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Temas de física II FÍSICA TÉRMICA Prof. Alessandre.

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1 Temas de física II FÍSICA TÉRMICA Prof. Alessandre

2 O CURSO: Ementa: Parte-se da seleção e realização de investigação temática, com base na dimensão dialógica e problematizadora, visando promover a interpretação e construção de conceitos, relações, modelos e teorias que comporão o conjunto de conhecimentos, que de forma integrada possibilitam melhor compreender o(s) tema(s) em questão. Neste Temas de Física II são propostas temáticas iniciais relacionadas às influências no ambiente e na saúde, usos da energia, som, imagem e informação. Deverão ser tratadas, as leis e princípios relevantes que forneçam suporte aos temas escolhidos, com destaque para a contextualização fenomenológica das ações do calor nos processos naturais, no cotidiano e no meio ambiente, além dos processos tecnológicos. O mesmo de ser feito para processos de formação e detecção de sons e imagens, ressaltando a análise do funcionamento da visão e audição humana. As atividades devem fazer uso de práticas experimentais, como alternativa suporte para o processo de construção conceitual.

3 O CURSO: Período, horário e carga horária: Pré- Requisitos:
Periodo: 04/04 a 27/04/2011 Horário: Tarde (5 h) Carga horária: 80 h. Pré- Requisitos: Conhecer os conceitos básicos da termodinâmica e ondulatória em nível intermediário (ensino médio), assim como, ter a competência de utilizar as ferramentas matemáticas exigidas (Cálculo Diferencial e Integral). Aulas e Conteúdo Programático: Aula 1 – 04/04/2011: Temperatura, Lei Zero da Termodinâmica e Dilatação Térmica. Aula 2 – 05/04/2011: Calor, transferência e transformação de Calor; e 1ª Lei da Termodinâmica. Aula 3 – 06/04/2011: Teoria Cinética dos Gases. Aula 4 – 07/04/2011: Teoria Cinética dos Gases. Aula 5 – 08/04/2011: Atividade Avaliativa. Aula 6 – 11/04/2011: Entropia e a 2ª Lei da Termodinâmica.

4 O CURSO: Aulas e Conteúdo Programático: Bibliografia:
Aula 7 – 12/04/2011: Ondas – Conceito e propriedades, Exercícios. Aula 8 – 13/04/2011: Ondas – Acústicas, Efeito Doppler, Audição Humana. Aula 9 – 14/04/2011: Detecção e formação de sons e imagens, Visão Humana e Exercícios. Aula 10 – 15/04/2011: Atividade Avaliativa. Aula 11 – 18/04/2011: Atividade Avaliativa - Prova. Aula 12 – 19/04/2011: Vida, Meio Ambiente e tecnologia – Aplicações da Termodinâmica Aula 13 – 20/04/2011: Energia e Meio ambiente; Exercícios. Aula 14 – 25/04/2011: Atividades no Laboratório. Aula 15 – 26/04/2011: Revisão e Exercícios. Aula 16 – 27/04/2011: Atividade Avaliativa – Prova de 3ª. Bibliografia: 1. HALLIDAY e RESNICK – Fundamentos de Física – Vol 2 e 4 – 8ª Ed. 2. NUSSENVEIG, Moysés – Curso de Física Básica 2. 3. TIPLER, Paul – Física 2.

5 O CURSO: **Avaliação: 1° instrumento – Listas de exercícios e Relatórios ,0 pts. 2ª instrumento – Prova ,0 pts. 3ª instrumento – Prova ,0 pts*. Média de aprovação ,0 pts. *A 3ª prova será somente para quem não atingiu a média 8,0 ** Forma de avaliação para o curso regular na UEPA. *Guia Acadêmico – : “Será aprovado, sem necessidade de exame final, o aluno que obtiver 75% de frequência na disciplina, e média aritmética das notas parciais igual ou superior a 8,0 (oito)”. Aprovação por média – Regime por bloco de disciplina. 1ª nota parcial = 1ªNP 2ª nota parcial = 2ªNP Média das notas parciais = MNP Exemplo: 1ª nota parcial = 9,0 2ª nota parcial = 7,0 MNP = (9,0+7,0)/2 = 8,0 Mínimo de 75% de frequência.

6 O CURSO: *Guia Acadêmico – – Exame Final: “Fará o exame final o aluno com frequência mínima de 75% e média das notas parciais igual ou superior a 4,0 (quatro) e inferior a 8,0 (oito)”. Exame final – Regime por bloco de disciplina. Será aprovado o aluno cuja média aritmética calculada entre a nota do exame final e a média das notas parciais, for igual ou superior a 6,0 (seis). Média das notas parciais = MNP Nota do Exame final = EF Média Final = MF Mínimo de 75% de frequência. Exemplo: MNP = 6,0 EF = 8,0 MF = (6,0+8,0)/2 = 7,0 Aprovado!!!

7 Introdução à física térmica

8 Capítulo 18 - temperatura
A temperatura é uma medida da agitação das partículas que compõe um certo material. Se considerarmos as moléculas de um gás, quanto maior a sua temperatura mais energia cinética terão essas moléculas. Equilíbrio térmico Dois corpos em contato físico, estão em equilíbrio térmico quando param de trocar energia, quando o fluxo líquido de energia entre eles é nulo. Quando isso acontece, a temperatura dos dois corpos é a mesma.

9 Lei zero da termodinâmica
Se dois corpos A e B estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C (o termômetro) , eles também estarão em equilíbrio térmico entre si. Medindo a Temperatura Existem várias grandezas que variam as suas características quando varia a nossa percepção fisiológica de temperatura. Entre essas grandezas estão: - o volume de um líquido, - o comprimento de uma barra - a resistência elétrica de um material o volume de um gás mantido a pressão constante Qualquer dessas pode ser usada para construir um termômetro, isto é: estabelecer uma determinada escala termométrica. Uma tal escala termométrica é estabelecida pela escolha de uma determinada substância termométrica e também uma propriedade termométrica desta substância.

10 Medindo a Temperatura Suponhamos que o nosso termômetro seja baseado em um sistema em que medimos uma propriedade termométrica X, a temperatura T é função de X, T(X). Escolhemos a relação mais simples possível entre T e X: a relação linear, dada por: Onde X é a comprimento da coluna de mercúrio em um termômetro e a e b são constantes a serem determinadas.

11 Medindo a Temperatura Usando os valores das constantes, temos que:

12 Medindo a Temperatura

13 Escala Celsius Para calibrar este termômetro na escala *Celsius vamos considerar que as temperaturas T(X1)=0°C e T(X2)=100°C são respectivamente o ponto de vapor e o ponto do gelo, e que X1 e X2 são os respectivos comprimentos da coluna de mercúrio. Desse modo, encontramos que: Isso equivale a dividir a escala entre X0 e X100 em cem partes iguais, cada subdivisão correspondendo a 1°C , ou seja equivale a dizer que a dilatação da coluna de mercúrio é linear com T(X). *Escala Celsius – Homenagem ao físico e astrônomo sueco Andrews Celsius (1701 – 1744).

14 Relação entre Celsius e Fahrenheit
Escala Fahrenheit A escala *Fahrenheit é usada nos Estados Unidos e Inglaterra. Para calibrar este termômetro na escala Celsius vamos considerar que as temperaturas T(X1)=32°C e T(X2)=212°C são respectivamente o ponto de vapor e o ponto do gelo, e que X1 e X2 são os respectivos comprimentos da coluna de mercúrio. Desse modo, encontramos que: Relação entre Celsius e Fahrenheit Se considerarmos dois termômetros de mesmo formato, feitos do mesmo material e calibrados nestas escalas, podemos dizer que quando estiverem medindo a mesma situação, a coluna terá um tamanho X , e portanto: *Escala Fahrenheit – Homenagem ao físico alemão Daniel G. Fahrenheit (1686 – 1736).

15 Relação entre Celsius e Fahrenheit
Ou seja, Ou ainda, Obs: O intervalo de correspondência entre as escalas Celsius e Fahrenheit é dado por: 9 graus F = 5 graus C Escala Kelvin Na escala *Kelvin, um dos pontos de calibração, o da temperatura zero, corresponde ao valor zero da propriedade termométrica; equivale a dizer que atribui-se a constante b o valor zero e, em consequência,

16 Escala Kelvin Para determinar a temperatura nesta escala precisamos de apenas um ponto de calibração. Neste ponto, a temperatura é definida como T(X0) e a propriedade termométrica tem o valor medido X0. Então, Por acordo geral escolhe-se como ponto de calibração a temperatura em que o gelo, a água e o vapor de água coexistem em equilíbrio. Este ponto é chamado de ponto tríplice da água. Por acordo internacional , a temperatura do ponto tríplice é fixada em: Ttr = 273,16 K O tamanho do grau é o mesmo na escala Celsius e na escala Kelvin, no entanto, na escala Celsius o zero está colocado em uma posição mais conveniente. A unidade padrão de temperatura no SI é o K (kelvin) Assim temos a correspondência entre a escala Celsius e a Kelvin Ou seja, *Escala Kelvin – Homenagem ao físico inglês Lord Kelvin (1842 – 1907).

17 Escala Kelvin Obs.: O zero Kelvin é a temperatura mais baixa que pode atingir a matéria, a energia molecular é mínima e tende para um valor finito (energia do ponto zero), mas a E ≠ 0. Sabe-se que não há, teoricamente, um limite superior para a temperatura que um corpo pode alcançar. Observa-se, entretanto, que existe um limite inferior. Os cientistas verificaram que é impossível reduzir a temperatura de qualquer substância a um valor inferior a -273,15°C (o zero absoluto). O físico inglês Lorde Kelvin propôs uma escala termométrica, que leva o seu nome. Tal escala tem origem no zero absoluto, usando como unidade de variação o grau Celsius. Na escala Kelvin, a temperatura de fusão do gelo corresponde a 273,15 K e a de ebulição da água, a 373,15 K.

18 exercícios 1- A que temperatura os seguintes pares de escala possuem a mesma leitura, se isto acontecer: Fahrenheit e Celsius. Fahrenheit e Kelvin. Celsius e Kelvin Solução 1- a)

19 b) c)

20 exercícios 2- Um turista, ao descer no aeroporto de Nova York, viu um termômetro marcando 68°F. Fazendo algumas contas, esse turista verificou que essa temperatura era igual à de São Paulo, quando embarcara. A temperatura de São Paulo, no momento de seu embarque, era de: Solução Assim teremos:

21 exercícios 3- Suponha que em uma escala linear de temperatura X, a água ferva a ,5°X e se congele a -170°X . Qual a temperatura de 340K na escala X ? Solução Relacionando a escala X com a escala Kelvin: Fazendo as contas:

22 simulador

23 Dilatação térmica Quando aumentamos a temperatura de um sólido ele se dilata. A dilatação térmica desse sólido está associada ao aumento da distância entre os átomos vizinhos que o compõe. Poderíamos dizer que a força de interação elétrica entre esses átomos já não é suficiente para mantê-los tão próximos um dos outros devido a agitação térmica oriunda do aumento da temperatura. Consideremos que em uma temperatura inicial Ti um sólido tenha um comprimento L0 . Se aumentarmos a temperatura de ΔT , esse sólido aumentará o seu comprimento de ΔL . Para uma dada variação de temperatura podemos entender que a dilatação do sólido ΔL será proporcional ao seu comprimento inicial L0 . Para uma variação de temperatura suficientemente pequena, podemos ainda inferir que a dilatação do sólido ΔL também será proporcional ao aumento da temperatura ΔT. Desse modo, podemos resumir, como: onde a constante de proporcionalidade α é chamada de coeficiente de dilatação linear do material considerado.

24 Dilatação térmica - Dilatação Linear:

25 Dilatação térmica - Dilatação Linear:

26 Dilatação térmica Para muitos sólidos os coeficientes de dilatação é o mesmo nas suas diversas dimensões. Dizemos que eles têm uma dilatação isotrópica. Vamos considerar que uma chapa plana tenha dimensões L01 e L02 para uma dada temperatura inicial. Quando variamos a temperatura de ΔT as dimensões se alteram para L1 e L2 conforme a figura ao lado. Considerando que os coeficiente de dilatação são os mesmos nas duas dimensões, teremos que:

27 Dilatação térmica As áreas inicial e final podem ser definidas como:
Ou seja, Sabendo que , então: De forma que,

28 Dilatação térmica Quando lidamos com dilatação volumétrica de sólidos, podemos usar um raciocínio similar e encontrar que: Em sólidos isotrópicos o coeficiente de dilatação superficial é definido como γ = 2α e o coeficiente de dilatação volumétrica é definido como β = 3α .

29 Dilatação térmica

30 Dilatação térmica Coeficiente de dilatação linear de alguns materiais.

31 exercícios 1- Num laboratório situado na orla marítima paulista, uma haste de ferro de 50 cm de comprimento está envolta em gelo fundente. Para a realização de um ensaio técnico, essa barra é colocada num recipiente contendo água em ebulição, até atingir o equilíbrio térmico. A variação de comprimento sofrida pela haste foi de: (Dado: α(Fe) = 1,2.10–5°C–1) Solução a) 12 mm b) 6,0 mm c) 1,2 mm d) 0,60 mm e) 0,12 mm A variação de comprimento é dado por: Substituindo:

32 exercícios 2- A 20°C , uma barra mede exatamente 20,05cm de comprimento em uma régua de aço. Tanto a barra quanto a régua são colocadas em um forno a 270°C, onde a barra passa a medir 20,11cm na mesma régua. Qual o coeficiente de expansão térmica para o material do qual é feita a barra? Solução De acordo com a figura observe: (T0 = 20°C e T = 270°C) Dados:

33 Solução Assim a expansão térmica da régua:
Assim a expansão térmica da barra: Igualando:

34 Dilatação térmica - Dilatação dos Líquidos:
Os líquidos, diferentemente dos sólidos, estão sempre contidos em recipientes. Ao variar sua temperatura, altera-se também a do recipiente, pois ambos estão em contato direto. Quando o líquido sofre dilatação, o recipiente também dilata. Caso certo volume de água aumente dois litros e o recipiente amplie de volume em 0,5 litros, tem-se a impressão de que o volume aumentado foi de 1,5 litros. Essa falsa impressão consiste na dilatação aparente. ΔVL = Variação de volume do líquido. ΔVA = Variação de volume aparente. ΔVR = Variação de volume do recipiente.

35 Dilatação térmica - Dilatação dos Líquidos:
Quando temos transbordamento de líquido, a dilatação volumétrica do líquido é dada pela soma do volume transbordado mais a dilatação volumétrica do frasco. ΔVL = Variação de volume do líquido. ΔVA = Variação de volume aparente. ΔVR = Variação de volume do recipiente. Como as dilatações começam juntas, considera-se o volume inicial aquele ocupado pelo líquido, assim temos: E os coeficientes:

36 Dilatação térmica - Dilatação dos Líquidos:

37 exercícios Um recipiente de vidro de capacidade 2,0x102cm3 está completamente cheio de mercúrio, a 0°C. Os coeficientes de dilatação volumétrica do vidro e do mercúrio são, respectivamente, 4,0x10–5°C–1 e 1,8x10–4°C–1. Aquecendo o conjunto a 100°C, o volume de mercúrio que extravasa, em cm3, vale: a) 2,8 . 10–4 b) 2,8 . 10–3 c) 2,8 . 10–2 d) 2,8 . 10–1 e) 2,8 Solução Achando o coeficiente aparente: O volume que extravasa (aparente):

38 exercícios Um frasco está inteiramente cheio com 2,0 litros de determinado líquido, que tem coeficiente de dilatação volumétrico 5,0 . 10–4°C–1. Aquecendo-se o conjunto de 50°C, nota-se transbordamento de 47ml de líquido. Supondo-se desprezível a evaporação do líquido, o coeficiente de dilatação linear do material do qual é feito o frasco é, em °C–1: a) 1,0 . 10–5 b) 2,0 . 10–5 c) 3,0 . 10–5 d) 4,0 . 10–5 e) 5,0 . 10–5 Solução Achando o coeficiente aparente: Agora o coeficiente do frasco:

39 exercícios O dono de um posto de gasolina recebeu litros de combustível por volta das 12 horas, quando a temperatura era de 35°C. Ao cair da tarde, uma massa polar vinda do Sul baixou a temperatura para 15°C e permaneceu até que toda a gasolina fosse totalmente vendida. Qual foi o prejuízo, em litros de combustível, que o dono do posto sofreu? (Dados: coeficiente de dilatação volumétrica do combustível é de 1,0 . 10–3°C–1) Solução a) 4 l b) 80 l c) 40 l d) 140 l e) 60 l O prejuízo é a variação de volume do líquido sofrida, assim:

40 Dilatação térmica - Dilatação dos Líquidos:
- Dilatação anômala da água: Ao contrário de um sólido comum que se dilata quando é aquecido, a água se contrai ao se aquecer de 0°C a 4°C. Após 4°C a água se dilata normalmente. O gráfico da dilatação da água é representado na figura abaixo. Para a mesma quantidade de massa, quanto menor o volume ocupado, maior a densidade do corpo, ou seja, são grandezas inversamente proporcionais, formando gráfico da densidade X temperatura, com propriedade inversa ao gráfico volume X temperatura. Quanto maior a densidade de um corpo, ele tende a ocupar regiões mais baixas; quanto menor a densidade, ocupa regiões mais elevadas. O gráfico mostra que a água, ao se solidificar, pode flutuar, pois possui densidade menor que a água não-solidificada.

41 Leitura

42 exercícios Imagine-se em frente a um lago, onde se inicia um inverno rigoroso. A temperatura local começa a cair a partir de 10°C, gradualmente, até chegar a –30°C. Assinale a alternativa correta da ordem das temperaturas do Ar (I), Gelo (II) e Água (III), respectivamente do lago após congelado. a) I = 0°C, II = -30°C e III = 4°C b) I = -30°C, II = 4°C e III = 10°C c) I = 4°C, II = 0°C e III = -30°C d) I = -30°C, II = 0°C e III = 10°C e) I = -30°C, II = 0°C e III = 4°C

43 calor: energia em trânsito
Calor é a energia que flui entre um sistema e sua vizinhança em virtude de uma diferença de temperatura entre eles. Se a temperatura TS de um sistema for menor do que a temperatura TA da vizinhança o calor flui para o sistema e vice-versa. Como calor é uma forma de energia, suas unidades são as de energia. SI - Calor (J) 1 cal = 4,186 J 1 Btu = 1055 J

44 Trocas de calor: Capacidade térmica e calor específico
- Quantidade de Calor: Quando uma certa quantidade de calor é transmitida para um corpo, na maioria dos casos a sua temperatura cresce. A quantidade de calor necessária para aumentar de um certo valor a temperatura de uma substância, depende da quantidade dessa substância, e varia de acordo com a substância. Se foi necessário 3min para ferver 1 litro de água numa certa chama, serão necessários 6min para ferver 2 litros de água na mesma chama. Se no entanto formos aquecer 1 litro azeite na mesma chama, será necessário um tempo maior que 3min. A propriedade física que define a quantidade de calor Q necessária para aquecer determinado material de ΔT é chamada capacidade térmica, e é definida como: Desse modo poderemos calcular a capacidade térmica de 1litro de água, de 2litros de água, de 1litro azeite e etc. A capacidade térmica é uma característica de uma amostra de determinada substância. Outra amostra diferente dessa mesma substância terá uma capacidade térmica diferente.

45 Calor Sensível Fica claro que são limitadas as vantagens dessa propriedade física, a capacidade térmica. Mas à partir dela, definiu-se uma outra propriedade chamada calor específico c , que é uma característica de cada substância. A propriedade física que define a quantidade de calor Q necessária para aquecer de ΔT uma massa m de determinado material é chamada calor específico, e é definida como: Como foi mencionado, calor é uma forma de energia e portanto a unidade de calor é a mesma de energia. Mas por razões históricas, ainda se usa como unidade de calor a caloria ou cal, que se define como a quantidade de calor necessária para aquecer 1g de água de 14,5°C até 15,5°C. Desse modo, a unidade do calor específico será cal/g.°C.

46 Calor Sensível Alguns calores específicos de substâncias:

47 exercícios O gráfico a seguir mostra como variam as temperaturas de dois corpos, A e B, cada um de massa igual a 100 g, em função da quantidade de calor absorvida por eles. Os calores específicos dos corpos A (cA) e B (cB) são, respectivamente: a) cA = 0,10 cal/g°C e cB = 0,30 cal/g°C b) cA = 0,067 cal/g°C e cB = 0,20 cal/g°C c) cA = 0,20 cal/g°C e cB = 0,60 cal/g°C d) cA = 10 cal/g°C e cB = 30 cal/g°C e) cA = 5,0 cal/g°C e cB = 1,7 cal/g°C

48 Solução Calculando a quantidade de calor para os corpos A e B através do gráfico, Do gráfico temos para o corpo A de 100 g: Para o corpo B de 100 g: a) cA = 0,10 cal/g°C e cB = 0,30 cal/g°C b) cA = 0,067 cal/g°C e cB = 0,20 cal/g°C c) cA = 0,20 cal/g°C e cB = 0,60 cal/g°C d) cA = 10 cal/g°C e cB = 30 cal/g°C e) cA = 5,0 cal/g°C e cB = 1,7 cal/g°C

49 exercícios É preciso abaixar de 3°C a temperatura da água do caldeirão, para que o nosso amigo possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água? O caldeirão contém 104 g de água e o calor específico da água é 1 cal/g°C. a) 20 kcal b) 10 kcal c) 50 kcal d) 30 kcal e) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar a resposta. Solução

50 exercícios Um pequeno aquecedor elétrico de imersão é usado para aquecer 100g de água para uma xícara de café instantâneo. O aquecedor está rotulado com “200Watts” , o que significa que ele converte energia elétrica em energia térmica com essa taxa. Calcule o tempo necessário para levar toda essa água de 23°C para 100°C , ignorando quaisquer perdas. Solução Dados: Calculando a quantidade de calor: Sabemos que potência é:

51 Calores de transformação: Calor Latente
Como foi mencionado, uma substância altera a sua temperatura quando ela troca calor com a sua vizinhança. No entanto, existem algumas situações onde não acontece exatamente desse modo; um corpo pode absorver certa quantidade de calor e no entanto manter-se com a sua temperatura constante. Quando isso acontece, diz-se que o corpo passou por uma mudança de fase. A propriedade física que define a quantidade de calor Q necessária para uma mudança de fase de uma massa m de determinada substância é chamada calor latente, e é definida como: Quando estamos considerando a mudança do estado sólido para o estado líquido, chamamos de calor latente de fusão LF, e quando estamos considerando a mudança do estado líquido para o estado gasoso, chamamos de calor latente de vaporização LV . A unidade do calor latente é cal/g.

52 Calores de transformação: Calor Latente
O gráfico curva de aquecimento mostra as variações de temperatura e ao momentos em que ocorrem mudanças de estado físico.

53 Calores de transformação: Calor Latente
Algumas substancias e seus respectivos valores de calor latente para fusão e vaporização.

54 Calores de transformação: Calor Latente
- Principio Geral da trocas de calor: De acordo com o Princípio da Conservação da Energia, num sistema termicamente isolado a quantidade de calor trocada entre os corpos é tal que soma da quantidade de calor recebida com a quantidade de calor cedida é nula.

55 exercícios Ao se retirar calor Q de uma substância líquida pura de massa 5,0 g, sua temperatura cai de acordo com o gráfico a seguir. O calor latente de fusão da substância, em cal/g, é: a) 30 b) 60 c) 80 d) 100 e) 140

56 Solução Como o corpo está perdendo uma certa quantidade de calor (-Q) a temperatura está caindo, o calor latente é de solidificação (Lsolidificação = -Lfusão), assim para temperatura de fusão no gráfico temos: Assim o calor latente de fusão será: a) 30 b) 60 c) 80 d) 100 e) 140

57 exercícios O gráfico abaixo representa a temperatura de uma substância, inicialmente no estado sólido, em função da quantidade de calor recebido. A massa da substância é de 50 gramas. A afirmativa verdadeira, referente ao exposto, é: a) O calor específico da substância no estado sólido é de 0,2 cal/g°C. b) O calor latente de fusão da substância é de 20 cal/g. c) O calor específico da substância no estado líquido é de 0,5 cal/g°C. d) O calor latente de vaporização da substância é de 80 cal/g. e) O calor específico da substância no estado de vapor é de 0,8 cal/g°C.

58 Solução Vamos calcular os calores específicos para o estado sólido, líquido e gasoso da substância, assim como seus calores latentes de transformação (fusão e vaporização): No estado sólido: No estado líquido: No estado gasoso: Na fusão: Na vaporização:

59 exercícios O gráfico abaixo representa a temperatura de uma substância, inicialmente no estado sólido, em função da quantidade de calor recebido. A massa da substância é de 50 gramas. A afirmativa verdadeira, referente ao exposto, é: a) O calor específico da substância no estado sólido é de 0,2 cal/g°C. b) O calor latente de fusão da substância é de 20 cal/g. c) O calor específico da substância no estado líquido é de 0,5 cal/g°C. d) O calor latente de vaporização da substância é de 80 cal/g. e) O calor específico da substância no estado de vapor é de 0,8 cal/g°C.

60 exercícios Num calorímetro se coloca o líquido A de massa 50 g e calor específico 0,2 cal/g°C que, após alguns instantes, atinge a temperatura constante de 20°C. Em seguida, em seu interior, deposita-se o corpo B de 200 g, calor específico 0,1 cal/g°C e temperatura inicial de 80°C. Fechando o calorímetro e desprezando as trocas de calor com ele, determine a temperatura final de equilíbrio térmico atingida pelas duas substâncias.

61 Solução Usando o princípio geral das trocas de calor:
Temos para A e B:

62 exercícios Num calorímetro se colocam 260 g de água a 60°C. Em seguida, gelo a 0°C. Fechando o calorímetro e desprezando as trocas de calor com ele, verificamos que a temperatura final de equilíbrio térmico atingida pelas duas substâncias é 50°C. Determine a massa de gelo colocada no calorímetro. Dados: cágua = 1,0 cal/g°C e LF = 80 cal/g

63 Solução Usando o princípio geral das trocas de calor:

64 exercícios Que massa de vapor d’água a 100°C deve ser misturada com 150g de gelo no seu ponto de fusão, em um recipiente isolado termicamente, para produzir água líquida a 50°C ? Solução Dados: Se um material que tem calor específico c, com massa m, varia a sua temperatura de Ti até Tf ele absorveu de sua vizinhança uma quantidade de calor Q , dada por: Se Q < 0 dizemos que ele cedeu calor para a vizinhança. Por outro lado se uma massa mG de gelo se transforma em água ela absorveu calor mG.LF da vizinhança, e se o vapor d’água se transforma em líquido ele cedeu calor m.LV para a vizinhança. Desse modo, temos que:

65 Solução Dados: Substituindo:

66 Transferência de Calor
A transferência de calor de um ponto a outro de um meio se dá através de três processos diferentes: convecção, radiação e condução. Condução: A condução de calor só pode acontecer através de um meio material, sem que haja movimento do próprio meio. Ocorre tanto em fluidos quanto em meios sólidos sob o efeito de diferenças de temperatura. A condução é o processo de propagação de calor através do qual a energia passa de partícula para partícula, vibrando as partículas, porém sem deslocá-las. Condutores: são os materiais que permitem a propagação do calor por condução. Exemplo: os metais. Isolantes: são os materiais que não permitem a propagação do calor por condução. São chamados de maus condutores. Exemplo: plástico, isopor, madeira, cortiça, vidro.

67 Transferência de Calor
Fluxo de Calor: O fluxo de calor é definido como a razão entre a quantidade de calor transferida de um corpo para o outro e o tempo necessário para que haja essa transferência. L A t1 t2 Obs.: Onde K é o coeficiente de condutibilidade térmica que depende do material analisado.

68 exercícios (Enem) Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330 ml de refrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que: a) A lata está realmente mais fria, pois a capacidade calorífica da garrafa é maior que da lata. b) A lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menor que o alumínio. c) A garrafa e lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividade térmica e a sensação deve-se a diferença dos calores específicos. d) A garrafa e lata estão à mesma temperatura e a sensação é devido ao fato da condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro. e) A garrafa e lata estão à mesma temperatura e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio.

69 exercícios (IME-RJ) Um vidro plano, cujo coeficiente de condutibilidade térmica é igual a 0,00183 cal/s.cm.°C, tem uma área de 1000 cm­­2 e espessura de 3,66 mm. Sendo o fluxo de calor por condução através do vidro igual a 2000 cal/s, calcule a diferença de temperatura entre as faces. Solução Dados: k= 0,00183 cal/s.cm.°C A=1000 cm2 L=0,366cm Φ= 2000 cal/s Utilizando a expressão do fluxo de calor, podemos isolar a variação de temperatura:

70 Transferência de Calor
Convecção: A convecção ocorre tipicamente num fluido, e se caracteriza pelo fato de que o calor é transferido pelo movimento do próprio fluido, que constitui uma corrente de convecção. Um fluido aquecido localmente em geral diminui de densidade e por conseguinte tende a subir sob o efeito gravitacional, sendo substituído por um fluido mais frio, o que gera naturalmente correntes de convecção. O borbulhar da água fervente em uma panela é o resultado de correntes de convecção. Desta forma, de propagação de calor, em que a matéria e a energia se movimentam por causa da diferença de densidade entre as partes quentes e as partes frias de uma substância. A convecção ocorre nos fluidos, ou seja, nos líquidos e gases.

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Exemplos: Brisas litorâneas - De dia temos a brisa marítima, a noite temos a brisa terrestre.

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Exemplos: Inversão térmica - nos dias de inverno, principalmente à noite, as camadas de ar mais próximas da superfície da Terra ficam mais frias do que as de cima. O calor do sol fraco de manhã não é suficiente para inverter o processo. Como as correntes de convecção são interrompidas, a poluição não se espalha na atmosfera.

73 Transferência de Calor
Radiação: A radiação transfere calor de um ponto a outro através da radiação eletromagnética. A radiação térmica é emitida de um corpo aquecido e ao ser absorvida por outro corpo pode aquecê-lo, convertendo-se em calor. O aquecimento solar é uma forma de aproveitamento da radiação solar para a produção de calor. Um ferro em brasa emite radiação térmica e aquece a região que o rodeia. A transmissão de calor por irradiação é devida principalmente às ondas eletromagnéticas na faixa do infravermelho, denominadas ondas de calor. Estufas O vidro é transparente a luz visível e parcialmente opaca ao infravermelho. Uma parcela da energia trazida pela luz visível é absorvida pelas plantas que estão no interior da estufa.

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75 Transferência de Calor
O efeito estufa que acontece na atmosfera terrestre, tem explicação semelhante. A presença de vapor de água e gás carbônico faz com que a atmosfera retenha grande parte das ondas emitidas pelos objetos da superfície terrestre, impedindo que sejam enviadas para o espaço. Esse efeito é fundamental para que a terra tenha uma temperatura média adequada, que, nos últimos 5000 anos, se manteve entre 19 °C e 27 °C. Se isso não acontecesse, a energia radiante recebida do sol durante o dia seria perdida para o espaço durante a noite, reduzindo a temperatura terrestre a níveis insuportáveis. A preocupação atual dos cientistas, ambientalistas, autoridades e, com certeza de todos os habitantes do planeta que percebem o problema é que as atividades humanas estão aumentando muito a quantidade de gás carbônico na atmosfera, de modo que o efeito estufa está se acentuando. A temperatura média do planeta está se aproximando perigosamente de 27 °C. Por conseguinte, de um fenômeno benéfico e essencial, o efeito estufa poderá se tornar catastrófico, causando derretimento das calotas polares, alterações climáticas muito acentuadas, inundações etc.

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1016 > 1014

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Radiação: A taxa Ρ com que um objeto emite radiação depende da área A da superfície deste objeto e da temperatura T dessa área em Kelvins, e é dada por: Nesta equação σ = 5,67x10-8W/m2K4 é chamada a constante de Stefan-Boltzmann. E a grandeza ε é a emissividade da superfície do objeto que vale entre 0 e 1 dependendo da composição da superfície.

78 1ª lei da termodinâmica Calor e Trabalho: Consideremos um sistema (gás) que parte de um estado inicial i, descrito por uma pressão pi, um volume Vi e uma temperatura Ti; deseja-se levar o sistema a um estado final descrito por pf, Vf e Tf. O processo de levar um sistema de um estado inicial a um estado final é chamado de processo termodinâmico. Expansão: Imagine um gás confinado num recipiente fechado que possui um êmbolo móvel, como mostra a figura. Aquecendo-se o recipiente, o gás se expande, fazendo o êmbolo subir, realizando um trabalho (força provocando deslocamento). O calor recebido (energia térmica) foi, portanto, transformado em trabalho — o gás realizou trabalho.

79 1ª lei da termodinâmica Compressão: Se um êmbolo força o gás para baixo, sem que se receba calor do meio externo, há aumento na temperatura deste, pois, entre outros fatores, diminuindo-se o volume, aumenta-se o número de choques entre as moléculas, aumentando a energia térmica. Conclui-se que o trabalho recebido pelo gás (força realizando deslocamento) se converteu em energia térmica — o gás recebeu trabalho do meio externo.

80 1ª lei da termodinâmica Transformações gasosas: Dentre as inúmeras variáveis que podem caracterizar um gás, destacam-se: pressão (P), temperatura (T) e volume (V). Numa situação em que um desses valores se altera, tem-se uma transformação. Nos processos termodinâmicos, é freqüente a ocorrência de transformações, sendo necessário conhecer alguns termos associados a elas. Isotérmica — transformação em que a temperatura do gás permanece inalterada durante todo o processo (temperatura constante). Isovolumétrica (isométrica ou isocórica) — transformação em que permanece inalterado o volume (volume constante). Isobárica — transformação em que a pressão permanece inalterada (pressão constante). Adiabática — transformação em que não ocorrem trocas de calor com o meio externo (Q = 0).

81 1ª lei da termodinâmica W = p.ΔV F Vi dx Vf
Trabalho: Da mecânica podemos definir trabalho pela expressão: F dx Vi Vf Consideremos uma movimentação infinitesimal dx do êmbolo, e a definição de pressão: OBS: Em transformações isobáricas (pressão constante) podemos escrever o trabalho como o produto da pressão pela variação de volume: W = p.ΔV Sendo a variação de volume definida por:

82 1ª lei da termodinâmica Como vimos, quando um sistema muda de um estado inicial para um final tanto o trabalho quanto o calor Q transferido dependem da natureza do processo. Quando um sistema termodinâmico vai de um estado inicial i para um estado final f, ele pode fazer este “caminho” através de vários “percursos”.

83 1ª lei da termodinâmica Apesar dos vários caminhos, a experiência mostra algo surpreendente, a diferença entre Q – W não varia, ou seja é mesma para todos os processos do sistema, definindo uma nova grandeza física – a energia interna. Energia interna: Define-se uma grandeza, chamada energia interna E, caracterizada pelos diversos tipos de energia possíveis de existir em uma substância quando ela está em determinado estado. A energia interna é toda energia de um sistema que está associada com seus componentes microscópicos (átomos e moléculas), sendo a soma de todas energias (potencial, cinética, etc.) de todas as partículas que constitui o sistema.

84 1ª lei da termodinâmica A diferença de energia interna entre os estados inicial e final ΔEInt=EF-EI é uma grandeza de grande importância na termodinâmica, porque independente do percurso usado para ir de um estado para o outro, teremos sempre que: onde podemos definir a Primeira Lei da Termodinâmica como: “A energia não pode ser criada, nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra”. “A diferença entre a quantidade de calor Q e o trabalho envolvidos em um percurso entre os estados inicial e final, depende apenas dos estados, e fornece o mesmo valor independente do percurso escolhido.”

85 Alguns casos da primeira lei da termodinâmica
Processos Adiabáticos: É um processo em que não existe troca de calor entre o sistema e a sua vizinhança, ou seja: o sistema está muito bem isolado termicamente. Na Natureza existem processos que podemos aproximar como adiabáticos. São aqueles que ocorrem tão rapidamente que o sistema chega ao seu estado final antes que possa trocar calor com a vizinhança. Num processo adiabático, Q = 0 e de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica: Processos a volume constante: São os chamados processos isométricos. Usando a definição de trabalho executado pelo sistema entre os estados inicial e final, encontramos que: porque não aconteceu variação de volume. Através da Primeira Lei da Termodinâmica encontramos que:

86 Alguns casos da primeira lei da termodinâmica
Processos Cíclicos: Num processo cíclico o sistema passa por várias transformações, mas ao final do processo ele retorna ao estado inicial. Desse modo, temos que EI = EF e portanto não existe variação de energia interna, logo:

87 Alguns casos da primeira lei da termodinâmica
Trabalho em Ciclos: Nas máquinas térmicas que realizam trabalho contínuo, como o motor de combustão utilizado em automóveis, barcos, geradores, as transformações pelas quais o gás passa são repetitivas (passam repetidas vezes pela mesma situação). Constituem as transformações cíclicas. Calcula-se o trabalho no ciclo somando-se os trabalhos realizados em cada uma das diferentes transformações. Nesta transformação cíclica, calcula-se separadamente o trabalho no trecho de A→B e B→A; posteriormente, somam-se os valores obtidos para determinar o trabalho total associado ao ciclo.

88 Alguns casos da primeira lei da termodinâmica
Podemos calcular o trabalho total através da área interna do ciclo.

89 Alguns casos da primeira lei da termodinâmica

90 exercícios (Vunesp—SP) A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:
a) dilatação térmica. b) conservação da massa. c) conservação da quantidade de movimento. d) conservação da energia. e) irreversibilidade do tempo.

91 exercícios Assinale a(s) afirmativa(s) correta(s), some os valores respectivos. O diagrama a seguir representa as transformações sofridas por um gás perfeito, no sentido indicado, indo de um estado inicial A até o estado final D. 01) Na transformação de A para B o sistema recebe trabalho. 02) Na transformação de A para B o sistema realiza trabalho. 04) Na transformação de C para D o sistema recebe trabalho. 08) Na transformação de C para D o sistema realiza trabalho. 16) Na transformação de A para B e de B para C o sistema não realiza trabalho. 32) Na transformação de B para C o trabalho é nulo. 64) O trabalho total posto em jogo na transformação de A até D é igual a 150 joules. 74 02 + 08 + 64 =

92 exercícios (UFRGS—RS) Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q = 100 J e realiza o trabalho W = 70 J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gás: a) aumentou 170 J. b) aumentou 100 J. c) aumentou 30 J. d) diminuiu 70 J. e) diminuiu 30 J. Solução Pela 1ª Lei da termodinâmica: Substituindo: Obs: Quando há aumento da temperatura (recebe calor), aumenta também a energia interna (variação positiva, ΔEint = +30 J) do gás. A mesma relação vale para quando ocorre diminuição da temperatura do gás.

93 exercícios Suponha que 1 kg de água a 100°C é convertido em vapor a 100°C à pressão atmosférica padrão (1 atm = 1, Pa). O volume da água varia de uma valor inicial de 10-3 m3 do líquido para 1,671 m3 do vapor (dado: LVágua=540 cal/g). Qual o trabalho realizado pelo sistema durante esse processo? Qual a energia é transferida em forma de calor durante o processo? Qual a variação de energia interna do sistema durante o processo?

94 Solução a) Calculando o trabalho a pressão constante.
Dados: m= 1kg p=1, Pa Vi = 10-3 m3 Vf = 1,671 m3 b) Energia na forma de calor (mudança do estado líquido para o estado gasoso.

95 Solução c) A variação da energia interna pela 1[ lei da termodinâmica:
Dados: m= 1kg p=1, Pa Vi = 10-3 m3 Vf = 1,671 m3 Como esse valor é positivo, a energia interna do sistema aumentou durante o processo de ebulição. Esta energia é usada para separar as moléculas de H2O, que se atraem fortemente no estado líquido. Vimos que cerca de 7,5% (=169 kJ/2257 kJ) do calor são transferidos para o trabalho de abrir caminho na atmosfera. O resto do calor é transferido para energia interna do sistema.


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