A TEMPERATURA E SEUS EFEITOS

Temperatura
A temperatura é uma das grandezas físicas mais conhecidas e citadas atualmente. Todos os dias as pessoas lêem em jornais, ouvem no rádio ou vêem na televisão os boletins meteorológicos indicando as temperaturas máximas e mínimas para a sua região. Ajustamos a temperatura do forno do fogão e do aparelho de ar condicionado e verificamos nossa temperatura corporal quando estamos nos sentindo febris. Como podemos ver, a temperatura pode ser percebida de várias maneiras, entretanto, ela nos traz a informação de quão quente ou frio está um determinado corpo em relação a um outro corpo de referência, ou ainda como o indicador do sentido da troca de energia na forma de calor entre o corpo e sua vizinhança.
São as sensações táteis de “quente” e de “frio” que nos transmitem a primeira noção de temperatura. Dizemos então que quanto mais quente é um corpo, maior é a sua temperatura.
É do nosso conhecimento que, ao tocarmos com a mão uma porta de madeira e a maçaneta de metal, ambas à mesma temperatura, temos sensações térmicas diferentes. A avaliação de uma temperatura por intermédio do tato merece pouca confiança. Vemos assim que, para avaliar a temperatura com certo rigor, temos que recorrer a outros efeitos.
Do ponto de vista microscópico, a temperatura está associada à energia cinética média de translação das partículas (átomos, moléculas ou íons). Análises microscópicas mostram que qualquer corpo, seja ele sólido, líquido ou gasoso, é composto por partículas em constante agitação. Para um mesmo estado físico, a agitação das partículas está relacionada com a temperatura. Assim, a temperatura está intimamente ligada à energia cinética média das partículas que compõem o corpo. Uma temperatura mais alta indica maior agitação das partículas e, portanto, maior energia cinética média.
O físico irlandês William Thomson (Lorde Kelvin) chegou à conclusão de que havia uma temperatura mínima possível, que recebeu o nome de zero absoluto e seria atingida quando todas as partículas de um corpo estivessem imóveis. Sabemos hoje que quando um corpo é resfriado continuamente, os átomos não chegam a ficar completamente imóveis, ou seja, a energia cinética das moléculas do sistema tende a um valor mínimo e não nulo, mas atingem um estado no qual é impossível extrair mais energia do corpo; essa é a definição moderna de zero absoluto, corresponde à temperatura de zero kelvin equivalente à -273 ºC.

Provocação 1- Quanto maior a temperatura de um corpo, mais calor ele possui?
A resposta é não. A temperatura é uma grandeza física que está relacionada com a energia cinética média das moléculas do corpo, enquanto o calor é uma forma de energia em trânsito (movimento). Portanto, não tem sentido falar em calor de um corpo. No dia-a-dia, quando alguém diz que está com calor, na verdade ele se refere à sensação térmica. O nosso organismo, quando se encontra em um ambiente à temperatura menor que 36ºC, está liberando continuamente energia na forma de calor. Se as condições atmosféricas do ambiente (umidade relativa do ar, temperatura, etc.) não favorecerem ao organismo ceder o excesso de energia para o ambiente, dizemos que estamos com “calor”.
Provocação 2- Pode-se dizer que a temperatura é a medida da quantidade de calor de um corpo?
Devemos observar que o termo calor só pode se usado para indicar a energia que passa de um corpo para outro (em trânsito) devido exclusivamente a uma diferença de temperatura. Não podemos, portanto, dizer que um corpo “possui calor” ou que “a temperatura é uma medida do calor de um corpo”. A absorção de calor por um corpo acarreta um aumento da sua energia interna, mas não obrigatoriamente na sua temperatura (por exemplo, durante uma mudança de fase, a temperatura permanece constante apesar de o corpo receber calor).


Aplicação Tecnológica: Termografia
A Termografia é um procedimento que permite mapear um corpo ou região para distinguir as diferentes temperaturas. Ela é uma ferramenta de diagnóstico e monitoração para a medicina e a engenharia.
A Termografia pode ser entendida como um método de detecção da distribuição da energia térmica emitida pela superfície de um corpo ou de uma região. Trata-se de uma modalidade com várias aplicações, começou por ser usada e desenvolvida para fins militares e de investigação espacial. Na década de 50 já era usada na medicina e na medicina veterinária como ferramenta de auxílio ao diagnóstico e monitoração da recuperação. Também é muito utilizada nas áreas da engenharia civil, automotiva, aeronáutica, mecânica e eletrotécnica.
Como exemplo de aplicações na medicina e na medicina veterinária podemos citar a determinação de problemas circulatórios, a localização de infecções, a análise de danos musculares e o estudo de problemas de locomoção. As infecções alteram a distribuição térmica tópica devido à variação na irrigação sangüínea do tecido, provocando uma variação de temperatura.

Calor e equilíbrio térmico
Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contato, inicia-se um processo de transferência de energia do corpo mais quente (o que tem maior temperatura) para o corpo mais frio (o que tem menor temperatura). Esse processo ocorre naturalmente e a energia transferida é, como já citamos, chamada calor. Como resultado da transferência de energia, a temperatura do corpo mais quente pode diminuir e a do corpo mais frio pode aumentar. O processo de transferência de energia acaba quando os dois corpos atingem a mesma temperatura, ou seja, quando os dois corpos atingem o equilíbrio térmico.
Na situação inicial da Figura 2, o corpo A está a uma temperatura superior à do corpo B. Postos em contato e isolados do meio externo, os dois corpos acabam por atingir a mesma temperatura final.

Quando colocamos uma lata de refrigerante no interior de um refrigerador (Figura 3), normalmente a lata está mais quente do que o interior do refrigerador. Então o refrigerante vai esfriando até atingir a temperatura do interior do refrigerador. A partir daí não existe mais condições para a transferência de energia na forma de calor.
Para medir a temperatura de um corpo colocamos um termômetro em contato com ele. Se as temperaturas do corpo e do termômetro forem diferentes, a temperatura indicada pelo termômetro varia até se fixar em um determinado valor. Nesse instante o termômetro está em equilíbrio térmico com o corpo e a temperatura indicada é a temperatura comum do corpo e do termômetro.

Quando uma panela com água é aquecida em um fogão a gás, a água aquece, mas a chama não esfria em resultado desse aquecimento. De fato a temperatura da chama mantém-se constante, pois fornece energia através da combustão de gás natural. Quando uma substância é aquecida, a temperatura geralmente aumenta, mas podem ocorrer situações em que a temperatura não varie. Nesse caso podemos estar diante de uma mudança de fase, como por exemplo, a fusão e a ebulição da água. Esse assunto será discutido posteriormente.

A medida da temperatura corporal
A avaliação da temperatura do corpo humano é muito importante, pois muitas doenças, como por exemplo os resfriados, podem produzir um aumento da temperatura corporal. A febre é a elevação da temperatura do corpo acima dos valores normais para o indivíduo. São aceitas como indicadores de febre as temperaturas acima de 37,5º C. Há também situações de anormalidade em que a temperatura diminui abaixo de 35 ºC de modo não intencional, caracterizando uma hipotermia.
Os termômetros utilizados na medida da temperatura corporal são chamados termômetros clínicos (Figura 8). Atualmente, existem no mercado vários tipos desses termômetros, a maior parte digital. Entretanto, ainda é muito usado o termômetro clínico de mercúrio. Os termômetros clínicos de mercúrio apresentam junto ao bulbo, no início do tubo capilar, um estrangulamento que não impede a passagem do mercúrio quando a temperatura sobe, porém, quando a temperatura baixa, o mercúrio não pode passar para o bulbo, ficando indicada a temperatura máxima atingida. Portanto, trata-se de um termômetro de máxima. Para ser usado novamente, o termômetro deve ser sacudido para que o mercúrio volte para o bulbo.
Quando colocamos a extremidade do termômetro clínico em contato com o corpo, o líquido no interior do tubo capilar desloca-se de acordo com a temperatura do corpo. É importante notar que, após colocar o termômetro sob o braço, precisamos esperar alguns minutos. Esse tempo é necessário para que se estabeleça o equilíbrio térmico entre o corpo e o termômetro. Assim, o termômetro vai indicar exatamente a temperatura do corpo. Para "ler" a temperatura, basta verificar onde a extremidade da coluna de mercúrio se encontra, utilizando a escala termométrica.

Pontos fixos
É possível mostrar que, sob certas condições, alguns fenômenos físicos sempre ocorrem à mesma temperatura, e que, durante o fenômeno, a temperatura permanece constante.
As temperaturas em que tais fenômenos acontecem são denominadas pontos fixos. Dois desses pontos fixos são particularmente importantes para o estudo da Termometria: o ponto de fusão do gelo e o ponto de ebulição da água.
Ponto de fusão do gelo, ou ponto de gelo, é a temperatura do gelo fundente (gelo e água em equilíbrio térmico) sob pressão normal.
Ponto de ebulição da água é a temperatura da água em ebulição sob pressão normal. A ebulição se caracteriza pela formação de bolhas de vapor no interior da massa líquida.

Em 1724 Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736) usou o mercúrio como líquido do termômetro. A expansão térmica do mercúrio é grande e uniforme. Ele não adere ao vidro e permanece líquido em um grande intervalo de temperaturas (de -39ºC até 357ºC). Sua aparência metálica facilita a leitura.

Escala Celsius
Para se conseguir que termômetros diferentes marquem a mesma temperatura, nas mesmas condições, é necessário se estabelecer um padrão comum para eles, ou seja, uma escala termométrica. Na escala Celsius são escolhidas duas referências: uma é a temperatura de fusão do gelo e a outra é a da ebulição da água (na pressão de uma 1 atm).
Nessa escala, são atribuídos os valores 0 (zero) para o ponto de gelo e 100 (cem) para o ponto de vapor. Divide-se o intervalo entre os dois pontos fixos (denominado intervalo fundamental) em cem partes iguais. Cada uma dessas partes constitui a unidade da escala, denominada grau Celsius (símbolo ºC). Portanto, o grau Celsius corresponde a um centésimo do intervalo fundamental.

Escala Fahrenheit
Outra escala, que ainda é usada em países de língua inglesa, é a escala Fahrenheit, em que o zero (0ºF) foi escolhido para a temperatura de um certo dia muito frio na Islândia e o cem (100ºF) para a temperatura média corporal de uma pessoa.
Os valores atribuídos, nessa escala, para o ponto de gelo e o ponto de vapor são, respectivamente, 32 (trinta e dois) e 212 (duzentos e doze). O intervalo fundamental é dividido em 180 (cento e oitenta) partes iguais, cada uma das quais constitui o grau Fahrenheit (símbolo: ºF). Assim, o grau Fahrenheit corresponde a 1/180 do intervalo fundamental.

Escala Absoluta Kelvin
Teoricamente, não existe nenhum limite superior de temperatura, isto é, não há um estado térmico que possa ser considerado mais quente que todos os demais.
No entanto, é possível demonstrar que existe um limite inferior de temperatura, ou seja, um estado térmico onde as moléculas apresentam a menor agitação térmica possível. A esse estado térmico dá-se o nome de zero absoluto, conforme citado anteriormente. Embora seja inatingível na prática, foi possível chegar, através de considerações teóricas e experimentais, à conclusão de que o zero absoluto corresponde, nas escalas relativas usuais, a – 273,15 ºC (usaremos o valor aproximado de – 273 ºC) e – 459,67ºF.
Embora a criação das escalas absolutas envolva considerações mais complexas de Termodinâmica, nessa altura podemos definir escala absoluta como sendo qualquer escala termométrica que tenha origem no zero absoluto. A cada escala relativa podemos fazer corresponder uma escala absoluta que possua a mesma unidade. À escala Fahrenheit corresponde a escala Rankine, cujo grau termométrico (ºR) é igual ao grau Fahrenheit (ºF). Não estudaremos por ser de pouca aplicação prática entre nós. A escala absoluta Kelvin, que tem origem no zero absoluto (-273ºC, aproximadamente) e unidade denominada kelvin (símbolo: K), é igual ao grau Celsius.

ENERGIA

A origem do termo energia é a palavra grega “érgon”, que significava trabalho. Assim, “en + érgon” queria dizer, na Grécia Antiga, "em trabalho", "em atividade", "em ação”.
Energia é um termo muito usado nos meios de comunicação e tem um significado especial para a ciência e a tecnologia. É comum ouvirmos, no dia-a-dia, frases do tipo: “as crianças têm muita energia”, “a energia dos cristais”, “aquela pessoa tem uma energia negativa”, “algumas plantas trazem energia positiva para a casa”. Na ciência, o termo energia tem um significado especial que, na maioria das vezes, pode não coincidir com o uso cotidiano.
A energia é uma grandeza particularmente importante, porque está relacionada com os mais diversos fenômenos. Na verdade todos os fenômenos que ocorrem na natureza envolvem transformações de energia. Enquanto caminhamos ou lemos um livro, estamos transformando energia. Para o nosso organismo manter as funções vitais, como por exemplo pulsar o coração, respirar ou manter a temperatura corporal constante, estamos também transformando energia.
Até o momento o termo “energia” foi usado várias vezes, sem, no entanto defini-lo. Mesmo sendo um dos conceitos mais importante da Física, ele é abstrato, o que o torna de difícil definição pois abrange fenômenos extremamente diferentes entre si. A energia afeta tudo que existe na natureza e as leis que governam seu comportamento estão entre as mais importantes e abrangentes da ciência. Podemos pensar em energia como algo que se transforma continuamente e que pode ser usado para realizar trabalho. Segundo Moreira (1998):
“Se tivéssemos que citar um único conceito físico como o mais importante para a Física, e para toda a Ciência de um modo geral, este seria o conceito de energia. De maneira análoga, se tivéssemos que citar qual o mais útil princípio físico para toda a Ciência a escolha, certamente, recairia sobre o princípio da conservação da energia. Aliás, não é difícil perceber que estas escolhas estão relacionadas”. (Moreira, p.2, 1998).
Estamos acostumados a ouvir falar em “energia elétrica”, “energia elástica”, “energia eólica”, ‘”energia química”, “energia nuclear", mas na realidade todas essas formas estão incluídas nas três formas fundamentais de energia: a cinética, devido ao movimento; a potencial, devido ao efeito das forças de interações; e a energia devido à massa, dada pela equação de Einstein, E = mc2 (Moreira, 1988, p.2,).
Existe um princípio que se aplica a qualquer processo físico até hoje conhecido, e para o qual não se conhece exceções: o princípio da conservação da energia. A energia, em qualquer processo físico, apenas pode ser transformada e a sua quantidade total sempre permanece constante. E precisamente nisso reside sua importância, ou seja, em um sistema físico isolado existem várias formas de energia, podendo umas se transformarem nas outras, porém no geral a energia não pode ser criada nem destruída.
O calor é uma das formas de energia mais utilizadas, por exemplo, para o funcionamento de máquinas térmicas, fornos siderúrgicos, geração de energia elétrica, termoterapia1. Existem registros da tentativa de explicar o calor que datam aproximadamente de 600 anos antes de Cristo, mas reduziam-se a meras especulações. Os filósofos do século (VII a.C.) Anaximandro, Heráclito e Empédocles, e até mesmo Platão e Aristóteles, possuíam noções muito limitadas sobre a natureza do calor. Platão aceitava o calor como algo que estava associado aos corpúsculos do elemento fogo. Aristóteles acreditava que o frio e o quente eram duas das quatro qualidades primárias da matéria, além do seco e do úmido.
No século XIII, foi desenvolvida uma teoria por Roger Bacon (1214-1924) segundo a qual a causa do calor era o movimento interno das partículas do corpo, porém não sabemos se é o calor que produz movimento ou se o movimento é que produz o calor. Galileu Galilei (1564-1642) considerava o calor como uma espécie de fluido capaz de penetrar e abandonar qualquer corpo com grande facilidade.
Francis Bacon (1561 - 1626) observou o fato de que fortes e freqüentes marteladas produzem o aquecimento de um pedaço de ferro. Conhecia-se, igualmente, o método de obtenção do fogo pelo atrito. Ele concluiu que o calor é um movimento interno das pequeníssimas partículas que constituem a matéria, onde a temperatura do corpo depende da velocidade associada ao movimento dessas partículas.
Até meados do século XVII, pode-se observar a existência de duas hipóteses que procuravam explicar o calor: uma associada à idéia de fluido e outra que o considerava como movimento das partículas do corpo. Nessa época não existia a preocupação em se chegar a um consenso sobre a validade de cada uma delas e isso pode ser entendido pelo fato de não ser necessário tratar o calor quantitativamente.
O aperfeiçoamento nos termômetros feitos por Fahrenheit (1686-1736) melhorou a precisão das medidas, o que permitiu que no final do século XVIII, Joseph Black (1728-1799), professor de química da Universidade de Glasgow, estabelecesse distinções entre os conceitos de temperatura e calor, a partir de estudos sobre a fusão do gelo. O aperfeiçoamento ocorrido na técnica de construção de termômetros também contribuiu para melhorar o entendimento de várias propriedades térmicas dos materiais.
Até o final do século XIX, os fenômenos térmicos ainda eram explicados admitindo-se a existência de uma substância material chamada calórico. Joseph Black observou que todos os materiais, a diferentes temperaturas, tinham a tendência de entrar em equilíbrio térmico quando postos em contato. Ele estudou as transformações nos materiais enquanto o calor “entrava” ou “saía” deles.
Em 1770, Black propôs que o calórico seria um fluido composto de partículas minúsculas que se repeliriam umas às outras, mas seriam atraídas pela matéria. A teoria do calórico permitia explicar um conjunto de fenômenos ligados ao calor. A contração e a expansão observadas com o resfriamento e o aquecimento, respectivamente, eram exemplos de observações ligadas ao calórico. A expansão e a contração eram resultados do acúmulo e da liberação de calórico. Já a geração de calor por atrito era explicada devido ao fato desse reduzir a atração entre o calórico e a matéria. A teoria era baseada em dois postulados: (1) o fluido material (calor) não podia ser criado ou destruído e (2) a quantidade de fluido material (calor) transferido de um objeto para outro era proporcional à sua massa e à variação de temperatura. O termo calórico foi proposto por Lavoisier, em 1817.
Os problemas da teoria do calórico tornaram-se críticos frente à argumentação formulada por Benjamin Thompson (1753-1814), Conde de Rumford. Thompson, ao inspecionar a fabricação de canhões de bronze, observou que os blocos desse metal tornavam-se incandescentes à medida que a broca os perfurava, e ainda, que o bronze continuava a esquentar mesmo que a broca estivesse sem fio. Ele sugeriu na época que o calor liberado na perfuração do cano dos canhões não estaria ligado ao calórico que era transferido da broca para o bronze, mas ao trabalho efetuado pela broca sobre os canhões. Então como explicar o aquecimento que ocorria quando a broca não tinha mais fio? Convencido de que o calor era gerado pelo atrito, Rumford realizou a seguinte experiência. Mergulhou na água um canhão a ser perfurado, a fim de que o calor produzido pela broca fosse transferido para a água. Para fazer a perfuração, usou uma parelha de cavalos, atrelados ao eixo da broca, fazendo-a girar. Após aproximadamente duas horas e meia girando com a broca, o movimento dos cavalos havia fervido a água.
Convenceu-se assim que trabalho podia ser convertido em calor e vice-versa, e que a natureza do calor era de fato movimento. Ele argumentou que uma esponja não poderia liberar indefinidamente água se apertada e, ao contrário, a taxa de produção de calor poderia ser mantida indefinidamente enquanto que o trabalho de usinagem fosse realizado. A idéia de que o calor é energia foi introduzida por Rumford.
James Joule, que entre 1840 e 1849 realizou medições bastante precisas sobre a equivalência mecânica do calor (isto é, calor e trabalho são apenas diferentes manifestações da mesma coisa, que é a energia) por diversos métodos e confirmou, experimentalmente, que calor é uma forma de energia. A lei de conservação da energia ganhou grande aceitação após a publicação em 1848 de um trabalho por H. Helmholtz, um cirurgião do exército prussiano, mostrando as aplicações da lei em diversos campos. As dificuldades crescentes enfrentadas pela teoria do calórico foram contornadas com a introdução do conceito de energia interna e com o conceito de calor como a transferência de energia entre o sistema e a sua vizinhança.
Todas as substâncias são formadas por átomos e moléculas que possuem uma grande quantidade de energia armazenada. As moléculas estão em constante movimento independentemente do seu estado físico, ou seja, as moléculas possuem energia cinética. Devido às interações com as moléculas vizinhas elas também possuem energia potencial. Nas substâncias também existe energia devido a sua massa. A energia interna é a soma de todas as energias que existem no interior das substâncias. É importante salientar que não temos interesse em calcular a energia interna de um corpo ou sistema, mas sim, determinar a sua variação.
A temperatura é a medida da energia cinética média de translação dos átomos e moléculas. Quando aumenta essa energia cinética média aumenta a temperatura. Convém ressaltar que pode haver variação de energia interna sem que ocorra variação na temperatura, como por exemplo, nas mudanças de fase que serão analisadas posteriormente.
A introdução do conceito de energia interna soluciona o problema da conservação da energia mecânica (cinética e potencial) em sistemas dissipativos (nos quais existem forças de atrito atuando). Nesse processo, a energia mecânica diminui, mas a energia total conserva-se, pois existe transformação de energia mecânica em energia interna, ou seja, a diminuição da energia mecânica é igual ao aumento da energia interna. Exemplificando: quando um objeto é lançado verticalmente para cima, no vácuo, ele atinge certa altura; porém, se mantivermos as demais condições e o lançarmos no ar, o objeto irá atingir uma altura menor. Isso ocorre porque pelo atrito do objeto com o ar parte da energia mecânica transforma-se em energia interna (tanto do ar, quanto do objeto) podendo ser percebida pelo aumento da sua temperatura.
É possível variar a energia interna de um sistema fornecendo ou retirando energia. Quando a transferência de energia ocorre exclusivamente devido a uma diferença de temperatura entre o sistema e a vizinhança, a energia transferida recebe o nome de calor.

Figura 1- A energia na forma de calor flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.
É importante observar que um corpo ou sistema não contém calor, ele possui energia interna. Uma vez transferida, a energia não pode mais ser chamada de calor. Salientemos uma vez mais: calor é o processo de transferência de energia entre os corpos devido exclusivamente à diferença de temperatura entre eles.
A energia está presente em toda parte, seja na forma de energia cinética de um corpo em movimento, de energia potencial gravitacional de um corpo a certa altura do solo, de energia térmica sendo transferida entre dois corpos com temperaturas diferentes (calor) ou de energia química contida nos alimentos. A energia não é criada nem destruída, mas transformada de uma forma para outra.

Escrevendo números muito pequenos e números muito grandes: a notação científica

Leia o seguinte texto, em voz alta, e em menos de 30 segundos:
"...como, por exemplo, o nosso Sistema Solar que tem um diâmetro aproximado de 100000000000 metros. E isto é muito pequeno se comparado com o tamanho da Galáxia onde vivemos com seus incríveis 100000000000000000000 metros de diâmetro. No entanto, ao lembrarmos que o Universo visível deve ter cerca de 100000000000000000000000000 metros de diâmetro, vemos que tamanhos assombrosos estão incluídos no estudo da Astronomia. Daí pensamos, é melhor estudar biologia pois a molécula do DNA tem apenas 0,0000001 metros, muito mais fácil de lidar. O problema é que a astronomia não é uma profissão perigosa enquanto que a biologia... Imagine que os biólogos têm a coragem de lidar com vírus que medem apenas 0,000000001 metros e são terrivelmente mortais. E se, por uma distração, um biólogo deixa um destes vírus cair no chão do laboratório? Nunca mais irá encontrá-lo!...."



Difícil ler estes números, não é? Vamos melhorar então o texto para você fazendo algumas modificações. Leia, novamente, em voz alta e em menos de 30 segundos:

"...como, por exemplo, o nosso Sistema Solar que tem um diâmetro aproximado de 100 bilhões de metros. E isto é muito pequeno se comparado com o tamanho da Galáxia onde vivemos com seus incríveis 100 milhões de trilhões de metros de diâmetro. No entanto, ao lembrarmos que o Universo visível deve ter cerca de 100 milhões de bilhões de bilhões de metros de diâmetro, vemos que tamanhos assombrosos estão incluídos no estudo da Astronomia. Daí pensamos, é melhor estudar biologia pois a molécula do DNA tem apenas 1 décimo milionésimo do metro, muito mais fácil de lidar. O problema é que a astronomia não é uma profissão perigosa enquanto que a biologia... Imagine que os biólogos têm a coragem de lidar com vírus que medem apenas 1 bilionésimo do metro e são terrivelmente mortais. E se, por uma distração, um biólogo deixa um destes vírus cair no chão do laboratório? Nunca mais irá encontrá-lo!...."


Melhorou um pouquinho, não? Mas, mesmo assim, ainda fica difícil comparar números com tantos zeros à direita ou à esquerda da vírgula, ou seja, com tantas casas decimais.

Para melhorar isto a ciência usa uma forma compacta de escrever números muito grandes ou muito pequenos, a chamada notação científica ou notação exponencial.

A notação científica ajuda a evitar erros quando escrevemos números muito grandes ou muito pequenos e facilita a comparação entre estes números.
Esta notação é muito usada nos artigos científicos uma vez que quantidades muito pequenas e muito grandes aparecem frequentemente na Astronomia e na Física.


Como é a notação científica?

A notação científica nada mais é do que escrever qualquer número, seja ele muito grande ou muito pequeno, como se ele estivesse multiplicado por uma potência de 10.

Todos os números, muito grandes ou muito pequenos, estarão multiplicados por um fator do tipo

10?

No caso de números muito grandes o expoente "?" será um número positivo

No caso de números muito pequenos o expoente "?" será um número negativo

Vejamos alguns exemplos:


Números muito grandes

1a regra:
Para escrever com a notação científica qualquer número seguido de muitos zeros basta contar somente o número de zeros que aparecem e colocar este valor como expoente de 10.

Os números agora são lidos facilmente. Por exemplo, 1027 é lido como "dez elevado a 27" ou simplesmente "10 a 27".

É bom relembrar que 1 = 100 pois todo número elevado a zero é igual a 1.

E se o número for, por exemplo, 17400 ?
Seguindo a regra anterior, escrevemos o número 17400 como 174 x 102. No entanto, podemos escrevê-lo de diversas outras formas usando as potências de 10.

2a regra:
A notação científica pode separar um número em duas partes: uma fração decimal, usualmente entre 1 e 10, e uma potencia de 10.

No número dado coloque a vírgula onde você desejar. O número de algarismos deixados no lado direito da vírgula será o expoente de 10. Deste modo podemos escrever o número de muitas formas. Por exemplo:
17400 = 1,74 x 104
17400 = 17,4 x 103
17400 = 174 x 102

Do mesmo modo, um número que já está escrito na notação científica pode ser alterado muito facilmente. Por exemplo, o número 174 x 102 pode ser escrito como 1,74 x 104. Para isto verificamos que agora passamos a ter dois algarismos no lado direito da vírgula (o sete e o quatro) e, consequentemente, acrescentamos o valor "dois" ao expoente anterior de 10, que passa a ser quatro. O número 1,74 x 104 significa 1,74 vezes 10 elevado à quarta potência ou seja, 1,74 x 10 x 10 x 10 x 10 =17400.


Números muito pequenos

Para representar números muito pequenos a notação científica usa expoentes negativos.
Um sinal negativo no expoente de um número significa que o número é, na verdade, 1 dividido pelo valor que ele teria considerando-se o expoente positivo.
Assim
10-2 = 1/102
10-28 = 1/1028

Regra:
Para escrever um número muito pequeno usando a notação científica contamos o número de algarismos situados no lado direito da vírgula, sejam eles zeros ou não. Este será o valor do expoente de 10 antecedido por um sinal negativo.


E para escrever um número qualquer? Por exemplo, o número 0,0000000478. Contando o número de algarismos à direita da vírgula vemos que existem 10 algarismos. Podemos então escrever este número como 478 x 10-10.

Podemos também escrever este número de várias outras formas colocando sua parte significativa (no exemplo acima, o número 478) em uma forma fracionária. Para determinar o valor do expoente negativo, coloque uma vírgula imaginária no local que você desejar e conte o número de algarismos que se encontram entre as duas vírgulas. Este será o expoente (negativo) de 10. Veja o exemplo a seguir:


Temos duas outras regras também muito fáceis:

Regra 1
se um número está escrito na notação científica cada vez que a vírgula se desloca uma casa para a direita, o expoente de 10 aumenta uma unidade.

0,000478 = 0,00478 x 10-1
0,000478 = 0,0478 x 10-2
0,000478 = 0,478 x 10-3
0,000478 = 4,78 x 10-4
0,000478 = 47,8 x 10-5
0,000478 = 478 x 10-6
etc.

Regra 2
se um número está escrito na notação científica cada vez que a vírgula se desloca uma casa para a esquerda, o expoente de 10 diminui uma unidade.

0,000478 = 478 x 10-6
0,000478 = 47,8 x 10-5
0,000478 = 4,78 x 10-4
0,000478 = 0,478 x 10-3
0,000478 = 0,0478 x 10-2
0,000478 = 0,00478 x 10-1
etc.


Comparando potências de 10

Primeira regra:
Se os expoentes são positivos, o maior número será o que tiver o maior expoente.
1075 é menor do que 1076 (porque 75 é menor do que 76)

Segunda regra:
Se os expoentes são negativos, o maior número será aquele com o menor valor numérico como expoente (sem considerar o sinal).
10-75 é maior do que 10-76 (o expoente negativo menor significa que o número tem menos "zeros" depois da vírgula, ou seja, ele está mais "próximo" da unidade.

Voltemos agora, novamente, ao nosso texto inicial desta vez escrito com a notação científica:
"...como, por exemplo, o nosso Sistema Solar que tem um diâmetro aproximado de 1011 metros. E isto é muito pequeno se comparado com o tamanho da Galáxia onde vivemos com seus incríveis 1020 metros de diâmetro. No entanto, ao lembrarmos que o Universo visível deve ter cerca de 1026 metros de diâmetro, vemos que tamanhos assombrosos estão incluídos no estudo da Astronomia. Daí pensamos, é melhor estudar biologia pois a molécula do DNA tem apenas 10-7 metros, muito mais fácil de lidar. O problema é que a astronomia não é uma profissão perigosa enquanto que a biologia... Imagine que os biólogos têm a coragem de lidar com vírus que medem apenas 10-9 metros e são terrivelmente mortais. E se, por uma distração, um biólogo deixa um destes vírus cair no chão do laboratório? Nunca mais irá encontrá-lo!...."


Muito mais simples, não é? Com certeza você conseguiu lê-lo em menos de 30 segundos e teve muito mais facilidade em comparar os tamanhos, pois bastou comparar os expoentes de 10.

MATÉRIA E ENERGIA

MATÉRIA E ENERGIA
O conceito de matéria
No estudo da Ciência, a composição do Universo é dividida em duas entidades – matéria e energia. De acordo com o método cientifico, devemos realmente admitir que pode haver no Universo algo mais além da matéria e da energia, mas até agora a Ciência não encontrou este componente. A matéria inclui os materiais que formam o Universo: as rochas, a água, o ar e a multiplicidade de coisas vivas. Tudo que é sólido liquido ou gasoso é uma forma de matéria.
         Classificar algo como matéria não significa, entretanto, que conheçamos a natureza real da matéria. Sabemos que os químicos  desdobram a matéria para determinar seus constituintes, e o físico deseja saber o que mantém tais constituintes unidos; mas as partículas fundamentais e as leis da matéria parecem ser sempre um desafio.
         A melhor maneira de adquirir um conceito de matéria é trabalhar com ela e descrever suas várias formas. Uma descrição não é uma definição no sentido real da palavra, mas reduz uma idéia abstrata a termos bem concretos.
Propriedades da matéria
As propriedades são usadas para descrever a matéria. Ao descrevermos uma pessoa, por exemplo, referimo-nos às suas propriedades: sua altura, aparência, disposição, habilidades; semelhantemente, todas as espécies de matéria apresentam propriedades, e do mesmo modo que alguém pode ser identificado pela relação de suas propriedades, determinada espécie de matéria o pode ser por intermédio de suas características. Na verdade, é mais fácil discutir a matéria em termos de suas propriedades do que explicar a sua natureza final,
         As propriedades da matéria podem ser divididas em duas categorias: as que podem ser determinadas sem alteração essencial da substância, e aquelas que só se evidenciam quando a substância sofre interação com outra forma de matéria.
         A última classe de propriedades, que exigem uma mudança na composição da matéria, inclui as chamadas propriedades químicas, enquanto que as primeiras, em que não há necessidade disto, são chamadas propriedades físicas. Por  exemplo, a capacidade de uma substância de queimar-se é uma propriedade química, enquanto que o seu ponto de fusão é uma propriedade física.
         O número de propriedades que pode ser enumerado para uma substância é virtualmente infinito. Os manuais especializados de Física e Química dedicam centenas de páginas ao relacionamento das propriedades de várias formas de matéria. Da mesma maneira que existem novas facetas do caráter de uma pessoa, para as quais ela não está alertada, os cientistas constantemente estão descobrindo novas propriedades da matéria.
         Em vez de catalogar aqui as propriedades físicas da matéria com que entraremos em contato, é melhor discuti-las à medida que forem surgindo. Mas, no estudo da Física, é importante reconhecer o fato de que, se uma propriedade não pode ser medida e comparada com alguma espécie de padrão, não tem utilidade para o cientista: Sem medida não pode existir Ciência, e quanto mais precisamente se possa medir determinada propriedade, mais completa será a descrição da matéria.
Massa e peso
Uma propriedade básica da matéria é sua massa: A massa de uma substância é a medida da quantidade de matéria nela contida. As medidas de massa são baseadas no quilograma/massa, que é conservado em um depósito especial no Bureau Internacional de Pesos e Medidas, em Sèvres, próximo de Paris, na França. Em vários lugares de todo o mundo estão guardadas duplicatas deste padrão. No Brasil acham-se guardadas na Casa da Moeda, no Rio de Janeiro.
         A massa de uma substância não varia. com a temperatura; pressão ou localização no espaço. Um objeto com a massa de 1kg terá esta massa na Terra, na Lua, em Marte ou quando flutuando no espaço. Mas de que maneira determinamos a massa de uma substância? É suficiente uma comparação de tamanho com a massa padrão? Evidentemente, não, já que os objetos podem ter o mesmo volume, mas concentrações diferentes de matéria; um pode ser firmemente comprimido, como uma peça de metal, enquanto que outro pode ter estrutura esponjosa.
         Em lugar do volume, devemo-nos voltar para outra propriedade da matéria sua reação às forças. Por enquanto, podemos definir uma força como algo que tende a modificar a posição ou a direção do movimento de um objeto. Um empurrão ou um puxão é uma força, e a matéria oferece resistência a empurrões ou puxões; quando empurramos um carro parado, o empurrão é a força, e o automóvel resiste a ela. Se não apresentasse tal resistência, não seria necessário o empurrão para colocá-lo em movimento. O fato de resistir mostra que o carro é formado de matéria. A resistência da matéria a qualquer alteração de seu estado de repouso ou movimento é chamada inércia.
         A inércia se manifesta não somente quando os objetos estão parados, mas também durante seu movimento. Uma bola de futebol em vôo continuará deslocando-se, a menos que alguma coisa o impeça; quando interpomos a cabeça o em sua trajetória, estamos novamente fornecendo a força necessária para levá-la ao repouso.
         Isto sugere a existência de duas espécies de inércia - uma forma estacionária e outra de movimento, mas se trata, na verdade, da mesma propriedade da matéria que se está mostrando em circunstâncias diversas.
         A inércia da matéria é a chave para a medida da massa. Se dois objetos materiais,, inteiramente livres para se moverem; oferecem a mesma resistência a fuma dada força, então possuem a mesma massa, isto é, contêm a mesma quantidade de matéria.
         Um instrumento criado para a medida de massas por esta relação é a balança de inércia; se uma substância ou objeto é colocado na barra horizontal desta balança, e o sistema posto em vibração, o objeto mover-se-á para um lado e para o outro periodicamente, e a freqüência deste movimento dependerá da massa do objeto e da rigidez das molas. Como estas fornecem a força e a massa oferece a resistência, a balança de inércia é independente de sua localização no espaço.
         Se for conhecido o tempo de vibração de uma massa padrão, outras massas podem ser medidas determinando-se o tempo das vibrações que ocasionam. Isto pode ser feito locando-se em um gráfico as freqüências de várias massas conhecidas, e fazendo o mesmo com a freqüência da massa desconhecida, ou por meio da seguinte fórmula:

na qual m1 é uma massa conhecida (inclusive a massa da plataforma da balança), m2 a massa desconhecida (mais plataforma), T1 o tempo para uma vibração completa (ida e volta) de m1, e T2 o tempo correspondente para m2. Um bom método de determinar T1 e T2 é deixar a balança oscilar 100 vezes, e dividir o tempo total por 100.
Desta experiência podemos concluir que a massa é a medida da inércia de um objeto.
         Um termo que é muito confundido com massa é peso. Peso é uma medida da força gravitacional que atua sobre uma substância. Como esta força varia com a distância entre dois objetos, o pêlo de um corpo não é constante, e na ausência desta força será nulo, mas sua massa permanece inalterada.
         Uma unidade de força usada em Física é o newton; esta unidade não será definida de forma completa aqui, as o importante a lembrar aqui é que o newton e o quilograma não são unidades equivalentes. Com isto queremos dizer que é possível transformar quilogramas em newtons, ou vice-versa, da mesma forma que transformamos metros em centímetros. Trata-se de quantidades físicas diferentes, mas é correto dizer-se, por exemplo, que a massa de 1,0 kg 9,8 N no nível do mar.
Nas mesmas condições, os pesos de dois objetos estão na mesma razão que suas massas. Os dispositivos mais comumente usados no laboratório de Física para medir, massas e pesos são a balança de pratos e a balança de mola.
         A balança de prato compara a força gravitacional que atua sobre dois corpos por meio de alavancas, enquanto que a balança de mola mede esta força sobre um corpo, pela distorção de uma mola. Desta maneira, os dois aparelhos comparam massas indiretamente, já que as razões das massas são as mesmas que as dos pesos.
         A leitura da balança de mola variará com a altitude, e nenhum dos dois dispositivos poderá ser usado para comparar massas em um ambiente de gravidade nula. São, na verdade, "pesadores", e não "medidores de massa", já que não medem diretamente a massa de um objeto.
         Uma propriedade da matéria Intimamente relacionada com a massa é a massa específica, que se refere à quantidade de matéria em dado volume, e é definida como a massa de uma substância por unidade de volume. Assim, se um corpo ocupa um volume de 15 m3 e tem a massa de 450 kg, sua massa específica é 30 kg/m3. A fórmula matemática é d=m/v.:
         Ao se enunciar a massa específica de uma substância, é importante incluir as unidades (quilogramas por metro cúbico, gramas por centímetro cúbico, ou qualquer outra unidade de massa por unidade de volume), para que se possa compará-la com outros valores de massa específica.
Condições da matéria
Muitas propriedades da matéria não são constantes, variando com as condições do ambiente. Assim, a água congela quando está suficientemente fria, e ferve quando é aquecida o necessário. Em cada caso, as propriedades físicas da água foram alteradas. Da mesma forma, a massa especifica de um gás aumenta quando o mesmo é colocado sob pressão, e diminui quando a pressão é reduzida.
         0 ambiente da matéria é conhecido como suas condições. As condições incluem, entre outras coisas, a temperatura, pressão, concentração (no caso de soluções) e carga elétrica. Muitas das relações de causa e efeito que serão estudadas em Física, tanto na sala de aula como no laboratório, dirão respeito às variações de uma propriedade de uma substância com a mudança nas condições.
                                                                                         Adaptado de “Mecânica”  do Prof. L. P. Maia