IFSP - PiritubaProf. Renato Pugliese

renatopugliese.wordpress.com

Curso Preparatório para o ENEM (frente 2)2º semestre de 2016

Aula 1 - Temperatura e Equilíbrio térmico; Escalas

Apresentação

- Professor e turma- IFSP- Curso de física (frente 2)- Modo de estudo- ENEM, vestibulares, universidade, futuro...

Temperatura

A temperatura dos corpos é um daqueles assuntos-chave na história da física. Da mesma maneiraem que qualquer corpo no Universo pode estar ou não em movimento, visto que não há um referencialabsoluto, também qualquer corpo no Universo está em uma determinada temperatura.

A temperatura de um objeto está relacionada com características dinâmicas de sua composiçãoou, em outras palavras, está relacionada com o movimento das partículas que constituem os corposmateriais. Desse modo, qualquer corpo material formado por quaisquer partículas está em algumatemperatura.

Medição de temperatura

- Qual(is) a(s) diferença(s) física entre um tanto de água a 20ºC e o mesmo tanto a 80ºC? - O que significa estarmos com 36ºC de temperatura?

Mudanças de estado físico

1. Mudança de estado físico

(solidificação) ← (liquefação/condensação)Sólido - Líquido - Gás

(fusão) → (ebulição/vaporização)

(sublimação)

2. Termômetros

- Tipos- Mercúrio, álcool, gás, termopar, termostato...

Escalas termométricas

Escalas clássicas: Celsius e Fahrenheit - século dezoito (~ 1720).

a) Celsius (baseada na água) - Anders Celsius (1701 – 1744) - 0º: congelamento da água no nível do mar. - 100º: fervura da água no nível do mar.

b) Fahrenheit (baseada em mistura abaixo) - Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736) - 0º: congelamento da mistura álcool+água+sais - 100º: temperatura do corpo humano

Escala termodinâmica: Kelvin - século dezenove (~ 1860)

c) Kelvin (baseada na TCM) - William Thomson, ou Lord Kelvin (1824 – 1907) - 0: Repouso absoluto das moléculas - 273,15: congelamento da água - 373,15: fervura da água

Equilíbrio térmico e Lei zero da termodinâmica

Na prática, corpos com diferentes temperaturas colocados em contato físico tendem a atingir oequilíbrio térmico, ou seja, tendem a ficar com a mesma temperatura. Dessa forma, podemos enunciar alei zero da termodinâmica:

Se os corpos A e B estão cada um em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então, elesestão em equilíbrio térmico entre si, ou seja, TA = TB = TC.

Comparação entre escalas

Celsius Fahrenheit KelvinTc−0

100−0=Tf−32

212−32=Tk−273

373−273

Simplificando, temos:Tc5

=Tf −32

9=Tk−273

5

Assim, podemos separar:

a) Celsius x Fahrenheit b) Celsius x Kelvin c) Fahrenheit x KelvinTc5

=Tf −32

9Tc5

=Tk−273

5Tf −32

9=Tk−273

5

Aula 2 – Calorimetria

Calor

Calor pode ser definido como a energia transferida entre corpos com diferentes temperaturas ouentre um corpo e sua vizinhança, desde que estejam com diferentes temperaturas. Essa forma de energia(o calor) está relacionada com a agitação térmica molecular ou, em outras palavras, com a energiacinética de cada partícula constituinte do corpo em questão. Dessa forma, quanto mais agitadas estão aspartículas, maior possibilidade do corpo transferir energia para outro.

Podemos afirmar também que o recebimento ou a perda de calor por um corpo ocasiona oaumento ou a diminuição de sua temperatura ou uma mudança em seu estado físico.

Ex.: Água de 20ºC para 80ºC; Sensação de frio e de calor;

Calorimetria

Para medirmos a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo, precisamos levar emconsideração o material do qual é feito e por qual a variação de temperatura ou de estado ele estápassando. A princípio a unidade padrão de medida para o calor era a caloria (cal); na TCM, tratandocalor como energia, utilizamos a unidade joule (J).

Curvas de aquecimento

→ Gráfico de Temperatura x Quantidade de calor: T x Q

→ Exemplos: Água: TF = 0ºC TE = 100ºCÁlcool: TF = -114ºC TE = 78ºCEstanho: TF = 231ºC TE: 2602ºC

a) Quantidade de calor sensível (QS)

→ Para mudanças de temperatura.QS = m.c.ΔT Onde: m: massa do corpo

c: calor específico do materialΔT: variação de temperatura

Ex.: c(água) = 1 cal/gºC;

b) Quantidade de calor latente (QL)

→ Para mudanças de estado físico.QL = m.L Onde: m: massa do corpo

L: calor específico latente do material

c) Equilíbrio térmico

Corpos com temperatura diferente entram em equilíbrio térmico se colocados em contato físicopor tempo indeterminado em um recipiente isolante térmico. O mais quente cede calor e o mais frioganha calor, até que atinjam a temperatura de equilíbrio.

Matematicamente:

QR + QC = 0 Onde: QR: calor recebido pelo corpo frio.QC: calor cedido pelo corpo quente.

Aula 3 - Dilatação térmica

Dilatação térmica

Todo corpo, ao variar sua temperatura em função do recebimento ou da perda de calor, sofredilatação térmica em seu volume, sendo que esta pode ser para mais ou para menos. Geralmente aoaumentarmos a temperatura de um corpo este aumenta seu volume, mas isto não é regra, pois em algunscasos ocorre o contrário.

Considerando o espaço euclidiano tridimensional, podemos afirmar que todo corpo tem seuvolume alterado nas três dimensões possíveis, fato este devido à maior agitação molecular de seusconstituintes. Contudo, por vezes a variação em uma ou duas dimensões é desprezível ou insignificantepara o problema, e trabalhamos apenas com a variação nas outras dimensões.

Termômetros e termostatos geralmente possuem seu fundamento funcional na dilatação térmicade algum material, sólido, líquido ou gasoso, exceto os que funcionam a partir da absorção/emissão deondas de infravermelho ou através de corrente ou resistência elétrica.

Corpos rígidos

a) Linear

Ocorre quando apenas uma dimensão da dilatação é significativa.Exemplos: régua, barra, corda, fio, tira bimetálica...Δl = l0.α.ΔTΔl: variação do comprimentol0: comprimento inicialα: coeficiente de dilatação linear [α] = ºC-1 ou K-1

ΔT: variação de temperatura

b) Superficial

Ocorre quando duas dimensões da dilatação são significativas.Exemplo: pisos, azulejos, carros (partes), portas, chapas furadas...ΔS: S0.β.ΔTΔS: variação da área da superfícieS0: Área da superfície inicialβ: coeficiente de dilatação superficial β = 2.α

c) Volumétrica

Ocorre quando as três dimensões da dilatação são significativas.Exemplos: prédios, TV, obturação dentária, próteses...ΔV = V0.γ.ΔTΔV: variação do volumeV0: volume inicialγ: coef. de dilatação volumétrica γ = 3.α

Fluidos

a) Líquidos

Como os fluidos não tẽm forma específica, quase sempre consideramos sua dilatação como volumétrica.

Exemplos: Água em copo, álcool no tudo de ensaio, mercúrio no termômetro...→ Dilatação volumétrica

ΔV = V0.γ.ΔT

Obs.1: A dilatação aparente de um líquido está relacionada com a diferença da dilatação do recipiente onde ele se encontra da dilatação real.

Obs.2: A água sofre dilatação inversa entre 0ºC e 4ºC.

b) Gases

Exemplos: Ar em balão, gases no estômago...→ Dilatação volumétricaΔV = V0.γ.ΔT γ = 1/273ºC-1 = 0,00366ºC-1

→ Índice de coeficiente (γ) igual para qualquer gás, devido a não interação entre suas moléculas.

Exemplos

α(aço) = 11.10-6K-1

α(latão) = 19.10-6K-1

α(invar) = 0,7.10-6K-1

α(aço) = 11.10-6K-1

Aula 4 – Trocas de Calor

Trocas de calor

Quando um corpo recebe ou cede calor, este pode o fazer de três maneiras distintas, a saber:condução, convecção ou irradiação.

a) Condução: Corpos postos em contato físico permitem “colisões” entre suas moléculas maisexternas, realizando troca de energia. Dessa forma, se dois corpos com temperaturas diferentes sãopostos em contato, as moléculas do corpo mais quente (com maior agitação) cederão energia durante ascolisões, diminuindo sua temperatura e aumentando a do corpo mais frio.

Alguns materiais são bons condutores, outros maus.Ex.: Cabo x panela, termômetro x pessoa...

b) Convecção: Fluidos (ou um só fluido) com diferentes temperaturas possuem diferentedensidade e, portanto, podem realizar movimentos de troca de posição (altitude, geralmente) permitindoque o calor seja recebido ou cedido por partes do sistema.

Ex.: Geladeira, ventos, balão...

c) Irradiação: Partículas com carga elétrica emitem/absorvem ondas eletromagnéticas quandoaceleradas. Ondas com comprimento de onda da ordem do infravermelho (micro-ondas) sãoresponsáveis pelo aquecimento ou resfriamento dos corpos; dessa forma, há troca de calor através dorecebimento e/ou absorção destas ondas.

Ex.: Sol, fogueira, ap. de micro-ondas...

Capacidade térmica

C = Q/dT [C] = J/K; cal/ºC; kJ/ºC ...

Potência térmicas

P = Q/dt [P] = J/s; W; cal/min ...

Lista 1: Gabarito e distribuição

01. C Mudanças de estado (aula 1)02. E Mudanças de estado (aula 1)03. D Mudanças de estado (aula 1)04. 02, 04 e 08 Mudanças de estado (aula 1)05. 01, 02 e 16. Mudanças de estado (aula 1)06. 01 e 04 Mudanças de estado (aula 1)07. D Mudanças de estado (aula 1)08. D Mudanças de estado (aula 1)09. A Temperatura x Calor (aula 2)10. B Equilíbrio térmico (aula 2)11. B Calorimetria (aula 2)12. 10,85 cal Calorimetria (aula 2)13. C Calorimetria (aula 2)14. 04 Calor específico (aula 2)15. C Calorimetria (aula 2)16. C Equilíbrio térmico (aula 2)17. B Calorimetria (aula 2)18. E Calorimetria (aula 2)19. B Calorimetria (aula 2)20. D Calorimetria (aula 2)21. D Equilíbrio térmico (aula 2)22. B Calorimetria (aula 2)23. C Calorimetria (aula 2)24. C Dilatação (aula 3)25. 01, 04 e 08 Dilatação (aula 3)26. D Dilatação (aula 3)27. C Dilatação (aula 3)28. D idem29. B idem30. B idem31. A Trocas de calor (aula 4)32. E idem33. C idem34. A idem35. B idem36. 01, 08 e 32 idem37. A idem38. D idem39. C idem40. 16 idem41. A idem42. B idem43. D idem44. A Trocas de calor / calor específico (aula 4)45. C Capacidade térmica x condutividade (aula 4)46. c = 0,15 cal/gºC Calorimetria / Potência térmica (aula 4) C = 75 cal/ºC