Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física

Apresentação em tema: "Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física"— Transcrição da apresentação:

1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física
Ensino Médio, 2º Ano Calor sensível, capacidade térmica e calor específico

2 Algumas curiosidades... Por que durante o dia é tão quente no deserto, mas à noite é tão frio? Imagem: Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic Por que, durante o dia, quando estamos na praia, percebemos que o vento sopra da água para a areia, mas à noite esse sentido é invertido? Antes de responder, vamos conhecer alguns conceitos fundamentais...

3 Calor Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica Energia Térmica em trânsito devido a diferença de temperatura entre corpos. Costuma-se dizer que calor é ENERGIA TÉRMICA EM MOVIMENTO. Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente do corpo de MAIOR temperatura para o corpo de MENOR temperatura.

4 Joseph Black (1728 – 1799) Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público Físico, Químico e Médico escocês, evidenciou-se no seu trabalho sobre Termodinâmica, sendo o primeiro a distinguir Calor de Temperatura. Introduziu a noção de Calor Específico e de Calor Latente. É considerado, juntamente com Cavendish e Lavoisier, um dos pioneiros da Química Moderna.

5 Joseph Black (1728 – 1799) Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público Por meio de experimentos nos quais misturava substâncias a diferentes temperaturas, observou que os resultados não condiziam com as teorias da época, que apontavam o calor como uma substância fluida (chamada de calórica) presente na matéria. XAVIER, Claudio & BENIGNO, Barreto. Física aula por aula. Volume 2. FTD. 1ª ed

6 Calor Sensível Calor que produz variação de temperatura sem que o estado físico da matéria seja alterado. Charge disponível no link: Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License Ex.: Quando colocamos algo para aquecer no fogo, estamos aumentando sua temperatura.

7 Unidade de medida de Calor
A energia é medida em joules (J) no (S.I.). Como o calor também é uma forma de energia, possui a mesma unidade. Por motivos históricos e práticos, também usamos outra unidade, a caloria (cal). 1 cal = 4,18 J

8 Capacidade Térmica ∆T = 20 ºC
Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de um corpo. Exemplo: Q = 40 cal 46ºC 26ºC ∆T = 20 ºC Neste caso, temos: Equivale ao quociente entre a quantidade de calor recebido ou cedido pelo corpo e a correspondente variação de temperatura. Logo: Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura desse corpo em 1 ºC, precisaremos fornecer a ele 2 cal.

9 Calor Específico ∆T = 1 ºC Exemplo:
Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de uma unidade de massa de um corpo. Exemplo: Q = 0,5 cal 27ºC 26ºC ∆T = 1 ºC Nesse caso, temos: Logo: Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura de 1 g do material que compõe esse corpo em 1 º C, precisaremos fornecer a ele 0,5 cal.

10 Equação Fundamental da Calorimetria
Como Temos que: Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (QS) é DIRETAMENTE PROPORCIONAL à Massa (m) do corpo  Quanto maior a massa do corpo, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; ao Calor Específico (c)  Quanto maior o calor específico, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; à Variação de Temperatura (∆T)  Quanto maior a variação de temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de calor que se deve fornecer.

11 Curiosidade Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic No deserto, durante o dia, a temperatura atinge valores muito elevados; situação que se inverte à noite, com temperaturas bem baixas.

12 Curiosidade Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic A explicação dessa variação se baseia no conceito de calor específico. A areia do deserto possui calor específico relativamente pequeno, o que a faz aquecer com muita facilidade durante o dia e se resfriar facilmente à noite. Por isso, as temperaturas variam muito.

13 Curiosidade Imagem: Glane23 / GNU Free Documentation License A “Caloria” utilizada por médicos e nutricionistas é, na realidade, a quilocaloria (1 kcal = 1000 cal), também chamada Grande Caloria. 1 Cal = 1000 cal

14 Brisa Marítima X Brisa Continental
Curiosidade Brisa Marítima X Brisa Continental Por que, quando estamos na praia durante o dia, percebemos que os ventos sopram da água para a praia e à noite esse sentido é invertido? Imagem: Tó campos1 / Domínio Público

15 Brisa Marítima X Brisa Continental
Dia z o ar se esfria e desce AR DE ALTA PRESSÃO AR DE BAIXA o ar é mais frio sobre o mar e se move em direção ao continente o ar se aquece no continente e sobe Durante o dia, a temperatura da terra se eleva mais rapidamente que a da água. Isso acontece porque o calor específico da água é maior que o da terra. Ou seja, é necessário maior quantidade de calor para elevar a temperatura de certa massa de água que elevar a temperatura da mesma massa de areia. As camadas de ar que estão em contato com a areia se aquecem mais, ficam menos densas e sobem. Seu lugar é ocupado pelo ar frio que está em contato com a água. Surge assim uma brisa do mar para a praia (Brisa Marítima).

16 Brisa Marítima X Brisa Continental
À noite, o movimento se inverte. Devido, ainda, aos diferentes valores de calores específicos, a terra esfria mais rapidamente. A água demora mais para esfriar. Assim, à noite, o ar mais quente é o que está em contato com a água. Por ser menos denso, ele sobe, dando lugar ao ar mais frio que está em contato com a praia. Produz-se então a brisa da terra para o mar (Brisa Continental ou Brisa Terrestre). z o ar se esfria em altitude e desce AR DE BAIXA PRESSÃO AR DE ALTA o ar mais frio sobre o continente se desloca em direçáo ao mar o ar mais aquecido sobre o mar sobe Noite

17 Calorímetro Recipiente termicamente isolado que evita troca de calor entre o seu conteúdo e o meio externo. Imagem: Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported Em princípio, um calorímetro ideal não deveria trocar calor com os corpos de seu interior, mas na prática isso ocorre. Portanto, em alguns casos, vamos considerar a capacidade térmica do calorímetro no equacionamento da troca de calor.

18 Calorímetro A garrafa térmica é um tipo de calorímetro.
Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic Com a finalidade de isolar termicamente o conteúdo de uma garrafa térmica do meio ambiente, adotam-se os seguintes procedimentos: As paredes internas são feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua a troca de calor por condução; as paredes internas são duplas, separadas por uma região de vácuo, cuja função é evitar a condução do calor que passa pelas paredes de vidro.

19 Calorímetro A garrafa térmica é um tipo de calorímetro.
O vidro de que são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando assim as trocas por irradiação. Para evitar as possíveis trocas de calor por convecção, basta fechar a garrafa, pois dessa forma as massas fluidas internas não conseguem sair do sistema. É evidente que não existe o isolamento térmico perfeito; assim, apesar dos cuidados citados, após um tempo relativamente grande (várias horas), o conteúdo da garrafa térmica acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente. Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic

20 Trocas de calor Num sistema de vários corpos, termicamente isolados do meio externo, a soma das quantidades de calor por eles trocados é igual a zero. Para um sistema de n corpos, escrevemos: No caso de o sistema não estar termicamente isolado ou de o calorímetro não ser ideal, devemos levar em conta a troca de calor dos corpos com o ambiente.

21 Vamos Exercitar?

22 Calor Específico (J/9°C)
Exercício 01 (VUNESP-SP) Massas iguais de cinco líquidos distintos, cujos calores específicos estão dados na tabela adiante, encontram-se armazenadas, separadamente e à mesma temperatura, dentro de cinco recipientes com boa isolação e capacidade térmica desprezível. Se cada líquido receber a mesma quantidade de calor, suficiente apenas para aquecê-lo, mas sem alcançar seu ponto de ebulição, aquele que apresentará temperatura mais alta, após o aquecimento, será: a) a água. b) o petróleo. c) a glicerina. d) o leite. e) o mercúrio. Tabela Líquido Calor Específico (J/9°C) Água Petróleo Glicerina Leite Mercúrio 4,19 2,09 2,43 3,93 0,14

23 Resolução Resposta: e) Resposta: e) o mercúrio: c = 0,14 J/g.ºC
Pela equação geral da calorimetria (Qs = m.c.∆T), percebemos que a variação de temperatura é inversamente proporcional ao calor específico da substância. Ou seja, vai sofrer MAIOR VARIAÇÃO DE TEMPERATURA aquela substância que apresentar MENOR CALOR ESPECÍFICO. Resposta: e)

24 Exercício 02 (FUVEST-SP) Um bloco de massa 2,0 kg, ao receber toda energia térmica liberada por 1000 g de água que diminuem a sua temperatura de 1°C, sofre um acréscimo de temperatura de 10°C. O calor específico do bloco, em cal/g.°C, é: (Adote: cágua: 1,0 cal/g.°C) a) 0,2 b) 0,1 c) 0,15 d) 0,05 e) 0,01

25 Resolução Resposta: d) Sabemos que: Substituindo os valores, obtemos:
  Como todo calor liberado pela água vai ser aproveitado para aquecer o bloco, temos que:  Resposta: d)

26 Exercício 03 (FATEC-SP) Um frasco contém 20 g de água a 0°C. Em seu interior é colocado um objeto de 50 g de alumínio a 80°C. Os calores específicos da água e do alumínio são respectivamente 1,0 cal/g°C e 0,10 cal/g°C. Supondo não haver troca de calor com o frasco e com o meio ambiente, a temperatura de equilíbrio dessa mistura será: a) 60°C b) 16°C c) 40°C d) 32°C e) 10°C

27 Resolução Resposta: b) Sabemos que: Substituindo os valores, obtemos:
Substituindo os valores, obtemos: Sabemos que:   Como não vai haver troca de calor com o meio externo, temos que:     Resposta: b) 

28 Exercício 04 Resolução Resposta: c)
(FEI-SP) Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que: a) o corpo maior é o mais quente. b) o corpo menor é o mais quente. c) não há troca de calor entre os corpos. d) o corpo maior cede calor para o corpo menor. e) o corpo menor cede calor para o corpo maior. Resolução Como os corpos estão em equilíbrio térmico, não vai existir calor, visto que CALOR É A ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO devido a diferenças de temperatura entre os corpos. Resposta: c)

29 Exercício 05 (PUC-SP - Modificada) É preciso abaixar de 3°C a temperatura da água da bacia, para que o nosso amigo possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água? O caldeirão contém 10 kg de água e o calor específico da água é 1 cal/g°C. Imagem: Richfife / Domínio Público a) 20 kcal b) 10 kcal c) 50 kcal d) 30 kcal e) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar a resposta.

30 Resolução Resposta: d)
Sabemos que: Da equação geral da calorimetria, temos Substituindo os valores, obtemos:  O sinal negativo indica que o calor foi retirado da água. Resposta: d)

31 Extras VÍDEO DO YOUTUBE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Calor específico Link: Calorimetria Link: SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL Transferência de calor entre um metal e a água Link: Equilíbrio térmico Link:    EXPERIÊNCIAS/ EXPERIMENTOS Capacidade térmica do calorímetro (Determinação) Link: CURIOSIDADES Equivalente mecânico do calor Link: LISTAS DE EXERCÍCIOS Cola da Web Link:

32 Obrigado pela Atenção!

33 Bibliografia BENIGNO, Barreto Filho; XAVIER, Cláudio da Silva. Física aula por aula. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora FTD, 2010. GASPAR, Alberto. Compreendendo a Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Ática, 2011. GUALTER; HELOU; NEWTON. Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Saraiva, 2011. MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora Scipione, 2011. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012. < Acesso em 12/06/2012.

34 Tabela de Imagens n° do slide
direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso 2 Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic 13/09/2012 3 Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica 4 James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público 5 6 GRAN / GNU Free Documentation License 11 Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic 12 13 Glane23 / GNU Free Documentation License 14 Tó campos1 / Domínio Público 17 Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

35 Tabela de Imagens n° do slide
direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso 18 Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic 13/09/2012 19 29 Richfife / Domínio Público