4ª CONFERÊNCIA DE FMT II. CALOR E 1ª LEI DA TERMODINÂMICA

Apresentação em tema: "4ª CONFERÊNCIA DE FMT II. CALOR E 1ª LEI DA TERMODINÂMICA"— Transcrição da apresentação:

1 4ª CONFERÊNCIA DE FMT II. CALOR E 1ª LEI DA TERMODINÂMICA
Conteúdos: Processo adiabático Energia interna Equivalente mecânico do calor Capacidade térmica e calor específico

2 2.1. Calor e energia interna
Processo adiabático: É um processo que decorre dentro dum sistema termodinâmico sem que este troque energia, em forma de calor, com a sua vizinhança. Ex: Processos que ocorrem num sistema que esteja termicamente isolado da sua vizinhança. ENERGIA INTERNA: É toda a energia do sistema que está associada aos seus componentes microscópicos – átomos e moléculas

3 Energia interna (cont.)
A energia interna – U – inclui energia cinética de translação e de rotação, de vibração das moléculas, energia potencial dentro das moléculas e energia potencial entre as moléculas. A energia interna pode ser vista como a soma das energias cinéticas e energias potenciais das moléculas que compõem o sistema. (2.1) A energia interna é uma função do estado. Quando se aquece uma substância está-se transferindo energia para ele através do contacto que se estabelece com a vizinhança que se encontra à alta temperatura.

4 Calor e energia interna (cont.)
Como consequência desse processo, a temperatura da substância aumenta e por conseguinte a sua energia interna também aumenta. A energia interna do sistema também pode variar mesmo que não haja troca de calor entre o sistema e sua vizinhança. Ex: - Quando um gás é comprimido por um pistão, o gás aquece e por conseguinte a sua U aumenta. - Quando um gás se expande rapidamente, arrefece e, por consequência, a sua U diminui. As variações de T e por conseguinte de U devem-se à compressão e expansão. Em ambos os casos ocorre a transmissão de energia, em forma de trabalho, entre o sistema e sua vizinhança e a

5 Calor e energia interna (cont.)
Tal como o trabalho mecânico realizado sobre um sistema é a medida da quantidade de energia transferida para o sistema a partir da vizinhança, o calor é a medida da energia que se transfere entre o sistema e a sua vizinhança devido à diferença de temperaturas entre si. Assim, calor e trabalho são formas de transmissão de energia ou formas de variação de energia do sistema. Calor (Q) e trabalho (W) são grandezas de processo. Unidades de calor: Caloria (cal) – é a quantidade de energia que é necessário transferir para aumentar a temperatura de 1 g de água a partir de 14,5ºC para 15,5ºC.

6 Calor e energia interna (cont.)
Actualmente, para a descrição dos processos térmicos usa-se a unidade de energia no SI EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR Da Mecânica, sabe-se que a energia Mecânica (EM) não se conserva se no sistema actuam forças não-conservativas. Diversas experiências mostram que a energia mecânica não desaparece mas transforma-se em energia interna. A ligação entre a EM e U foi sugerida 1º por Benjamim Thomson. No entanto, a equivalência entre essas duas grandezas foi estabelecida por Joule.

7 Esquema da experiência de Joule TPC: Explicar a experiencia de Joule

8 Equivalente mecânico do calor (Cont.)
O trabalho é realizado sobre a água girando as paletas, as quais são accionadas pelos blocos de massa m que caiem à velocidade constante. A água agitada aquece devido ao atrito entre esta e as paletas. Se as perdas de energia nos eixos e nas paredes do recipiente forem desprezíveis, então a ΔEp associada aos blocos é igual ao W realizado pelas paletas sobre a água. Se os blocos caiem até à distância h, então, ΔEp = 2mgh. É esta energia que causa o aumento de temperatura em ΔT. Variando as condições da experiência, Joule notou que ΔEp é proporcional a ΔT.

9 Equivalente mecânica do calor (cont.)
A constante de proporcionalidade era aproximadamente igual a Medições mais precisas, feitas mais tarde, demonstraram que a constante de proporcionalidade era quando a temperatura da água aumenta de 14,5ºC à 15,5 ºC. Isto significa que 4,186 J de energia mecânica, aumentam a temperatura de 1 g da água em 1ºC. Por isso, 1 cal = 4,186 J e, por razões históricas, esta igualdade é conhecida como equivalente mecânico do calor.

10 2.2. Capacidade térmica e calor específico
Quando se fornece calor a uma substância e não ocorrer realização de trabalho, a temperatura da substância, normalmente aumenta (excepto se a substância está sofrer uma transição de fase). A quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura, de uma dada massa da substância por um dado valor, varia de substância para substância. Ex: Para aumentar a temperatura de 1 kg de água em 1ºC é preciso fornecer 4186 J, mas para aumentar a temperatura de 1 kg de cobre em 1º C é preciso fornecer 387 J. A capacidade térmica C dum corpo é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura do corpo em 1º C.

11 Capacidade térmica e calor específico (cont.)
Para variações finitas das grandezas temos a seguinte relação: Para variações infinitesimais das grandezas temos a relação: Onde é a quantidade de calor elementar; é a variação diferencial na temperatura do corpo. A capacidade térmica depende da massa do corpo.

12 Capacidade térmica e calor específico (cont.)
Calor específico: é a quantidade de calor que é necessário fornecer à unidade da quantidade de substância (kg, mole, …) para elevar a sua temperatura em 1º C (ou 1 K). Para variações finitas: O calor específico é uma característica da substância.

13 Calor específico: É essencialmente a medida da sensibilidade térmica da substância. O calor Q trocado entre a amostra de massa m do material e a sua vizinhança para uma variação de temperatura ΔT é dada por: O calor específico varia com a temperatura. Contudo, se os intervalos de variação de temperatura não forem muito grandes, a variação de c pode ser ignorada e tratá-la como sendo uma grandeza constante.

14 Calor específico (cont.)
Em geral, se c varia com a temperatura ao longo do intervalo, teremos: Das substâncias mais comuns, a água apresenta maior calor específico. Isto faz com que a água seja uma substância moderadora de temperaturas CONSERVAÇÃO DE ENERGIA. CALORIMETRIA. Uma técnica para medir o calor específico dum material, envolve o aquecimento duma amostra do material até a uma dada temperatura Tx ; colocá-la num recipiente termicamente isolado contendo água de massa conhecida à temperatura Ta < Tx .

15 Em seguida, mede-se a temperatura de equilíbrio do sistema água + amostra. A quantidade de energia térmica libertada pela amostra (cujo calor específico se pretende determinar) é igual à quantidade de calor absorvida pela água. Esta técnica chama-se calorimetria e o dispositivo chama- se calorímetro. Convenciona-se que quando absorvido pelo sistema e quando cedido pelo sistema.

16 Conservação de energia (cont.)
Conservação de energia: Em geral se vários corpos interagem termicamente num sistema termicamente isolado, então: A energia que é absorvida em forma de calor na parte menos quente do sistema é igual a que é libertada na parte mais quente do sistema.