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Experimento 8 - Radiômetro de Crookes


EXPERIMENTO 8 - LABAP: VARIAÇÃO DE PRESSÃO, MÁQUINA TÉRMICA, TROCAS DE CALOR, CONVECÇÃO, IRRADIAÇÃO, ONDAS ELETROMAGNÉTICAS / FÍSICA II e III.

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CONCEITOS RELEVANTES: RADIÔMETRO DE CROOKES.

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O Radiômetro de Crookes, também conhecido como moinho de luz, consiste de um vidro vedado contendo vácuo parcial. Dentro do vidro, há uma série de hélices que são montadas em um eixo. As hélices rodam quando expostas à luz.

Foi inventado em 1873 pelo químico Sir William Crookes como subproduto de outras pesquisas na área de química. Durante um trabalho de química quantitativa muito preciso, ele pesava amostras numa câmara com vácuo parcial para reduzir os efeitos das correntes de ar, e percebeu que os pesos eram alterados quando a luz solar incidia na balança. Investigando este efeito, ele criou o dispositivo que levou seu nome.

O radiômetro é feito de um bulbo de vidro do qual é removido a maior parte do ar, formando vácuo parcial. Dentro do bulbo, em um eixo de pouco atrito, está um rotor com várias (normalmente quatro) levíssimas hélices de metal igualmente espaçadas ao redor do eixo. As hélices são polidas ou brancas de um lado e pretas do outro. Quando expostas à luz solar, luz artificial ou radiação infravermelha (até mesmo o calor de uma mão nas proximidades pode ser o suficiente), as hélices giram sem força motriz aparente, com os lados claros avançando para a fonte de radiação. O resfriamento do radiômetro causa rotação em sentido contrário.

O efeito começa a ser perceptível em pressões de vácuo parcial da ordem de poucos milímetros de mercúrio (torr), atinge um pico ao redor de 10-2 torr e desaparece quando o vácuo atinge 10-6 torr. Nesses vácuos extremos, o efeito da pressão de radiação do fóton nas hélices pode ser percebido em aparelhos muito sensíveis (Radiômetro de Nichols), mas este efeito é insuficiente para causar rotação.

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EXPLICAÇÃO DA EXPERIÊNCIA:

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Para que qualquer máquina térmica funcione, deve haver uma diferença de temperatura. Neste caso, o lado escuro da hélice é mais quente que o outro lado, uma vez que a energia radiante da fonte de luz aquece o lado negro por absorção do corpo negro mais rapidamente que o lado metálico ou branco. As moléculas internas de ar são "aquecidas" (apresentam um aumento de velocidade) quando tocam o lado escuro da hélice.

A temperatura interna aumenta conforme o lado negro das hélices fornece calor para as moléculas do vácuo parcial, mas elas são resfriadas novamente quando atingem a superfície de vidro, que está à temperatura ambiente. A perda de calor através do vidro mantém a temperatura interna controlada, de modo que os dois lados da hélice podem manter uma diferença de temperatura. O lado branco ou metálico das hélices é levemente mais quente que o ar interno, porém mais frio que os lados negros das hélices, pois uma parte de calor é conduzida através da hélice do lado negro. Os dois lados de cada hélice devem permanecer termicamente isolados até certo grau para que o lado metálico ou branco não atinja a temperatura do lado negro imediatamente. Se as hélices são feitas de metal, a própria tinta branca ou negra pode servir como isolante. O vidro permanece muito mais perto da temperatura ambiente que o lado negro das hélices. A maior pressão externa de ar facilita a remoção do calor do vidro.

Um vácuo completo dentro do bulbo não causa movimento porque não há moléculas de ar suficientes para causar correntes de ar que movimentem as hélices e transfiram o calor para o exterior antes que os dois lados de cada hélice atinjam o equilíbrio térmico através de condução pelo material da hélice. Pressões interiores maiores não causam movimento porque as diferenças de temperatura não são suficientes para mover a maior concentração de ar: haveria então muita resistência atmosférica para a ocorrência das correntes de ar. O leve movimento do ar causado pela diferença de temperatura é bloqueado pela maior pressão antes que o efeito se espalhe para o outro lado.

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Direitos autorais do vídeo: Prof. João Paulo (vice coordenador do LABAP) - Física.


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