Calor e a 1ª Lei da Termodinâmica

A teoria do “calórico” (~1779)

Para atingir o estado de equilíbrio térmico,

T1 T2T1 > T2

-Substância fluida- invisível- peso desprezível

T a quantidade de calóricoEsta teoria explicava um grande número de fenômenos, mas não todos!

Capacidade calorífica e calor específico

TmcTCQ Onde C é a capacidade calorífica ou térmica

C é a quantidade de energia transferida, através de aquecimento, necessária para elevar a temperatura de uma

substância de 1 grau.

m

Cc Calor específico é definido por:

1 cal = 4,184 J (14,5 oC p/ 15,5 oC)1 Btu = 252 cal = 1,054 kJ

Cágua = 1 cal / g oC = 1 kcal / kg oC = 1 kcal / kg K = 4,184 kJ / kg KCágua = 1 Btu/lb Fo

A capacidade calorífica por mol capacidade calorífica molar,ou ainda, calor molar c’

n

Cc , Mc

n

mc

n

Cc ,

Ex 18-1 Que quantidade de calor é necessária para elevar de 20 oC a temperatura de 3 kg de cobre?

c da água é muito grande! Ótimo refrigerador e ótimo aquecedor!

Calorimetria – medir trocas de calor entre corpos

Calorímetro: recipiente com água termicamente isoladoSeja um corpo com massa mc calor específico cc com temperatura inicial Tic e, após o banho com água atinge uma temperatura final Tf

Supondo que Tic > Tia

O calor liberado pelo corpo será:

icfccsai TTcmQ

Se Tia for a temperatura inicial da água e do recipiente e Tf for a temperatura final de equilíbrio, então o calor absorvido

será:

0

0

iafrriafaaicfcc

entrasai

iafrriafaaentra

TTcmTTcmTTcm

QQ

TTcmTTcmQ

Ex 18-2 Para medir o calor específico do chumbo, uma pessoa aquece 600 g de granalha de chumbo até a temperatura de 100 oC e depois coloca este conteúdo num calorímetro de alumínio com 200 g de massa, contendo 500 g de água, inicialmente a 17,3 oC. Se a temperatura final do conjunto for 20,0 oC, qual o calor específico do chumbo? (cAl = 900 J/kg K)

Sólidos, Líquidos e Gases

Substâncias na natureza

3 fases ou

estados

Sólida ou líquida ou

gasosa

Determinada pela T e p

Ex.: Nas condições ambientes (24 oC e 1 atm)

Fe (sólido) líquido (quando aumenta a T)H2O (líquida) gás (quando aumenta a T ou abaixa a p)

Quando uma substância passa de uma fase para outra, diz-se que houve uma mudança de fase ou de estado

Estudaremos as leis que descrevem o comportamento das substâncias ao mudarem de fase

ESTADO SÓLIDOÁtomos muito próximos e ligados por forças elétricas relativamente fortes (não existe translação), porém, existe vibração (agitação térmica)

Devido a forte ligação: forma própria e resistência a deformação

Cristais

Uma mesma substância pode se apresentar em estruturas cristalinas diferentes

Fulerenos

C20+2m (m=0,2,3,...)

“Carbynes”

CCCC

CCCC

Poliênica

Cumulênica

“Onions”

Nanotubos

Amorfos – quando os átomos não estão distribuídos numa estrutura organizada (vidro, asfalto, plásticos, borracha, etc)

ESTADO LÍQUIDO

• Átomos estão mais afastados.• A força de ligação entre eles é mais fraca que nos sólidos• Existem pequenas translações dos átomos

Propriedades: -podem escoar - não oferecem resistência a penetração - tomam a forma do recipiente - átomos estão distribuídos aleatoriamente

ESTADO GASOSO ( já estudamos!)

Fornecendo ou retirando calor

Varia a agitação molecular kTEcinética 2

3

A força de ligação entre os átomos é alterada

Acarretando modificações na organização e separação dos átomos

Ou seja, pode ocasionar uma mudança de fase

FUSÃO E SOLIDIFICAÇÃO

Leis da Fusão:

1) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a fusão (ponto de fusão) é bem determinada para cada substância.

2) Se um sólido se encontra em sua temperatura de fusão, é necessário fornecer calor a ele para que ocorra a mudança de estado. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de fusão, que é característico de cada substância.

3) Durante a fusão, a temperatura do sólido permanece constante.

Pontos de fusão e calores latentes de fusão (à p = 1 atm)

Substância Ponto de fusão (o C) Calor latente (cal/g)

Platina 1775 27

Prata 961 21

Chumbo 327 5,8

Enxofre 119 13

Água 0 80

Mercúrio -39 2,8

Álcool etílico -115 25

Nitrogênio -210 6,1

- Estas leis valem apenas para sólidos cristalinos

- Nos amorfos a mudança de fase é gradativa (estados intermediários pastosos)

Ebulição

Leis da Ebulição:

1) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a EBULIÇÃO (ponto de ebulição) é bem determinada para cada substância.

2) Se um líquido se encontra em sua temperatura de ebulição, é necessário fornecer calor a ele para que o processo seja mantido. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de vaporização, que é característico de cada substância.

3) Durante a ebulição, apesar de se fornecer calor ao líquido, sua temperatura permanece constante e o vapor que vai sendo formado encontra-se à mesma temperatura do líquido.

Pontos de ebulição e calores latentes de vaporização (à p = 1 atm)

Substância Ponto de fusão (o C) Calor latente (cal/g)

Iodo 184 24

Bromo 59 44

Hélio -269 6

Água 100 540

Mercúrio 357 65

Álcool etílico 78 204

Nitrogênio -196 48

VAPORIZAÇÃO

Duas maneiras:

1) por Evaporação - a passagem se faz lentamente, a qualquer temperatura. Ex.: secagem de uma roupa molhada

2) por Ebulição - passagem rápida, a uma temperatura bem determinada. Ex.: a p = 1 atm a água começa a ferver aos 100 oC.

Evaporação:

A qualquer temperatura ocorre agitação das moléculas (v variável)

As moléculas de maior velocidade deixam o líquido e as que sobram no líquido possuem v menor. a temperatura do líquido diminui.

Velocidade de evaporação:

1) Quanto maior a temperatura, maior a rapidez com que o líquido evapora, isto é, Q a Dt a v2 e maior será a probabilidade das moléculas escaparem da superfície livre do líquido;

2) Quanto maior for a área da superfície livre do líquido maior é a probabilidade das moléculas escaparem;

3) Com VENTO, seca mais rápido.

Já, com clima úmido, demora mais.

A energia necessária para fundir uma substância de massa m sem alterar sua temperatura é:

ff mLQ

onde Lf é o calor latente de fusão da substância

E, para vaporizar: vv mLQ

Ex 18-3 Qual a quantidade de calor necessária para transformar 1,5 kg de gelo a -20 oC e 1 atm em vapor?

Ex 18-4 Um jarro de 2 litros, com limonada, foi colocado sobre uma mesa de piquenique, ao sol o dia inteiro, a 33 oC. Uma amostra de 0,24 kg de limonada é derramada numa xícara com dois cubos de gelo (cada um com 0,025 kg, a 0 oC). Considere que a xícara é feita com isolante térmico isopor. a) admitindo que não haja perda de calor para o ambiente, qual a temperatura final da limonada? b) qual seria a temperatura final se fossem colocados 6 cubos de gelo?

627 kJ

500 kJ

61,5 kJ

3390 kJ

A experiência de Joule e a 1ª Lei da termodinâmica

É possível elevar a temperatura de um sistema fornecendo-lhe calor, ou também realizando um trabalho sobre ele

Pesos de 772 lb cadaPara aumentar 1 oF a uma distância de um

pé (30,48 cm)

1 cal = 4,184 JEquivalente

mecânico do calor

Ex 18-5 Você deixa cair um recipiente com água, termicamente isolado, de uma altura h do solo. Se a colisão for perfeitamente inelástica e toda a energia mecânica se transformar em energia interna da água, qual deve ser a altura h para a temperatura da água aumentar de 1 oC?

mcDT = mghh=426m

Q = 100 JW = 30 J

DEint = 70 J

Generalizando,

DEint = Q - Wsistema

Esta é a variação na quantidade de energia interna de um

sistema quando uma quantidade de calor é

absorvida ou cedida e um trabalho é realizado por este

sistema ou sobre ele.

Ex 18-6 Realiza-se 25 kJ de trabalho sobre um sistema que consiste em 3 kg de água agitando-se essa água por meio de uma roda de palhetas. Durante este período o sistema perde 15 kcal de calor devido a ineficiência do isolamento. Qual a variação da energia interna do sistema?

1ª Lei da Termodinâmica