A Física (térmica) na construção de Ferrovias

Nesse trimestre trabalhei com meus alunos do 9o ano conceitos iniciais sobre a forma de energia mais comum que existe em todo o universo: a energia térmica,  mais conhecida por (ou na sua forma de) "calor".

 

Esse post é uma espécie de divulgação de ciência, pelo qual pretendo mostrar como os conhecimentos simples (e as vezes até ingênuos) que vimos em sala são realmente importantes quando aplicados com intuito de superar limites.

Para compreender essa ideia, assista ao vídeo "A ferrovia mais alta do mundo", da série "Obras Incríveis" do canal NatGeo, que incorporo ao final do post. Ela relata o esforço para a construção da ferrovia mais alta do mundo, que corta o Himalia ao norte da China.   Clique aqui para ler uma reportagem sobre essa obra.

Adoro assistir TV! Sempre atento, achei esse documentário fisicamente riquíssimo para o conteúdo desse bimestre.  Mas para aqueles que não tem o prazer de assistirem minhas aulas, ai vai um breve resumo do conteúdo.. leia com atenção e depois vejam no documentário como eles são aplicados para superar as barreiras naturais que desafiam a construção dessa ferrovia chinesa que liga Pequim (beijing) ao planalto tibetano (veja o mapa ao lado). Essa é uma das regiões mais altas do mundo: o monte Himalaia está na divisa da Mongólia com a China.

Termologia: ramo da física que estuda a energia térmica  e suas interações com a matéria. 
As idéias sobre Calor e Temperatua são tão presentes em nosso cotidiano que frequentemente as confundimos. Ambos relacionam-se conceitualmente com a forma de energia mais simples e comum da natureza: a Energia Térmica.  Basicamente essa forma de energia pode ser transferida ou armazenada entre os corpos.. 

A quantidade de energia térmica armazenada em um corpo é chamada de Temperatura, que medimos com um termômetro. As partículas (átomos) que constituem o corpo armazenam essa energia  na forma de energia cinética de seus constituintes (eletrons, prótons e nêutrons se agitam). Quanto maior a temperatura de um corpo, maior será a agitação de suas moléculas.

A figura abaixo ilustra as extremidades de um material: observe que cada lado está a uma temperatura diferente (e por isso seus átomos possuem estados de agitação diferentes).

Quando 2 ou mais corpos que estao a temperaturas diferentes interagem, eles trocam (compartilham) energia térmica na forma chamada de calor. Esse processo ocorre até alcançarem a mesma temperatura, ou seja, possuirem a mesma quantidade dessa energia térmica. Quando a troca de calor pára, dizemos que os corpos atingiram o equilíbrio térmico (ou seja, estão a mesma temperatura).

Então se liga ai: fisicamente o correto é dizer que um corpo possui temperatura (medida da energia térmica armazenada nele), e troca calor com outros (energia térmica transferida)

O Calor pode ser trocado de 3 maneiras, como as ilustradas na figura ao lado. Numa fonte de calor como o fogo podemos experimentar todas elas de uma só vez!

Por Condução, processo que exige contato físico entre os átomos dos materiais. É por isso o mais comum entre os sólidos.

Por Conveção, processo de troca de calor com a movimentação de matéria. Na figura, o fogo aquece o ar que sobe até a mão. Comum entre liquidos e gases.

Por Irradiação, transmissão sem contato físico nem meio material, na forma de radiação eletromagnética (infravermelha).  Não exige matéria mas todos os corpos irradiam calor dessa forma. O fogo irradia calor, assim como o Sol.

Ao trocar calor, um corpo basicamente pode:  

* variar de temperatura (efeito mais comum). Quando isso ocorre dizemos que o calor é do tipo Sensível, pois é possível sentir ( medir) a variação da temperatura.  Cada material possui um valor específico para essa grandeza, representada pela letra "c" e  chamada de calor específico (quantidade de calor necessário para elevar em 1°C a temperatura de 1g de certa substância). Ela é medida em cal/g°C

* alterar em suas dimensões (efeito macroscópico). Esse fato é chamado de dilatação, e sua causa é a simples necessidade de "espaço" para que suas moléculas que estão mais agitadas possam movimentar-se (efeito microscópico) . Aliás é por isso que toda construção deve possuir vãos livres para que seus constituintes possam ter espaço de sobra para dilatar e não quebrar  (ao assistir ao vídeo entenda como isso está relacionado com a ferrovia);

* mudar de estado físico, alterando sua  estrutura interna pois suas moléculas ficam mais ou menos agitadas com o ganho de energia. Quando isso ocorre dizemos que o calor é do tipo Latente, uma vez que fica guardado, armazenado no material, que emprega essa energia para alterar a disposição de seus átomos (como ilustra a imagem abaixo). As diversas mudanças de estados de um material  ocorrem com quantidades de calor diferentes. Essa é uma característica de cada material e é chamada de Calor Latente,  é representado pela letra "L", cuja unidade é cal/g.

Aproveito para destacar 2 outras consequências da troca de calor não tão comuns:

* alterar sua cor ( como os carrinhos Hotwheels colorshift  ou os esmaltes de unha que mudam de cor - eu tenho desses!!)

* liberar elétrons, "gerando" assim eletricidade. Esse efeito está presente em nossos ossos e tendões. A turmalina (silicato de boro e alumínio, de cor verde) é um mineral que possui esse efeito. Materiais assim são chamados de piroelétricos e são focos de estudos atuais dessa área.

Por fim, falta dizer ainda que materiais diferentes conseguem guardar quantidades diferentes de energia térmica em sua estrutura. Essa característica é chamada de  capacidade térmica de um material, e depende do material que o forma e de sua massa.  

 (dava para falar muito ainda sobre esse tema..mas por hora basta..)

Muito bem. Sabendo de tudo isso o que dá para fazer?? ("pra que serve isso", podem pensar alguns...)Dá para superar barreiras naturais!  (e muitas outras coisas que depois eu conto..)

Agora que você teve uma noção do básico, dá para entender como um físico aplica esses conhecimentos.  Assista ao video abaixo e veja como esses simples conhecimentos são aplicados em conjunto na prática!

Obras Incríveis: A ferrovia mais alta do mundo National Geographics (2010)

E ai: o que achou? (lembre-se que a prova é na segunda-feira....)