra me­dir a tem­pe­ra­tu­ra: Cel­sius, Kel­vin e Fa­re­nheit. Não exis­tem ape­nas es­tas três e na­da im­pe­de que vo­cê mes­mo crie sua es­ca­la de me­di­das pa­ra a tem­pe­ra­tu­ra, o pro­ble­ma é cair no ve­lho er­ro da NA­SA e sua son­da en­vi­a­da a Mar­te que já ci­ta­mos, lem­bra-se?

Pois bem, va­mos fi­car com as uni­da­des de me­di­das no SI e seus re­fe­ren­ci­ais, que são as me­di­das de fu­são do ge­lo e de ebu­li­ção da água, co­mo vo­cê po­de ver na ta­be­la. E co­mo é pos­sí­vel con­ver­ter um va­lor de uma es­ca­la ter­mo­mé­tri­ca pa­ra ou­tra? Sim­ples, lem­bran­do­se da re­pre­sen­ta­ção que ado­ta­mos na ta­be­la aci­ma pa­ra ca­da es­ca­la, bas­ta subs­ti­tuir e efe­tu­ar as se­guin­tes con­tas:

Ago­ra, vo­cê per­ce­be­rá co­mo fi­ca bem mais fá­cil re­sol­ver es­ta ques­tão a se­guir, da edi­ção 2009 do Enem que foi can­ce­la­da.

Em gran­des me­tró­po­les, de­vi­do a mu­dan­ças na su­per­fí­cie ter­res­tre – as­fal­to e con­cre­to em ex­ces­so, por exem­plo – for­mam-se ilhas de ca­lor. A res­pos­ta da at­mos­fe­ra a es­se fenô­me­no é a pre­ci­pi­ta­ção con­vec­ti­va. Is­so ex­pli­ca a vi­o­lên­cia das chu­vas em São Pau­lo, on­de as ilhas de ca­lor che­gam a ter 2 a 3 graus cen­tí­gra­dos de di­fe­ren­ça em re­la­ção ao seu en­tor­no. Re­vis­ta Ter­ra da Gen­te. Ano 5, nº 60, Abril 2009 (adap­ta­do).

[Ar­ti­go I.cor­reio Bra­zi­li­en­se, 11 dez. 2008 (adap­ta­do)].

As ca­rac­te­rís­ti­cas fí­si­cas, tan­to do ma­te­ri­al co­mo da es­tru­tu­ra pro­je­ta­da de uma edi­fi­ca­ção, são a ba­se pa­ra com­pre­en­são de res­pos­ta da­que­la tec­no­lo­gia cons­tru­ti­va em ter­mos de con­for­to am­bi­en­tal. Nas mes­mas con­di­ções am­bi­en­tais (tem­pe­ra­tu­ra, umi­da­de e pres­são), uma qua­dra te­rá me­lhor con­for­to tér­mi­co se:

a) pa­vi­men­ta­da com ma­te­ri­al de bai­xo ca­lor es­pe­cí­fi­co, pois quan­to me­nor o ca­lor es­pe­cí­fi­co de de­ter­mi­na­do ma­te­ri­al, me­nor se­rá a va­ri­a­ção tér­mi­ca so­fri­da pe­lo mes­mo ao re­ce­ber de­ter­mi­na­da quan­ti­da­de de ca­lor. b) pa­vi­men­ta­da com ma­te­ri­al de bai­xa ca­pa­ci­da­de tér­mi­ca, pois quan­to me­nor a ca­pa­ci­da­de tér­mi­ca de de­ter­mi­na­da es­tru­tu­ra, me­nor se­rá a va­ri­a­ção tér­mi­ca so­fri­da por ela ao re­ce­ber de­ter­mi­na­da quan­ti­da­de de ca­lor. c) pa­vi­men­ta­da com ma­te­ri­al de al­ta ca­pa­ci­da­de tér­mi­ca, pois quan­to mai­or a ca­pa­ci­da­de tér­mi­ca de de­ter­mi­na­da es­tru­tu­ra, me­nor se­rá a va­ri­a­ção tér­mi­ca so­fri­da por ela ao re­ce­ber de­ter­mi­na­da quan­ti­da­de de ca­lor. d) pos­suir um sis­te­ma de va­po­ri­za­ção, pois am­bi­en­tes mais úmi­dos per­mi­tem uma mu­dan­ça de tem­pe­ra­tu­ra len­ta, já que o va­por d'água pos­sui a ca­pa­ci­da­de de ar­ma­ze­nar ca­lor sem gran­des al­te­ra­ções tér­mi­cas, de­vi­do ao bai­xo ca­lor es­pe­cí­fi­co da água (em re­la­ção à ma­dei­ra, por exem­plo). e) pos­suir um sis­te­ma de suc­ção do va­por d'água, pois am­bi­en­tes mais se­cos per­mi­tem uma mu­dan­ça de tem­pe­ra­tu­ra len­ta, já que o va­por d'água pos­sui a ca­pa­ci­da­de de ar­ma­ze­nar ca­lor sem gran­des al­te­ra­ções tér­mi­cas, de­vi­do ao bai­xo ca­lor es­pe­cí­fi­co da água (em re­la­ção à ma­dei­ra, por exem­plo).

Ve­ja que enun­ci­a­do im­por­tan­te pa­ra quem mo­ra em uma gran­de ci­da­de ho­je em dia! Nos­sa qua­li­da­de de vi­da é um as­sun­to mui­to, mui­to im­por­tan­te, mas vo­cê já o ha­via re­la­ci­o­na­do ao pla­ne­ja­men­to ur­ba­no des­ta for­ma? Pois é, de­ve­ría­mos pen­sar mais nis­so! A al­ter­na­ti­va cor­re­ta pa­ra es­ta lin­da ques­tão con­cei­tu­al é a “c”, uma vez que, ao fa­lar­mos so­bre ca­pa­ci­da­de tér­mi­ca e va­ri­a­ção tér­mi­ca, es­ta­mos li­dan­do com du­as gran­de­zas in­ver­sa­men­te pro­por­ci­o­nais, ou se­ja, na me­di­da em que a ca­pa­ci­da­de tér­mi­ca au­men­tar, a va­ri­a­ção tér­mi­ca so­fri­da di­mi­nui­rá.

Ve­ja­mos ou­tro ca­so sim­ples de ques­tão do Enem en­vol­ven­do ca­lor e as pro­pri­e­da­des fí­si­cas da ma­té­ria. A ques­tão foi re­ti­ra­da da pro­va va­za­da de 2009.

De ma­nei­ra ge­ral, se a tem­pe­ra­tu­ra de um lí­qui­do co­mum au­men­ta, ele so­fre di­la­ta­ção. O mes­mo não cor­re com a água, se ela es­ti­ver a uma tem­pe­ra­tu­ra pró­xi­ma a seu pon­to de con­ge­la­men­to. O grá­fi­co mos­tra co­mo o vo­lu­me es­pe­cí­fi­co (in­ver­so da den­si­da­de) da água va­ria en­tre 0 0C e 10 0C, ou se­ja, nas pro­xi­mi­da­des do pon­to de con­ge­la­men­to da água.

A par­tir do grá­fi­co, é cor­re­to con­cluir que o vo­lu­me ocu­pa­do por cer­ta mas­sa de água:

a) di­mi­nui em me­nos de 3% ao se res­fri­ar de 1000C a 00C. b) au­men­ta em mais de 0,4% ao se res­fri­ar de 40C a 00C. c) di­mi­nui em me­nos de 0,04% ao se aque­cer de 00C a 40C. d) au­men­ta em mais de 4% ao se aque­cer de 40C a 90C. e) au­men­ta em me­nos de 3% ao se aque­cer de 00C a 1000C.

HINRICHS. R. A.; KLEIN­BA­CH, M. Energia e meio am­bi­en­te. São Pau­lo: Pi­o­nei­ra Thom­son Le­ar­ning, 2003 (adap­ta­do).

HINRICHS, L. A.; KLEIN­BA­CH, M. Energia e meio am­bi­en­te. São Pau­lo: Pi­o­nei­ra Thom­son Le­ar­ning, 2003 (adap­ta­do).

Dis­po­ní­vel em: http://www.anau­ger.com.br. Aces­so em: 19 mai.2009 (adap­ta­do).

HINRICHS, R. A. Energia e Meio Am­bi­en­te. São Pau­lo: Pi­o­nei­ra Thom­son Le­ar­ning, 2003 (adap­ta­do).

KAKALIOS, J. The Phy­sics of Su­perhe­ro­es. Gotham Bo­oks, USA, 2005.

HALLIDAY & RESNICK. Fun­da­men­tos de Fí­si­ca: Gra­vi­ta­ção, on­das e ter­mo­di­nâ­mi­ca. v. 2. Rio de Ja­nei­ro: Li­vros Téc­ni­cos e Ci­en­tí­fi­cos, 1991.

Newspapers in Portuguese

Newspapers from Brazil

© PressReader. All rights reserved.