Atividades de Escalas Termométricas e Dilatação Térmica para a 3ª série do Ensino Médio com gabarito

Quando ensino escalas termométricas e dilatação térmica na 3ª série, procuro aproximar as relações matemáticas de situações que os estudantes conseguem analisar: aquecimento de materiais, variação de temperatura, conservação térmica e comportamento de gases. Um ponto que retomo com frequência é que temperatura, calor e energia transferida não são sinônimos. Essa distinção ajuda a interpretar tanto mudanças de escala quanto processos de aquecimento e mudança de fase.

Também gosto de pedir que a turma explique o significado das unidades antes de substituir valores nas fórmulas. Em questões contextualizadas, essa etapa permite verificar se a dificuldade está no conceito, na conversão de unidades ou na leitura do problema. As atividades abaixo incluem esse tipo de raciocínio e trazem alguns itens de apoio sobre grandezas e modelos físicos relacionados, que podem servir para revisar pré-requisitos e interpretação de dados.

O que o aluno de 3ª série precisa saber sobre Escalas Termométricas e Dilatação Térmica

Na 3ª série, espero que o estudante consiga interpretar temperaturas em diferentes escalas e fazer conversões com relações consistentes, reconhecendo que Celsius e Kelvin têm origens distintas e que a temperatura absoluta é necessária em leis dos gases. Também é importante distinguir temperatura de calor: temperatura descreve o estado térmico, enquanto calor é energia transferida por diferença de temperatura. Ao estudar dilatação térmica, a turma deve relacionar a variação das dimensões de um corpo à mudança de temperatura, considerando o material e o modelo adequado, sem confundir dilatação com mudança de fase. Em problemas de energia, o aluno precisa identificar quando se calcula calor sensível e quando se usa calor latente, além de manter unidades compatíveis. Em situações com condução, deve interpretar como condutividade, área e espessura afetam o fluxo. Por fim, espero que leia os dados, explicite hipóteses — como volume constante — e confira se o resultado faz sentido no contexto.

O que ele precisa saber antes

As questões mobilizam alguns conhecimentos prévios que vale a pena verificar antes da avaliação. Para o item de armazenamento refrigerado, são necessários calor sensível e calor latente, a relação entre energia, potência e tempo e a conversão de horas para segundos. Para comparar isolantes, é preciso conhecer a condução térmica e compreender o papel da condutividade e da espessura. Os itens sobre pneu e recipiente rígido pedem noções de gás ideal, pressão absoluta, temperatura em kelvins e proporcionalidade entre pressão e temperatura quando o volume permanece constante.

Outras questões retomam habilidades mais gerais: calcular uma taxa de variação, interpretar unidades como m/s e usar a relação entre velocidade, tempo e distância. Há ainda um item de equilíbrio de forças e momentos. Esses conhecimentos não substituem o estudo específico de escalas ou dilatação, mas podem ajudar a diagnosticar lacunas de leitura, unidades e aplicação de modelos físicos.

Onde os alunos mais erram

Um erro recorrente nas situações térmicas é começar a calcular sem conferir as unidades. No dimensionamento do PCM, por exemplo, deixar o tempo em horas quando a potência está em watts produz uma energia incompatível. Outro tropeço é tratar calor latente como se fosse calor sensível: durante a fusão, a energia recebida está associada à mudança de fase, e a relação indicada é Q = mL. Também pode ocorrer de o estudante escolher um material apenas pela capacidade energética e esquecer a temperatura de fusão e a faixa segura de funcionamento.

Na condução, o distrator mais provável é o painel de isopor com metade da espessura. A escolha pode parecer correta porque o material tem baixa condutividade, mas reduzir a espessura aumenta o fluxo de calor. Já no pneu, usar pressão manométrica diretamente na relação entre pressão e temperatura ignora que o modelo exige pressão absoluta. Nos itens de gases, também é importante não confundir a temperatura da superfície externa com a temperatura do ar interno nem aplicar proporcionalidade usando Celsius em vez de kelvins.

Em questões de apoio, aparecem erros de leitura de unidades e de modelo: esquecer que o sonar mede ida e volta, confundir velocidade com aceleração ou misturar soma de forças com soma de momentos. Aproveito esses distratores para pedir que a turma explique por que cada resposta parece plausível e qual dado do enunciado a invalida.

Como trabalhar em sala

• Comece por uma tabela de escalas: proponha temperaturas conhecidas e peça que os estudantes as expressem em Celsius e Kelvin. Faça a turma dizer qual escala é adequada antes de calcular. Isso prepara o uso de temperatura absoluta em problemas com gases.
• Separe os tipos de energia: apresente situações de aquecimento e de mudança de fase e peça que os alunos decidam se aplicam calor sensível ou latente. Depois, compare as unidades e o significado de cada grandeza.
• Faça previsões antes das contas: ao comparar dois materiais isolantes, pergunte qual deve permitir menor fluxo e por quê. Em seguida, use a expressão de condução para conferir a previsão, observando condutividade e espessura.
• Explore dados em pares: use os valores de pressão e temperatura do item do recipiente rígido para calcular p/T e verificar a proporcionalidade. Oriente os estudantes a mostrar a hipótese de volume constante junto com o resultado.
• Use distratores como diagnóstico: peça que pequenos grupos escolham uma alternativa incorreta e expliquem o raciocínio que poderia levar a ela. Depois, solicite que indiquem o dado ou conceito que corrige esse raciocínio.

Questões prontas de Escalas Termométricas e Dilatação Térmica para a 3ª série do Ensino Médio (com gabarito comentado)

Os itens a seguir podem ser aplicados como lista, atividade de revisão ou parte de uma prova. As questões 5, 6 e 7 retomam habilidades de apoio em mecânica e interpretação de grandezas; podem ser usadas para avaliar leitura e pré-requisitos junto das questões térmicas.

Questão 1 — Dimensionamento de material de mudança de fase

Durante um apagão, uma câmara frigorífica deve permanecer entre 2 °C e 8 °C por 10 horas. A entrada de calor é de 45 W. Módulos de PCM, solidificados quando a câmara está a 2 °C, devem fundir e absorver essa energia. Considere Q = Pt, Qlat = mL e 1 h = 3600 s. Qual especificação atende à situação?

• ❌ A) 10 kg, temperatura de fusão de 0 °C e L = 250 000 J/kg. A câmara a 2 °C não solidifica esse material nas condições descritas, então não há a recarga prevista.
• ❌ B) 7 kg, temperatura de fusão de 5 °C e L = 210 000 J/kg. A capacidade é 1 470 000 J, menor que a energia recebida durante o apagão.
• ❌ C) 9 kg, temperatura de fusão de 9 °C e L = 200 000 J/kg. Embora a capacidade energética seja suficiente, a fusão ocorre acima do limite de 8 °C.
• ❌ D) 8 kg, temperatura de fusão de 5 °C e L = 180 000 J/kg. A capacidade latente é 1 440 000 J, insuficiente para a carga térmica.
• ✅ E) 8 kg, temperatura de fusão de 5 °C e L = 210 000 J/kg. Em 10 horas, Q = 45 × 36 000 = 1 620 000 J; o módulo absorve 8 × 210 000 = 1 680 000 J e funde dentro da faixa segura.

Questão 2 — Comparação de isolantes térmicos

Uma caixa de alumínio tem laterais de área 0,6 m², com interior a 80 °C e ambiente a 30 °C. São comparados madeira (k = 0,13 W/m·K, espessura de 10 mm), isopor (k = 0,03 W/m·K, espessura de 20 mm) e lantejoulas refletoras (k = 0,40 W/m·K, espessura de 5 mm). Qual opção reduz mais o fluxo de calor por condução?

• ❌ A) Madeira com 10 mm. Sua condutividade é maior que a do isopor e sua espessura menor; o fluxo fica em torno de 390 W.
• ❌ B) Isopor com 10 mm. Ao reduzir pela metade a espessura do isopor, o fluxo aumenta em relação ao painel de 20 mm, ficando em torno de 90 W.
• ❌ C) Dupla camada de madeira, total de 20 mm. A espessura maior reduz o fluxo, mas a condutividade da madeira ainda resulta em cerca de 195 W.
• ✅ D) Isopor com 20 mm. A baixa condutividade e a maior espessura produzem o menor fluxo: q = kAΔT/d, aproximadamente 45 W.
• ❌ E) Lantejoulas refletoras com 5 mm. A reflexão de radiação não elimina a condução; a condutividade elevada e a pequena espessura resultam em fluxo alto.

Questão 3 — Pressão e temperatura do ar em um pneu

Um pneu registra pressão manométrica de 240 kPa a 20 °C e, depois de um trajeto, 300 kPa. A temperatura externa da borracha medida é 50 °C. Considere volume aproximadamente constante, gás ideal e pressão atmosférica de 100 kPa. Qual legenda interpreta melhor os dados sobre o ar interno?

• ✅ A) A pressão final é compatível com ar interno em torno de 70 °C, mais quente que a superfície medida. As pressões absolutas são 340 e 400 kPa; T₂ = 293 × (400/340) ≈ 345 K, ou cerca de 72 °C.
• ❌ B) A temperatura interna está perto de 90 °C usando 300/240. Essa razão usa pressões manométricas; é necessário somar a pressão atmosférica antes de aplicar a relação.
• ❌ C) O ar ficou a 50 °C porque essa é a temperatura da borracha. A medida da superfície não determina diretamente a temperatura do gás interno.
• ❌ D) A pressão subiu porque o pneu expandiu, sem aquecimento. O modelo informado considera volume aproximadamente constante, e aumento de volume, isoladamente, não explica esse aumento de pressão.
• ❌ E) A pressão só pode ter aumentado por vazamento, pois o aquecimento diminui a pressão. Em volume quase constante, o aquecimento eleva a pressão do gás.

Questão 4 — Taxa de variação da temperatura

A água de um recipiente passa de 25 °C para 75 °C após 10 minutos no fogo. Qual é a taxa média de variação da temperatura em °C/s?

• ❌ A) 0,05 °C/s. Não corresponde à variação de 50 °C distribuída pelos 600 segundos.
• ❌ B) 0,1 °C/s. É maior que a taxa calculada com o intervalo completo.
• ✅ C) 0,0833 °C/s. A variação é 75 − 25 = 50 °C e 10 minutos correspondem a 600 s; portanto, 50/600 ≈ 0,0833 °C/s.
• ❌ D) 0,125 °C/s. Esse valor não resulta da divisão da variação de temperatura pelo tempo correto.
• ❌ E) 0,2 °C/s. É muito alto para a variação de 50 °C ao longo de 600 segundos.

Questão 5 — Reação vertical em um pivô

Uma viga rígida horizontal de 3,0 m está apoiada em um pivô na extremidade esquerda. Sua massa é 6 kg, com peso concentrado no centro, e uma força vertical descendente de 30 N é aplicada a 2,0 m do pivô. Use g = 10 m/s². Qual é a reação vertical no pivô?

• ❌ A) 60 N. Esse valor considera o peso da viga, mas não soma a força descendente adicional de 30 N.
• ❌ B) 75 N. Não corresponde ao equilíbrio vertical das forças indicadas.
• ❌ C) 100 N. É superior à soma das forças descendentes informadas.
• ✅ D) 90 N. Pelo equilíbrio vertical, R − mg − 30 = 0; logo, R = 6 × 10 + 30 = 90 N.
• ❌ E) 30 N. Considera apenas a força aplicada e ignora o peso da viga.

Questão 6 — Profundidade medida por sonar

Um sonar emite um pulso sonoro e registra 0,6 s entre a emissão e o recebimento do eco. Com velocidade do som na água de 1 500 m/s, qual é a profundidade aproximada do fundo marinho?

• ❌ A) 360 m. O cálculo usa uma velocidade diferente da fornecida no enunciado.
• ❌ B) 900 m. Esse resultado corresponde ao percurso total de ida e volta; é preciso dividir por dois para obter a profundidade.
• ❌ C) 300 m. Usa 1 000 m/s em vez de 1 500 m/s.
• ✅ D) 450 m. O pulso percorre ida e volta: profundidade = (1 500 × 0,6)/2 = 450 m.
• ❌ E) 225 m. Aplica o fator de divisão duas vezes, embora seja necessário dividir o percurso total apenas por dois.

Questão 7 — Interpretação de uma unidade de velocidade

Em um relatório, a velocidade de um carro foi anotada como v = 20 m/s. Qual interpretação comunica corretamente esse resultado?

• ✅ A) O carro percorre 20 metros a cada segundo. É o significado da unidade metros por segundo.
• ❌ B) O carro percorre 20 segundos a cada metro. Essa leitura inverte a relação entre distância e tempo.
• ❌ C) O carro está parado. Um corpo parado teria velocidade igual a zero.
• ❌ D) O carro percorre 20 quilômetros por hora. A unidade m/s não significa km/h, e 20 m/s não equivale a 20 km/h.
• ❌ E) O carro acelera 20 m/s em cada segundo. Isso descreve uma aceleração, não a interpretação da velocidade apresentada.

Questão 8 — Lei de Gay-Lussac e temperatura absoluta

Em um recipiente rígido e fechado, a pressão de um gás ideal é 100 kPa a 300 K, 110 kPa a 330 K e 120 kPa a 360 K. Qual relação entre pressão e temperatura absoluta descreve os dados, considerando o volume constante?

• ❌ A) A pressão varia apenas quando o volume muda. O recipiente rígido mantém o volume constante, mas os dados mostram mudança de pressão com a temperatura.
• ❌ B) A pressão é diretamente proporcional à temperatura em Celsius. A proporcionalidade da lei dos gases deve ser formulada com temperatura absoluta, em kelvins.
• ❌ C) A pressão permanece constante. Os valores registrados aumentam de 100 para 120 kPa.
• ✅ D) A pressão é diretamente proporcional à temperatura absoluta. A razão p/T é constante: 100/300 = 110/330 = 120/360.
• ❌ E) A pressão é inversamente proporcional à temperatura absoluta. Os dados mostram crescimento conjunto, não uma relação inversa.

Próximos passos

Use os itens para observar não só quais respostas a turma escolhe, mas também como justifica conversões, hipóteses e unidades. Para ampliar o trabalho alinhado à habilidade, consulte as questões da habilidade EM13CNT102. Se quiser montar uma avaliação com outros conteúdos e níveis de dificuldade, acesse o gerador de provas do GeraProva ou faça seu cadastro grátis.

As questões podem ser adaptadas ao ritmo e aos objetivos da sua turma; use o gabarito como apoio para discutir os raciocínios, não apenas para conferir letras.