Herschel, em 1880, começou a escrever sobre a condensação da luz solar no foco de uma lente e queria verificar de que maneira os raios coloridos contribuem para o aquecimento. Para isso, ele projetou sobre um anteparo o espectro solar obtido com um prisma, colocou termômetros nas diversas faixas de cores e verificou nos dados obtidos que um dos termômetros iluminados indicou um aumento de temperatura maior para uma determinada faixa de frequências.
SAYURI, M.; GASPAR, M. B. Infravermelho na sala de aula.
Disponível em: www.cienciamao.usp.br. Acesso em: 15 ago. 2016 (adaptado).
Para verificar a hipótese de Herschel, um estudante montou o dispositivo apresentado na figura. Nesse aparato, cinco recipientes contendo água, à mesma temperatura inicial, e separados por um material isolante térmico e refletor são posicionados lado a lado (A, B, C, D e E) no interior de uma caixa de material isolante térmico e opaco. A luz solar, ao entrar na caixa, atravessa o prisma e incide sobre os recipientes. O estudante aguarda até que ocorra o aumento da temperatura e a afere em cada recipiente.
Em qual dos recipientes a água terá maior temperatura ao final do experimento?
A) A
B) B
C) C
D) D
E) E
Resolução Em Texto
📚 Matérias Necessárias para a Solução da Questão
- Física (Ondulatória: Espectro Eletromagnético, Decomposição da Luz)
- Física (Termologia: Transferência de Calor por Radiação)
- Interpretação de Texto Científico
🎯 Tema/Objetivo Geral
Compreensão da distribuição de energia no espectro solar, identificando a região do espectro eletromagnético que transporta mais energia térmica (infravermelho).
📊 Nível da Questão
Médio a Difícil.
Por quê? A questão exige a aplicação de um conhecimento específico de física que não é intuitivo: a de que a maior parte da energia térmica do Sol está em uma faixa de radiação invisível, o infravermelho. O aluno precisa saber a ordem das cores no espectro e onde o infravermelho se localiza em relação a elas para responder corretamente.
✅ Gabarito
Alternativa A.
Resumo: O prisma decompõe a luz solar nas cores do espectro visível. A cor de menor frequência é o vermelho. A radiação com frequência imediatamente inferior à do vermelho é o infravermelho. Foi a descoberta histórica de Herschel que a maior parte da energia térmica transportada pela luz solar se concentra nessa faixa invisível. Portanto, o recipiente A, posicionado ao lado do vermelho, na região do infravermelho, será o que mais aquecerá.
Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo
Transcrição Essencial 📌
“Em qual dos recipientes a água terá maior temperatura ao final do experimento?”
O que está sendo pedido?
A questão nos pede para prever o resultado do experimento, identificando qual dos recipientes (A, B, C, D ou E) receberá a maior quantidade de energia térmica da luz solar decomposta e, consequentemente, ficará mais quente.
Objetivo Cristalino 💎
Nosso objetivo é usar o conhecimento sobre o espectro eletromagnético para determinar qual faixa da radiação solar (visível ou invisível) é a principal responsável pelo aquecimento.
🧠 Você já chegou perto de uma brasa de carvão? Mesmo que ela não esteja emitindo muita luz visível, você sente um calor intenso. Que tipo de “luz invisível” é essa que transporta tanto calor?
Passo 2: Explicação de Conceitos e Conteúdo Necessários
Definição de Termos 🔖
- Decomposição (ou Dispersão) da Luz: Fenômeno que ocorre quando a luz branca (como a solar) passa por um prisma e se separa nas diferentes cores que a compõem. A ordem das cores é sempre a mesma, baseada em suas frequências (ou comprimentos de onda).
- Espectro Eletromagnético: É o conjunto de todas as formas de radiação eletromagnética, organizadas por frequência/energia. A luz visível é apenas uma pequena parte desse espectro.
- Ordem crescente de frequência/energia: Ondas de rádio → Micro-ondas → Infravermelho → Luz Visível (Vermelho, …, Violeta) → Ultravioleta → Raios X → Raios Gama.
- Radiação Infravermelha (IV): É a faixa do espectro eletromagnético com frequência imediatamente abaixo da luz vermelha. É a principal forma de radiação associada à transferência de calor. Todos os corpos aquecidos emitem radiação infravermelha (incluindo nosso próprio corpo).
- Experimento de Herschel (1800): William Herschel realizou exatamente o experimento descrito. Ele decompôs a luz solar com um prisma e mediu a temperatura de cada cor. Para sua surpresa, ele descobriu que a temperatura continuava a aumentar mesmo em uma região além do vermelho, onde não havia luz visível. Ele havia descoberto a radiação infravermelha e provado que ela era a principal responsável pelo aquecimento.
Passo 3: Tradução e Interpretação do Problema
Contextualização Simplificada 💬
O estudante está recriando um dos experimentos mais famosos da história da física. Ele pega a luz do sol, a passa por um prisma (que funciona como a capa do disco do Pink Floyd) e a divide em um arco-íris (o espectro). Ele coloca cinco potinhos com água para serem “iluminados” por esse arco-íris. Os potes B, C, D e E recebem as cores visíveis. Mas, crucialmente, ele coloca o pote A um pouco “fora” do arco-íris, ao lado do vermelho.
A pergunta é: qual pote vai ficar mais quente? A intuição poderia nos levar a pensar em uma das cores visíveis. Mas a grande descoberta de Herschel foi que a maior parte do “calor” do sol não está nas cores que vemos, mas em uma “luz invisível” que fica logo depois do vermelho. Essa luz é o infravermelho. Portanto, o pote A, que está posicionado para receber essa radiação, será o que atingirá a maior temperatura.
Estratégia Geral 🗺️
Nossa estratégia será aplicar o conhecimento histórico e físico do experimento de Herschel. Vamos identificar a ordem das cores no espectro projetado e localizar a região do infravermelho, que é a de maior energia térmica.
Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio
Passo a Passo Detalhado 👣
- Análise do Dispositivo: Um prisma decompõe a luz solar. A imagem mostra o espectro visível sendo projetado sobre os recipientes.
- Identificação da Ordem do Espectro: A luz vermelha é a que sofre o menor desvio ao passar pelo prisma, e a violeta é a que sofre o maior desvio. O esquema mostra corretamente o vermelho incidindo em B e o violeta em E.
- Localização do Infravermelho: O espectro eletromagnético é contínuo. A região com frequência imediatamente inferior à da luz vermelha é o infravermelho. No esquema, essa região corresponde à posição do recipiente A.
- Localização do Ultravioleta: A região com frequência imediatamente superior à da luz violeta é o ultravioleta. No esquema, essa seria uma posição à direita do recipiente E.
- Aplicação do Resultado de Herschel: O texto de apoio menciona a descoberta de Herschel: “…um dos termômetros iluminados indicou um aumento de temperatura maior para uma determinada faixa de frequências.” A história da ciência nos conta que essa faixa era a do infravermelho. A maior parte da energia térmica irradiada pelo Sol está na forma de radiação infravermelha.
- Conclusão: Portanto, o recipiente A, posicionado para receber a radiação infravermelha (invisível, mas com alta energia térmica), será o que apresentará o maior aumento de temperatura.
A Armadilha Comum 🚨
A principal armadilha é a falta do conhecimento específico de que o pico de energia térmica está no infravermelho. Um aluno sem esse conhecimento poderia chutar uma das cores “quentes”, como o vermelho (B) ou o amarelo, ou talvez a de maior frequência, como o violeta (E), baseando-se em raciocínios incorretos sobre a energia das cores.
Fechamento e Expectativa
A análise baseada no experimento de Herschel nos leva a identificar o recipiente posicionado na faixa do infravermelho como o que terá a maior temperatura.
Passo 5: Análise das Alternativas
🟢 A) A
Correta. O recipiente A está posicionado na região do espectro adjacente ao vermelho, que corresponde à radiação infravermelha, a principal responsável pelo aquecimento proveniente da luz solar.
🔴 B) B
Incorreta. O recipiente B recebe a luz vermelha. Embora aqueça, o aquecimento é menor do que na faixa do infravermelho.
🔴 C) C
Incorreta. Recebe luz amarela/verde. O aquecimento é ainda menor.
🔴 D) D
Incorreta. Recebe luz azul/anil. O aquecimento é menor.
🔴 E) E
Incorreta. Recebe luz violeta. Embora a luz violeta seja mais energética por fóton (E=hf) do que a vermelha, a potência térmica total (energia por segundo) irradiada pelo Sol é maior na faixa do infravermelho.
Passo 6: Conclusão e Justificativa Final
Resumo do Raciocínio 📝
O experimento descrito replica a famosa descoberta de William Herschel sobre a radiação infravermelha. Ao decompor a luz solar com um prisma, o espectro eletromagnético é projetado sobre os recipientes. A radiação infravermelha, que é invisível e possui frequência logo abaixo da luz vermelha, é a que transporta a maior parte da energia térmica do Sol. O recipiente A está posicionado exatamente nessa faixa, ao lado do vermelho. Portanto, ele absorverá mais energia térmica do que os recipientes que recebem apenas a luz visível, resultando em uma maior temperatura final da água.
Gabarito Reafirmado 🏅
A alternativa correta é a A.
Resumo Final para Revisão 🔍
Lembre-se do espectro e do calor: INFRAvermelho significa “abaixo do vermelho”. E é nessa faixa “invisível” que a maior parte do calor do Sol se encontra. Pense no controle remoto da sua TV: ele usa luz infravermelha que você não vê, mas que está lá, transmitindo energia.
