Atividades de Escalas Termométricas e Dilatação Térmica para a 1ª série do Ensino Médio com gabarito

Quando trabalho temperatura e dilatação térmica na 1ª série, procuro aproximar as equações de situações que os estudantes conseguem reconhecer: um freezer que recebe calor, trilhos que se dilatam e água aquecida em condições diferentes. O desafio não está apenas em substituir valores numa fórmula. É preciso distinguir temperatura de calor, observar as unidades e interpretar o resultado, inclusive sua ordem de grandeza.

Também vale conectar as escalas termométricas à leitura de dados em kelvin e graus Celsius. Nesta seleção, as questões percorrem condução de calor, eficiência térmica, aquecimento da água, ebulição em altitude e dilatação linear. Algumas ampliam o tema para potência e proporcionalidade; uso essa variedade para verificar se a turma consegue aplicar conceitos térmicos em contextos distintos.

O que o aluno de 1ª série precisa saber sobre Escalas Termométricas e Dilatação Térmica

Para avançar neste tema, o estudante precisa compreender que a temperatura indica o estado térmico de um corpo e que escalas diferentes expressam essa grandeza com referências distintas. Na relação entre Celsius e kelvin, a variação de temperatura tem o mesmo valor numérico, embora a escala absoluta seja usada em cálculos como o da eficiência de Carnot. Também é importante diferenciar temperatura de calor: calor é energia transferida em razão de uma diferença de temperatura. Na condução térmica, o fluxo depende da condutividade do material, da área e da diferença de temperatura, e diminui quando a espessura do isolamento aumenta. Na dilatação linear, a variação do comprimento é calculada por ΔL = αL₀ΔT: depende do material, do comprimento inicial e da variação de temperatura. Ao resolver problemas, espero que a turma converta unidades, use ΔT — e não simplesmente a temperatura final — e confira se o resultado é coerente em sinal e ordem de grandeza.

O que ele precisa saber antes

As questões pressupõem conhecimentos que podem ser retomados rapidamente antes da atividade. Para a parte de condução, convém revisar o sentido da transferência de calor e a proporcionalidade direta entre potência térmica e área ou diferença de temperatura, além da relação inversa com a espessura. Para os cálculos de aquecimento, é necessário usar massa, calor específico, potência e conversões de horas para segundos.

Na dilatação linear, a turma precisa reconhecer o coeficiente α, calcular a variação de temperatura e converter metros em milímetros. As questões de motor térmico e ebulição também pedem familiaridade com temperaturas absolutas, ciclo de Carnot, ponto de ebulição e pressão atmosférica. Por fim, a questão da cinta exige diferenciar massa de força, aplicar F = mg e identificar uma proporcionalidade direta entre tração e alongamento nos dados apresentados.

Onde os alunos mais erram

Nos itens de dilatação, os erros mais prováveis são trocar o sinal do fenômeno — afirmar que o metal encurta ao ser aquecido — ou confundir a temperatura final com a variação de temperatura. Também é comum perder um fator de dez ou mil ao converter metros em milímetros. Por isso, peço que registrem primeiro ΔT e deixem a unidade explícita em cada etapa.

Na condução pelo freezer, um distrator plausível é escolher um material com condutividade maior imaginando que ele isola melhor. A fórmula mostra o contrário: maior k aumenta a potência térmica transferida. Outro ponto é distinguir o efeito da área, da espessura e da diferença de temperatura. Nos demais problemas, observo dificuldades com o tempo em segundos, a aplicação da fórmula de Carnot e a diferença entre massa em quilogramas e força em newtons. Em todos esses casos, fazer uma estimativa antes da conta ajuda a perceber resultados incompatíveis.

Como trabalhar em sala

• Comece pela leitura de um termômetro: compare valores em Celsius e kelvin e peça que a turma identifique o que muda na escala e o que permanece igual numa variação de temperatura.
• Faça uma previsão antes do cálculo: diante do caso do freezer, peça que indiquem se aumentar a área, a condutividade ou a espessura elevaria ou reduziria a entrada de calor. Depois, use a expressão fornecida para conferir.
• Explore trilhos e juntas de dilatação: os problemas apresentam medidas concretas. Em duplas, os estudantes podem estimar o resultado e explicar por que uma folga é importante, sem precisar de equipamento especial.
• Monte uma sequência de unidades: registre no quadro a conversão de horas para segundos e de metros para milímetros. Peça que anotem a unidade junto a cada valor durante o cálculo.
• Peça justificativas para os distratores: além de marcar a alternativa correta, cada grupo explica por que uma opção incorreta parece tentadora e qual dado ou relação a invalida.

Questões prontas de Escalas Termométricas e Dilatação Térmica para a 1ª série do Ensino Médio (com gabarito comentado)

As questões a seguir estão acompanhadas de comentários para apoiar a correção e a retomada dos conceitos. Nos itens sobre potência, pressão e elasticidade, vale explicitar a conexão com os conhecimentos térmicos e matemáticos mobilizados, sem perder de vista o foco da atividade: interpretar dados, unidades e relações físicas.

1. Isolamento térmico de um freezer

Um freezer tem área total de troca A = 1,5 m², temperatura interna de −10 °C e ambiente a 20 °C. Suas paredes têm poliuretano de 2,0 cm, com k = 0,02 W/(m·K). Pelo modelo P = k·A·ΔT/L, qual intervenção reduz a potência térmica que atravessa as paredes para aproximadamente a metade?

• ❌ A) Aumentar a área para 3,0 m². Como P é diretamente proporcional a A, dobrar a área dobra a potência transferida.
• ❌ B) Ajustar a temperatura interna para −5 °C. ΔT passa de 30 K para 25 K; a potência fica em 5/6 do valor inicial, não na metade.
• ❌ C) Trocar por isopor com k = 0,04 W/(m·K). Esse k é maior; mantendo os outros dados, a potência térmica dobra.
• ✅ D) Dobrar a espessura do poliuretano para 4,0 cm. Como P é inversamente proporcional a L, a potência cai pela metade, de cerca de 45 W para 22,5 W.
• ❌ E) Acrescentar uma chapa de alumínio. O alumínio tem condutividade muito alta e a camada indicada oferece resistência térmica desprezível; não é uma solução de isolamento que reduza a potência à metade.

2. Eficiência máxima de um motor térmico

Um motor térmico opera entre uma fonte a 600 K e um sumidouro a 300 K. Qual é a eficiência máxima teoricamente possível?

• ❌ A) 85%. É superior ao limite teórico calculado para essas temperaturas.
• ❌ B) 10%. A aplicação da relação de Carnot resulta em uma eficiência maior.
• ❌ C) 70%. Para estas temperaturas, a eficiência máxima não pode ultrapassar 50%.
• ✅ D) 50%. Pela expressão η = 1 − Tc/Th, temos η = 1 − 300/600 = 0,5.
• ❌ E) 20%. A temperatura alta, por si só, não fornece esse resultado; é preciso comparar as temperaturas absolutas da fonte e do sumidouro.

Comentário: o uso de kelvin é essencial nessa fórmula. A questão permite retomar a escala absoluta e a interpretação de uma eficiência máxima, não uma garantia de que qualquer motor real atinja esse valor.

3. Potência para aquecer água

Deseja-se aquecer 150 L de água de 20 °C a 60 °C em 2,0 h, com rendimento de 0,95. Use c = 4200 J·kg⁻¹·K⁻¹ e densidade de 1000 kg/m³. Qual potência elétrica é necessária, usando P = m·c·ΔT/(η·t)?

• ❌ A) Cerca de 6,5 kW, usando m = 200 kg. Com essa densidade, 150 L correspondem a 150 kg, não 200 kg.
• ❌ B) Cerca de 2,0 kW, dividindo simplesmente 25 MJ por 10. A conta precisa considerar corretamente o rendimento e o tempo em segundos.
• ❌ C) Cerca de 5,0 kW, com η = 0,90. O rendimento informado é 0,95.
• ✅ D) Cerca de 3,68 kW. A energia é 150·4200·40 = 25,2 × 10⁶ J; 2 h = 7200 s. Então P = 25,2 × 10⁶/(0,95·7200) ≈ 3684 W.
• ❌ E) Cerca de 4,0 kW, usando t = 3600 s. Duas horas equivalem a 7200 s.

Comentário: antes de substituir na expressão, a turma deve converter o volume em massa e o intervalo de temperatura em ΔT = 40 K. A conversão do tempo é decisiva para obter potência em watts.

4. Temperatura de ebulição e altitude

Ao nível do mar, a água ferve a 100 °C. Em uma altitude de 2000 m, ela ferve a 95 °C. Qual alternativa relaciona adequadamente esse dado à pressão atmosférica?

• ❌ A) Pressão maior que 1 atm. A diminuição do ponto de ebulição com a altitude não indica aumento da pressão.
• ❌ B) Pressão igual a 1 atm. Essa opção ignora a influência da altitude sobre a pressão atmosférica.
• ❌ C) Pressão menor que 0,8 atm. A alternativa não corresponde à faixa indicada para a situação; a pressão a 2000 m é menor que 1 atm, mas fica entre 0,8 e 1 atm.
• ✅ D) Pressão entre 0,8 e 1 atm. A pressão atmosférica diminui com a altitude; por isso, a água pode entrar em ebulição a uma temperatura inferior a 100 °C.
• ❌ E) Pressão de 0,5 atm. Essa opção subestima a pressão correspondente a 2000 m.

Comentário: o item verifica a relação entre pressão e ebulição. Convém evitar tratar os 95 °C como uma conversão de escala: é uma temperatura de ebulição associada às condições de pressão do local.

5. Dilatação de um trilho de aço

Um trilho de aço de 12,0 m é aquecido de 20 °C para 50 °C. Seu coeficiente de dilatação linear é α = 1,2 × 10⁻⁵ °C⁻¹. Qual frase informa corretamente a variação de comprimento?

• ❌ A) A dilatação depende apenas da variação de temperatura. Pela fórmula, também depende do comprimento inicial L₀.
• ❌ B) O trilho encurta cerca de 4,3 mm. Ao aquecer, o aço se alonga; ΔT positivo produz ΔL positivo nesse modelo.
• ❌ C) O trilho alonga cerca de 0,43 mm. O resultado em metros é 4,32 × 10⁻³ m, que corresponde a 4,32 mm.
• ✅ D) O trilho alonga cerca de 4,3 mm. ΔL = αL₀ΔT = 1,2 × 10⁻⁵·12·30 = 4,32 × 10⁻³ m.
• ❌ E) O trilho alonga cerca de 43 mm. Esse valor é dez vezes maior que o obtido com os dados fornecidos.

Comentário: além de aplicar a fórmula, é importante interpretar o sinal e conferir a conversão para milímetros. As juntas entre trilhos ajudam a acomodar mudanças de comprimento e a evitar deformações.

6. Quanto o trilho varia a cada 10 °C?

Um trilho de aço mede 12,0000 m a 20 °C e 12,0043 m a 50 °C. Com base nessas medidas, qual frase comunica a variação aproximada para cada aumento de 10 °C?

• ❌ A) Alongamento de 4,3 mm por 10 °C. Esse é o alongamento observado para o intervalo completo de 30 °C.
• ✅ B) Alongamento de cerca de 1,4 mm por 10 °C. A variação de 0,0043 m em 30 °C, dividida por três, é aproximadamente 0,00143 m, ou 1,4 mm.
• ❌ C) Nenhuma mudança mensurável. A variação de 0,0043 m é maior que a variação indicada para as medidas repetidas.
• ❌ D) Alongamento de 0,12 m por 10 °C. Isso não corresponde à conversão do resultado, que é cerca de 0,00143 m.
• ❌ E) Encurtamento de 1,4 mm. O comprimento aumentou quando a temperatura subiu.

Comentário: a questão exige proporcionalidade: 10 °C correspondem a um terço de 30 °C. Recomendo pedir que os estudantes escrevam a unidade antes de arredondar o valor final.

7. Dilatação de um viaduto metálico

Um trecho de aço de 25 m passa de 18 °C para 38 °C. Adote α = 1,2 × 10⁻⁵ °C⁻¹. Qual frase informa a variação estimada e o fenômeno envolvido?

• ✅ A) Variação de cerca de 6 mm, pois o aço se dilata quando a temperatura aumenta. ΔT = 20 °C e ΔL = 1,2 × 10⁻⁵·25·20 = 0,006 m = 6 mm.
• ❌ B) Cerca de 11 mm. Esse resultado surge ao usar incorretamente a temperatura final, 38 °C, no lugar de ΔT = 20 °C.
• ❌ C) Cerca de 60 mm. O resultado superestima a variação por um fator de dez.
• ❌ D) Cerca de 6 mm porque o aço se contrai ao aquecer. O valor calculado está correto, mas a descrição do fenômeno está invertida.
• ❌ E) Cerca de 0,006 mm. O valor 0,006 m equivale a 6 mm, não a 0,006 mm.

Comentário: o item combina cálculo e comunicação. Uma explicação acessível precisa informar tanto a ordem de grandeza quanto o sentido da mudança: aquecido, o aço aumenta de comprimento.

8. Tração e alongamento de uma cinta

Uma cinta tem comprimento inicial de 0,50 m. Com uma massa de 1,0 kg, chega a 0,54 m; com 2,0 kg, chega a 0,58 m. Considere g = 10 m/s². Qual frase expressa corretamente a relação entre tração e alongamento, em unidades do SI, dentro do intervalo testado?

• ❌ A) O alongamento é proporcional ao quadrado da tração. Ao dobrar a massa e a força, o alongamento também dobra, de 0,04 m para 0,08 m, não quadruplica.
• ❌ B) O alongamento aumenta 0,10 m a cada 10 N. Os dados mostram 0,04 m para 10 N.
• ❌ C) A tração é 10 N para cada 0,04 m de encurtamento. A cinta alonga, não encurta; além disso, essa opção descreve o sentido errado da deformação.
• ❌ D) A tração máxima é 2,0 kg. Quilograma é unidade de massa, não de força; o peso das massas usadas é calculado em newtons por F = mg.
• ✅ E) O alongamento aumenta 0,04 m a cada 10 N de tração, mantendo proporcionalidade até 20 N. Para 1,0 kg, F = 10 N e o alongamento é 0,04 m; com 20 N, ele chega a 0,08 m.

Comentário: o contexto permite retomar unidades do SI e proporcionalidade a partir dos dados. A conclusão fica restrita ao intervalo do teste, sem presumir que a relação continue para qualquer carga.

Fechamento: transforme a resolução em aprendizagem

Depois da atividade, vale retomar os erros pelas relações físicas envolvidas: qual grandeza foi mantida fixa, qual unidade precisava ser convertida e se o resultado era coerente com o aquecimento ou o resfriamento. Você também pode selecionar outras questões da habilidade EM13CNT102 para ampliar a prática com situações de energia e transformações térmicas.

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Use as questões como ponto de partida e ajuste a seleção ao que você já trabalhou em sala. O GeraProva pode ajudar a preparar novas atividades para suas próximas aulas.