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Caio Sérgio Calçada • José Luiz Sampaio Caio Sérgio Calçada • José Luiz Sampaio Caio Sérgio Calçada • José Luiz Sampaio
FÍSICA FÍSICA FÍSICA
1 CLÁSSICA 2 CLÁSSICA 3 CLÁSSICA
MECÂNICA TERMOLOGIA, ELETRICIDADE
ÓPTICA E E FÍSICA
ONDAS MODERNA
CF
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S TERMOLOGIA,
I
S
C
I
C ÓPTICA E
A
A
ONDAS
Caio Sérgio Calçada
Bacharel em Matemática e engenheiro eletricista pela
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Professor de Física na rede particular de ensino desde 1968.
José Luiz Sampaio
2
Bacharel em Física pelo Instituto de Física da Universidade
de São Paulo. Professor de Física na rede particular
de ensino desde 1968. OÓT
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Caio Sérgio Calçada José Luiz Sampaio
•
FÍSICA
C L Á S S I C A
2
TERMOLOGIA,
ÓPTICA E
ONDAS
© Caio Sérgio Calçada
José Luiz Sampaio
Copyright desta edição:
SARAIVA S. A. Livreiros Editores, São Paulo, 2012
Rua Henrique Schaumann, 270 – Pinheiros
05413-010 – São Paulo – SP
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
Calçada, Caio Sérgio
Física clássica, 2: termologia, óptica e ondas/Caio
Sérgio Calçada, José Luiz Sampaio. — 1. ed. — São Paulo:
Atual, 2012.
Suplementado pelo manual do professor.
Bibliografia.
ISBN 978-85-357-1554-5 (aluno)
ISBN 978-85-357-1555-2 (professor)
1. Física (Ensino médio) I. Sampaio, José Luiz. II. Título.
12-10621 CDD-530.07
Índice para catálogo sistemático:
1. Física : Ensino médio 530.07
Gerente editorial: Lauri Cericato
Editor: José Luiz Carvalho da Cruz
Editores-assistentes: Tomas Masatsugui Hirayama/Solange Martins/
Alexandre Sanchez/Cátia Akisino
Preparação de texto: Solange Martins
Auxiliares de serviços editoriais: Rafael Rabaçallo Ramos/Eduardo Oliveira Guaitoli/
Guilherme Gaspar/Daniella Haidar Pacifico/Margarete Aparecida de Lima
Digitação e cotejo de originais: Elgo W. P. de Mello/Rosana de Angelo/Vania Maria Biasi/
Guilherme Gaspar/Eliana Akisino/Elillyane Kaori Kamimura/Kendy Baglioni Haibara
Coordenadora de iconografia: Cristina Akisino
Pesquisa iconográfica: Enio Lopes
Revisão: Pedro Cunha Jr. e Lilian Semenichin (coords.)/Luciana Azevedo/Maura Loria/
Eduardo Sigrist/Elza Gasparotto/Aline Araújo/Patricia Cordeiro/Rhennan Santos
Gerente de arte: Nair de Medeiros Barbosa
Assessoria de arte: Maria Paula Santo Siqueira
Assistente de produção e arte: Grace Alves
Projeto gráfico e capa: Ulhôa Cintra Comunicação Visual
Ilustrações: Luiz Augusto Ribeiro/Zapt
Diagramação: Zapt Editora Ltda.
Coordenação de editoração eletrônica: Silvia Regina E. Almeida
Produção gráfica: Robson Cacau Alves
725.235.001.004 Impressão e Acab amento:
Visite nosso site: www.atualeditora.com.br
Central de atendimento ao professor: (0xx11) 3613-3030
O material de publicidade e propaganda reproduzido nesta obra está sendo utilizado para fins didáticos, não
representando qualquer tipo de recomendação de produtos ou empresas por parte dos autores e da editora.
Apresenta•‹o
Apresentamos a nova edição da obra Física Clássica, destinada a alunos do ensino médio. Em relação
às edições anteriores, esta apresenta algumas alterações.
Em primeiro lugar, os cinco volumes da coleção foram totalmente revisados e redimensionados para
esta NOVA VERSÃO em três volumes, respondendo a um pedido dos professores adotantes. Com isso
pretende-se acompanhar a seriação habitual do ensino médio de três anos, facilitando o trabalho cotidiano
de alunos e professores. Para evitar que assuntos e exercícios importantes fossem excluídos, cada volume
é acompanhado de um CD-ROM contendo complementos de teoria, leituras e exercícios complementares.
Em segundo lugar, foi acrescentado o assunto Física Moderna, que está sendo exigido em vários ves-
tibulares de todo o país.
Em terceiro lugar, o assunto Análise Dimensional foi dividido ao longo dos três volumes, já a partir do
capítulo 1 do volume 1. No segundo volume, há um apêndice mostrando como a Análise Dimensional pode
ser usada para prever fórmulas.
Em quarto lugar, foram acrescentados vários itens e leituras sobre:
• aplicações tecnológicas;
• análise de fenômenos naturais;
• descrições de experimentos fundamentais;
• história da Física.
Finalmente, quase todos os capítulos foram reformulados, muitos tipos de exercícios foram acrescenta-
dos, os exercícios de vestibulares foram atualizados e questões do Enem foram incluídas (Exame Nacional
do Ensino Médio).
As características básicas da obra Física Clássica foram mantidas, entre as quais podemos citar:
• a obra é completa e abrange todo o conteúdo do ensino médio;
• a teoria é bastante detalhada e aprofundada;
• a linguagem é simples, sem perder o rigor;
• há um grande número de exercícios resolvidos e propostos que se dividem em: exercícios de aplicação,
exercícios de reforço e exercícios de aprofundamento;
• em cada capítulo há várias séries de exercícios de aplicação e de reforço; todavia, os exercícios de apro-
fundamento formam uma série que é apresentada no fi nal do capítulo;
• em cada volume, além do sumário geral, organizamos um índice remissivo ao fi nal.
A distribuição dos assuntos pelos três volumes (incluindo os CDs) é a seguinte:
• Volume 1: Mecânica (incluindo Fluidomecânica e Gravitação);
• Volume 2: Termologia, Óptica e Ondas;
• Volume 3: Eletricidade e Física Moderna.
Sugestões e críticas a respeito desta obra serão bem-vindas e podem ser enviadas diretamente à Editora.
Os autores
3
Conheça sua obra
Antes de começar o estudo, vamos apresentar a
coleção a você. Ela compreende três volumes, sendo a
estrutura de cada livro composta por: partes, capítulos,
exemplos e exercícios.
A ABERTURA sinaliza, por meio do título
em destaque, o assunto tratado no capítulo.
À direita, um pequeno SUMÁRIO apresenta os
tópicos abordados no capítulo.
O texto procura elucidar todos os pontos
conceituais com clareza e profundidade. A linguagem
rigorosa do ponto de vista físico utiliza inúmeros
EXEMPLOS, visando facilitar a compreensão do aluno.
4
O boxe OBSERVAÇÃO orienta
e traz dicas. Nos espaços laterais
destacam-se elementos GRÁFICOS e
variadas ILUSTRAÇÕES, cuja principal
função é enriquecer, explicar e
contextualizar conceitos e fenômenos
descritos pelos autores.
A obra é rica em qualidade
e quantidade de EXERCÍCIOS,
divididos em três grupos:
Aplicação, Reforço e
Aprofundamento. Para cada
grupo de exercícios propostos
há pelo menos um exercício
resolvido.
5
O boxe LEITURA traz detalhes sobre
inovação tecnológica, biografi a de
personalidades e história da Física.
O boxe PROCURE NO CD orienta para a
leitura de novos textos e a proposta de exercícios
complementares selecionados especialmente para
alunos que já adquiriram alguma autonomia no
estudo da Física e que desejam novos desafi os.
Ao fi nal de alguns capítulos, o boxe
SUGESTÕES DE LEITURA auxilia aqueles que
tenham interesse em se aprofundar no tema.
As indicações podem ser encontradas em
bibliotecas ou livrarias.
6
Sumário
PARTE 1 TERMOLOGIA 8. Dilatação aparente .......................................................44
Correção da leitura ......................................................45
CAPÍTULO 1 Termometria Demonstração da igualdade 2 ......................................46
9. Comportamento anômalo da água ................................48
1. Noção de estado térmico ...............................................12
2. Noção de temperatura ...................................................13
3
Unidade de temperatura ................................................14 CAPÍTULO Calorimetria
3. Equação termométrica ..................................................14 1. O que é calor ...............................................................53
4. Equilíbrio térmico ..........................................................14 2. Energia térmica, calor e diferença de temperatura ...........54
Lei Zero da Termodinâmica .............................................15 Calor .........................................................................54
5. O termômetro e as escalas termométricas .......................16 Energia térmica ...........................................................54
As escalas usuais ..........................................................17 A diferença de temperatura ...........................................55
O termômetro de mercúrio ..............................................17 Unidade da quantidade de calor .....................................55
Graduação de um termômetro de mercúrio ........................17 3. Aquecimento de um corpo ............................................56
6. As escalas relativas usuais .............................................18 4. Cálculo da quantidade de calor sem
A escala Celsius ............................................................18
mudança de fase .........................................................57
A escala Fahrenheit .......................................................19
Relação entre a escala Celsius e a escala Fahrenheit ............19 Capacidade térmica .....................................................57
Variação de temperatura ...............................................20 Calor específico ...........................................................57
Quantidade de calor (aquecimento ou resfriamento) ...........58
7. Kelvin: escala absoluta de temperatura .........................20
Calor específico molar ..................................................59
O zero absoluto ............................................................21
Potência térmica da fonte de calor ..................................60
A escala Kelvin .............................................................21
5. Trocas de calor ............................................................63
8. Termômetro a gás com volume constante .......................24
Balanço energético. Princípio das trocas de calor ................64
Gráfico de calibração do termômetro ...............................25
1°. ponto fixo: PG ......................................................25 6. Mudança de estado .....................................................68
2°. ponto fixo: PV ......................................................25 Nomenclatura de mudança de fase..................................68
A temperatura mínima: zero absoluto ..............................25 Calor de transformação.................................................68
Cálculo da quantidade de calor na mudança de estado........69
CAPÍTULO 2 Dilatação térmica 7. Leis da mudança de estado de agregação ......................70
1. Considerações preliminares...........................................27 4
2. Dilatação linear dos sólidos ..........................................27 CAPÍTULO Mudanças de estado
Unidade do coeficiente de dilatação linear ........................28 1. Os estados de agregação da matéria .............................76
Tabela do coeficiente de dilatação linear ..........................28 2. Diagrama de fases .......................................................77
Cálculo do comprimento final .........................................29 Ponto triplo ................................................................78
A dilatação pode afetar medidas de comprimento ..............29
Como usar o diagrama de fase .......................................78
3. Dilatação superficial dos sólidos ....................................34 ←
3. Transição sólido → líquido ............................................81
4. Dilatação volumétrica ou cúbica dos sólidos ...................36 Substâncias que se expandem na fusão .............................81
Cavidades ..................................................................37 Substâncias que se contraem na fusão ..............................81
5. Dilatação dos sólidos anisótropos ..................................38 Regelo .......................................................................82
6. Variação da densidade com a temperatura .....................39 Experimento de Tyndall .................................................83
7. Dilatação térmica dos líquidos........................................41 4. Sobrefusão ..................................................................83
7
7
5. Transição líquido ←→ vapor ............................................86 CAPÍTULO As leis da Termodinâmica
Ponto crítico (C) ..........................................................86 1. Trabalho numa transformação gasosa...........................147
Gás e vapor ................................................................86 2. Energia interna de um gás ideal ...................................147
6. Influência da pressão na temperatura 3. Primeira Lei da Termodinâmica ....................................151
de ebulição .................................................................87 4. Transformação isotérmica ............................................153
O superaquecimento ....................................................88
5. Transformação isocórica ..............................................155
7. Evaporação .................................................................88 Calor específico a volume constante ...............................155
Umidade relativa do ar..................................................89 Calor molar a volume constante .....................................155
8. Pressão de vapor .........................................................89 Calor molar de um gás monoatômico ..............................155
←
9. Transição sólido → vapor .............................................90 6. Transformação isobárica ..............................................157
Expansão isobárica .....................................................157
CAPÍTULO 5 Transmissão de calor Contração isobárica ....................................................157
Calor específico a pressão constante ..............................158
1. Transmissão de calor por condução ...............................98 7. Relação entre C e C ..................................................158
Lei de Fourier ..............................................................99 Relação de MayVer ....P...................................................158
2. Transmissão de calor por convecção .............................103 8. A Lei de Joule e o calor molar.......................................164
Brisas marítimas .........................................................104
9. Transformação adiabática ............................................164
Inversão térmica .........................................................105
Expansão adiabática ...................................................165
3. Transmissão de calor por irradiação ..............................106 Compressão adiabática ................................................165
4. Leis da irradiação ........................................................108 Diagrama de uma transformação adiabática .....................165
5. Algumas aplicações das leis da irradiação .....................109 Equação de Poisson ....................................................165
O paradoxo da túnica negra ..........................................110 10. Transformação cíclica ..................................................167
Conforto térmico em um recinto ....................................110 Ciclos horários e anti-horários .......................................167
Termogramas e dispositivos automáticos .........................110 11. Máquinas térmicas ......................................................170
Estufas .....................................................................111 Máquina a vapor ........................................................171
O aquecimento solar ...................................................111 Motor a explosão .......................................................172
A garrafa térmica ........................................................112 Máquinas térmicas e poluição .......................................173
6. Balanço energético da Terra .........................................112 12. O Ciclo de Carnot ........................................................174
Aquecimento global ....................................................113
13. Refrigeradores, condicionadores de ar e
6 bombas de calor .........................................................177
CAPÍTULO Lei dos Gases Ideais Bombas de calor .........................................................178
1. O mol e a massa molar ................................................118 Bombas de calor versus aquecedor elétrico ......................178
O mol .......................................................................119 Coeficiente de desempenho ..........................................179
Massa molar ..............................................................119 Refrigeradores e bombas de Carnot ................................180
2. O gás ideal .................................................................122 O mecanismo de um refrigerador ...................................180
3. A Lei de Boyle.............................................................122 14. A Segunda Lei da Termodinâmica .................................182
4. As Leis de Charles/Gay-Lussac ......................................123 Irreversibilidade e desordem .........................................182
Entropia ....................................................................184
Transformação isobárica ..............................................124
A morte térmica .........................................................184
Transformação isocórica ...............................................124
5. Lei Geral dos Gases Ideais ...........................................125 PARTE 2 ÓPTICA
6. Equação de Clapeyron .................................................129
8
Unidades de R............................................................130 CAPÍTULO Os princípios da Óptica
Estado normal e volume molar de um gás ........................130 Geométrica
7. Densidade de um gás ideal ..........................................130
1. Raios de luz e feixes de luz ..........................................188
8. Teoria cinética dos gases .............................................136
2. Fontes de luz ..............................................................189
Velocidade média e velocidade quadrática média ..............136
Velocidade da luz .......................................................189
Energia cinética de um gás ideal ....................................137
Ano-luz ....................................................................189
Energias cinéticas de translação e rotação .......................139
Distribuição das velocidades das moléculas ......................139 3. Classificação dos meios ...............................................190
Os gases da atmosfera terrestre .....................................140 4. Fenômenos da Óptica Geométrica ................................191
O movimento browniano ..............................................140 5. A cor de um corpo ......................................................192
Livre caminho médio ...................................................141 A cor do céu ..............................................................192
8
