O modelo corpuscular da matéria
Tudo é composto por partículas. Sua energia, separação e movimento explicam os estados da matéria, aquecimento e resfriamento, e por que pontes necessitam de juntas de expansão. A quarta unidade da OxfordAQA constrói o modelo e o quantifica: calor específico, calores latentes (P), evaporação, projeto de transferência de energia e expansão térmica.
OxfordAQA International GCSE Física 9203, tópico 3.4 (Versão 5.1). As afirmações marcadas (P) são apenas da Prova-2.
Teoria cinética
Capacidade térmica específica c é a energia para elevar 1 kg de uma substância em 1 °C:
Exemplo resolvido. Aquecer 1.5 kg de água ($c = 4200$) em 40 °C: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ J.
(P) Mudança de estado requer energia sem alteração de temperatura: calor latente de vaporização $E = m \times L_V$ (líquido → vapor) e calor latente de fusão $E = m \times L_F$ (sólido → líquido). Impurezas alteram pontos de fusão e ebulição. Prática exigida (P): curva de resfriamento para ácido esteárico.
Transferências de energia e movimento das partículas
Condução transmite energia por um sólido por vibração das partículas, auxiliada por elétrons livres nos metais; isolantes não possuem elétrons de condução móveis, então a transferência de energia por vibrações é mais lenta. Convecção circula fluidos: as partículas ganham energia, afastam-se, o fluido torna-se menos denso e sobe, enquanto o fluido mais frio desce. Evaporação transforma moléculas rápidas da superfície em vapor, resfriando o restante — mais rápida com maior temperatura, maior área superficial, correntes de ar e menor umidade; condensação inverte esse processo.
A taxa de transferência de energia por aquecimento aumenta com a área superficial e volume, material, superfície em contato e diferença de temperatura. O projeto segue: aletas de resfriamento maximizam a área; tamanho relativo das orelhas dos animais corresponde ao clima. A maioria das substâncias expande ao aquecer — perigo para telhados e pontes (juntas e roletes), útil no termostato de lâmina bimetálica que se dobra quando um metal expande mais e interrompe o circuito.
Verifique você mesmo
- Descreva o arranjo das partículas em um líquido.
- Defina capacidade térmica específica.
- Calcule a energia para aquecer 2 kg de alumínio (c = 900) em 30 °C.
- (P) Por que a temperatura permanece constante enquanto uma substância congela?
- (P) 0.5 kg de uma substância tem L_F = 330 000 J/kg. Calcule a energia para fundi-la.
- Explique a condução em metais, citando os portadores extras.
- Explique por que a água quente sobe.
- Cite três fatores que aceleram a evaporação.
- Dê um perigo e uma aplicação da expansão térmica.
- Por que as aletas de resfriamento têm grande área superficial?
Respostas: 1 partículas tocam mas estão dispostas aleatoriamente, movendo-se umas sobre as outras; 2 a energia necessária para alterar a temperatura de 1 kg da substância em 1 °C; 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ J; 4 (P) a energia liberada quando as ligações se formam (calor latente de fusão) sai à mesma taxa em que é removida, mantendo a energia cinética das partículas inalterada; 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ J; 6 partículas vibrantes transmitem energia aos vizinhos, e elétrons livres transportam energia rapidamente pelo metal; 7 as partículas mais quentes afastam-se, tornando essa água menos densa que seus arredores, assim ela sobe; 8 temperatura mais alta, maior área superficial, movimento de ar sobre a superfície (também menor umidade); 9 perigo — expansão de pontes/tetos exige juntas; uso — a tira bimetálica dobrável em um termostato; 10 maior área transfere energia para os arredores mais rápido através do aquecimento.