2. A ENERGIA NO AQUECIMENTO / ARREFECIMENTO DE SISTEMAS FÍSICA – UNIDADE 1 – DO SOL AO AQUECIMENTO 2. A ENERGIA NO AQUECIMENTO / ARREFECIMENTO DE SISTEMAS Escola Secundária Maria Lamas – Torres Novas Física e Química A – 10º Ano Nelson Alves Correia

Objectivos Distinguir os mecanismos de condução e de convecção. Relacionar quantitativamente a condutividade térmica de um material com a taxa temporal de transmissão de energia como calor. Distinguir materiais bons e maus condutores do calor com base em valores tabelados de condutividade térmica. Interpretar a 1ª Lei da Termodinâmica a partir da Lei Geral da Conservação da Energia. Compreender situações em que a variação da energia interna se faz à custa de trabalho, calor ou radiação.

Objectivos Interpretar a 2ª Lei da Termodinâmica. Explicitar que os processos que ocorrem espontaneamente na natureza se dão sempre num determinado sentido – o da diminuição da energia útil do Universo (2ª Lei da Termodinâmica). Calcular o rendimento de processos de aquecimento e arrefecimento. Estabelecer balanços energéticos em sistemas termodinâmicos. Identificar e caracterizar máquinas térmicas.

Conteúdos Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção Condutividade Térmica 1ª Lei da Termodinâmica Tipos de Transformações Entropia 2ª Lei da Termodinâmica Máquinas Térmicas

Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção A transferência de energia na forma de calor pode ser feita por condução e convecção. Os sistemas têm de estar em contacto e com temperaturas diferentes. A energia transfere-se do sistema com temperatura mais alta para o sistema a temperatura mais baixa, até se atingir o equilíbrio térmico. A condução ocorre nos sólidos. A convecção ocorre nos fluidos (líquidos, gases e plasma).

Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção Na condução não há transporte de matéria, mas apenas o choque (colisões) entre partículas, em que as de maior energia interna (energia cinética) transferem parte dessa energia às partículas vizinhas de menor energia. Esta transferência de energia ocorre ao longo de todo o sólido ou entre sólidos que estejam em contacto. Praticamente não ocorre nos líquidos e nos gases, porque as partículas estão mais afastadas.

Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção Ao aquecermos uma barra de ferro, a chama transfere energia às partículas do metal. A sua agitação aumenta e chocam umas com as outras, aumentando a sua energia interna cinética. Estes choques transferem a energia de uma partícula para outra partícula, ao longo do metal.

Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção Na convecção, o calor é transferido de um local para outro de um fluido, através do movimento de partículas, que estão a diferentes temperaturas ou por aplicação de uma força externa. O fluido quente sobe (é menos denso, porque as suas partículas têm uma energia interna cinética maior e estão mais afastadas), obrigando o fluido frio a descer (é mais denso, porque as suas partículas têm uma energia interna cinética menor e estão mais próximas), formando correntes de convecção.

Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção A convecção ocorre nas estrelas, no interior dos planetas (magma), nos oceanos, na atmosfera, quando se aquece a água ou o ar com um radiador.

Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção

Condutividade Térmica Bons condutores de calor – Materiais que recebem e libertam energia na forma de calor mais rapidamente (ex: metais). Maus condutores ou isoladores de calor – Materiais que recebem e libertam energia na forma de calor mais lentamente (ex: madeira, plástico, cortiça, líquidos e gases). Condutividade térmica (K) – Capacidade ou rapidez que um material tem de transferir energia na forma de calor.

Condutividade Térmica Condutividade térmica (K) – Quantidade de energia transferida como calor que passa, por segundo, através de uma barra de um material com um metro de comprimento (L) e um metro quadrado de secção (A), quando a diferença de temperatura entre as extremidades da barra é de 1 ºC (∆) ou 1 K (∆T). A unidade SI de condutividade térmica é W m-1 K-1, mas utiliza-se muito o W m-1 ºC-1.

Condutividade Térmica A condutividade térmica do cobre é 398 W m-1 ºC-1, a 27ºC. Isto significa que, numa barra de cobre com um metro de comprimento e um metro quadrado de secção, verifica-se uma diferença de 1 ºC entre as suas extremidades, quando são transferidos 398 J de energia, como calor em cada segundo.

Condutividade Térmica

Condutividade Térmica Os materiais com uma condutividade térmica baixa são os melhores isoladores térmicos para as casas: Madeira e cortiça no revestimento interior das paredes; Lã de vidro no revestimento do telhado. As paredes duplas, vidros duplos e janelas calafetadas também são uma boa forma de isolamento térmico das casas. Assim, a energia transferida do exterior para o interior, e do interior para o exterior da casa, diminui muito e poupa-se energia no aquecimento e arrefecimento da casa.

1ª Lei da Termodinâmica 1ª Lei da Termodinâmica – A energia total transferida na forma de calor (Q), trabalho (W) e radiação (R), entre um sistema não isolado e a sua vizinhança, é igual à variação da energia interna (∆Ei) desse sistema: ∆Ei = Q + W + R Ou desprezando a radiação: ∆Ei = Q + W

1ª Lei da Termodinâmica Quando a energia interna aumenta (∆Ei > 0), porque o sistema recebe energia, o seu valor é positivo. Quando a energia interna diminui (∆Ei < 0), porque o sistema perde energia, o seu valor é negativo.

1ª Lei da Termodinâmica

1ª Lei da Termodinâmica Enquanto um ovo está a ser estrelado, recebe 100 J de energia da frigideira e transfere para a sua vizinhança 80 J, por radiação.

Tipos de Transformações Transformação isobárica – Ocorre a pressão constante: ∆Ei = W = - p x ∆V (ex: aquecimento – W > 0 – ou arrefecimento – W < 0 – de um líquido ou gás num sistema aberto). Transformação isocórica – Ocorre a volume constante: W = 0 e ∆Ei = Q (ex: aquecimento e arrefecimento de um líquido numa garrafa fechada). Transformação isotérmica – Ocorre a temperatura constante: ∆Ei = 0 e W + Q = 0 Se W > 0 então Q < 0 (ex: compressão e expansão lenta de um gás, agitação mecânica). Transformação adiabática – Não há transferência de energia como calor: ∆Ei = W (ex: compressão e expansão rápida de um gás)

Tipos de Transformações Transformação irreversível – O sistema não pode voltar ao estado inicial (ex: pedra a cair, prato a partir-se, furacões, tornados, relâmpagos e apodrecimento da fruta). Estas transformações ocorrem na natureza e são espontâneas. A transferência de energia na forma de calor é uma transformação irreversível, pois só ocorre do corpo quente para o frio, até os dois corpos atingirem o equilíbrio térmico.

Tipos de Transformações Transformação reversível – O sistema pode voltar ao estado inicial. Para que estas transformações ocorram (não são espontâneas) é necessário realizar trabalho e/ou fornecer energia na forma de calor. Para que a clara do ovo passe ao estado de clara batida em castelo é necessário utilizar uma batedeira que realize trabalho sobre o sistema. Passado algum tempo, a clara batida desfaz-se e volta ao estado líquido, tal como se encontrava inicialmente.

Entropia Entropia (S) – Medida da desordem de um sistema; Medida da energia dissipada de um sistema, que não é utilizável na realização de trabalho. Nas transformações irreversíveis e espontâneas, a desordem e a entropia dos sistemas aumentam (∆S > 0). A entropia do Universo está a aumentar e a sua energia útil está a diminuir. Nas transformações reversíveis, a entropia do sistema diminui (ΔS < 0) ou não varia (ΔS = 0 – ex: pêndulo em movimento).

2.ª Lei da Termodinâmica É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a temperatura mais baixa para outro sistema a temperatura mais alta. Numa transformação irreversível e espontânea, a energia útil do sistema diminui (parte da energia é dissipada) e a entropia aumenta. É impossível receber energia como calor e transformá-la totalmente em trabalho (parte da energia é dissipada).

Máquinas Térmicas As máquinas térmicas transformam calor em trabalho (ex: motor de um automóvel, turbina e máquina a vapor). Parte da energia fornecida à máquina na forma de calor (QQ) é aproveitada para realizar trabalho (energia útil) e outra parte é dissipada (QF) para a vizinhança como calor.

Máquinas Térmicas Rendimento da máquina térmica – Percentagem de energia que é aproveitada como trabalho. É sempre inferior a 100 %, porque estas máquinas não transformam toda a energia recebida em trabalho, dissipando uma parte para a sua vizinhança.

Máquinas Térmicas Segundo a lei da conservação da energia: QQ = |W| + |QF| |W| = QQ - |QF| Substituindo W em  = (W/QQ) x 100 temos:

Máquinas Térmicas

Máquinas Térmicas