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:________________________________________ Profª Fabiana Heirich Dauhs
www.professorafabianadauhs.blogspot.com
Termologia (termo = calor, logia = estudo) é a parte da Física encarregada de estudar o calor e seus efeitos sobre a matéria. A Termologia é um ramo da Física que estuda os fenômenos térmicos como calor, temperatura, dilatação, energia térmica, estudo térmico dos gases etc. Temperatura: temperatura de um corpo é a propriedade que está relacionada com o fato de o corpo estar mais quente ou mais frio. As partículas constituintes dos corpos estão em contínuo movimento. Entende-se temperatura como sendo uma grandeza que mede a maior ou menor intensidade dessa agitação térmica.
Equilíbrio térmico: dois (ou mais) corpos, colocados em contato e isolados de influências externas, tendem para um estado final, denominado estado de equilíbrio térmico, que é caracterizado por uma uniformidade na temperatura dos corpos. Termômetros Termômetro é todo instrumento capaz de medir a temperatura dos sistemas físicos. Os tipos mais comuns de termômetros e o que utilizaremos para compreensão dos conceitos são os que se baseiam na dilatação do mercúrio.
Para ter o valor indicado é necessário ter escalas
numéricas no Capilar, para isto ocorrer os termômetros é baseado em dois pontos de fácil marcação.
• Ponto do Gelo: temperatura em que ocorre a fusão do gelo em água
• Ponto de vapor: temperatura em que ocorre a ebulição da água
Escalas Termométricas Uma escala termométrica corresponde a um conjunto de valores numéricos, onde cada um desses valores está associado a uma determinada temperatura. Existem vários tipos de escalas, das quais as mais conhecidas são a escala Celsius, escala Kelvin e escala Fahrenheit Zero absoluto O conceito de zero absoluto, ou zero kelvin corresponde à temperatura de -273,15 °C ou -459.67 °F. O zero absoluto ocorre quando um corpo não contem energia alguma, porém, as leis da termodinâmica mostram que a temperatura jamais pode ser exatamente igual a zero Kelvin. O princípio do zero absoluto garante que nenhum sistema tem uma eficiência de 100%, apesar de ser possível ser alcançado temperaturas próximas de 0 K e que alguns objetos possam ser resfriados a esse ponto.
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Relações Termométrica entre as escalas
Relação entre a escala Celsius e a Fahrenheit Relação entre escala Celsius e Kelvin Relação entre escala Fahrenheit e Kelvin
Para quaisquer que sejam as escalas, a regra utilizada é a mesma, basta saber os valores dos pontos fixos. Para variações de temperaturas, usam-se as equações Na escala Kelvin não usa-se o grau. Lê-se apenas Kelvin.
Exercício Resolvido 1)Transforme a temperatura de 25ºC na escala fahrenheit (ºF) Resolução 1º- Desenha as escalas com os valores dos pontos fixos 2º Estabelece a relação procurando deixar a temperatura a ser descoberta do lado esquerdo da equação
100
25
180
32=
−ft
3º Inicia-se o procedimento de conversão através de cálculos simples de equação do 1º grau.
9255)32( xxt f =−
2251605 =−ft
1602255 +=ft
5
385=t
tf = 77ºF 2) Agora transforme a temperatura de 25ºC na escala Kelvin (K) 3)Transforme a temperatura de 393K na escala Celsius(ºC) 4)Sêmen bovino para inseminação artificial é conservado em nitrogênio líquido que, à pressão normal tem temperatura de 78 K. Calcule essa temperatura em: a)graus Celsius (°C);
Importante: No Sistema Internacional de Unidade (S.I) a unidade de medida de
temperatura é o Kelvin (K)
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b)graus Fahrenheit (°F)
5) Penélope Charmosa está preocupada, pois o Calor pode derreter sua maquiagem. Para auxiliar seus cuidados pessoais Penélope criou uma escala que possui ponto de vapor igual a 64 oP e ponto de gelo igual a 14 oP. Determine a temperatura que na escala Celsius corresponde a 100ºP
6)Uma determinada escala termométrica E marca 10ºE para a fusão do gelo, e 150ºE para a ebulição da água. Qual o valor nesta escala, da temperatura de 40ºC?
7) Certa escala M adota para o ponto de congelamento da água 20ºM e para a ebulição 520ºM. Nesta escala, qual o valor correspondente a 10ºC? 8) Uma pessoa mediu a temperatura e seu corpo, utilizando-se de um termômetro graduado na escala Fahrenheit, e encontrou o valor 98,6°F. Essa temperatura, na escala Celsius, corresponde a quantos graus? 9) A temperatura de ebulição do nitrogênio, sob pressão normal, é 77 K. Na escala Celsius, essa temperatura se escreve: A( ) -350ºC B( ) -175ºC C( ) -100ºC D( ) -196ºC E( ) -160ºC 10)Quando um termômetro graduado na escala Celsius sofrer uma variação de 40 graus em sua temperatura, qual será a correspondente variação de temperatura para um termômetro graduado na escala Fahrenheit?
1) Em um dia típico de inverno em Nova York os termômetros marcavam 14oF. Converta essa temperatura para graus Celsius. 2) Fahrenheit 451 é o título de um filme onde se explica que 451oF é a temperatura da chama que destrói totalmente um livro. Qual será o título desse livro se fosse usada a escala Celsius? Justifique com cálculos. 3) Ao tomar a temperatura de um paciente, um médico só dispunha de um termômetro graduado na escala Fahrenheit. Se o paciente estava com febre de 42ºC, a leitura feita pelo médico no termômetro por ele utilizado foi de :
4) Uma determinada quantidade de água está a uma temperatura de 55oC. Essa temperatura corresponde a quantos graus Fahrenheit? 5) Um turista, ao descer no aeroporto de Nova York, viu
um termômetro marcando 68 oF . Quanto vale essa mesma temperatura em graus Celsius? 6) Duas pessoas que moram em locais distintos medem a temperatura ambiente em um determinado dia e obtêm os seguintes valores: 25 oC e 76 oF. Em qual dos locais está mais quente? 7) Um cientista construiu uma escala termométrica, em que a temperatura de fusão do gelo era de – 50º e a temperatura de ebulição da água 150º. O zero grau dessa escala corresponde, em graus Celsius, a:
A experiência mostra que os sólidos, ao sofrerem
um aquecimento, se dilatam e, ao serem resfriados, se contraem.
A dilatação ou a contração ocorre em três dimensões: comprimento, largura e espessura.
A essa variação nas dimensões de um sólido causada pelo aquecimento ou resfriamento denominamos dilatação térmica.
• • • • • • • • •
• Dilatação linear: É aquela em que predomina a variação em uma única dimensão, ou seja, o comprimento. Ex: dilatação em fios, cabos e barras.
Para estudarmos a dilatação linear, consideremos uma barra de comprimento inicial Li, à temperatura inicial ti. Aumentando a temperatura da barra para tf, seu comprimento passa a Lf.
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Em que ∆L, é a variação do comprimento ou dilatação
linear da barra. A partir das relações mostradas na figura, podemos escrever:
∆L = Li . α . ∆t Em que α é uma constante característica do material que constitui a barra, denominada coeficiente de dilatação linear. A unidade de α é o 0C – 1
Exemplo: O comprimento de um fio de alumínio é de 40m a 200C. Sabendo que o fio é aquecido até 600C e que o coeficiente de dilatação térmica linear do alumínio é de 24 . 10 – 6 0C – 1 , determinar:
a. a dilatação do fio; b. o comprimento final do fio.
Para se calcular a dilatação térmica, ou outra grandeza envolvida no processo, deverá ter todas as unidades de medidas no Sistema Internacional (S.I).
Dilatação Superficial :
Dilatação Volumétrica :
1)Uma barra de latão possui um comprimento de 90m a 10ºC. Determine a dilatação linear e o comprimento final da barra quando aquecida a 60ºC, sabendo que o coeficiente linear da barra é 18x10-6ºC-1
2) Uma barra de cobre com um coeficiente angular de 17x10-6ºC-1 De 200cm de comprimento a 0ºC e aquecida a 100ºC. Determine a dilatação linear e o comprimento final da barra. 3)Uma barra de ouro a 0ºC e comprimento de 100cm, tem seu comprimento aumentado quando a temperatura passa a 50ºC. Determine o valor do comprimento que a barra passa ter sabendo que o coeficiente de dilatação linear é 15x10-6ºC-1
4) A dilatação térmica dos sólidos é um fenômeno importante em diversas aplicações de engenharia, como construções de pontes, prédios e estradas de ferro. Considere o caso dos trilhos de trem serem de aço, cujo coeficiente de dilatação é α = 11 . 10-6 °C-1. Se a 10°C o comprimento de um trilho é de 30m, de quanto aumentaria o seu comprimento se a temperatura aumentasse para 40°C?
5)Certa barra metálica dilata 0,5mm quando sujeita a uma variação de 300ºC em sua temperatura. Quantos milímetros ela deverá dilatar se for exposta a uma variação de 600ºC. 6) Um fio de cobre de 10m dilata 0,2mm quando sujeita a certa variação de temperatura. Se outro fio do mesmo cobre, mas de 30m, sofrer a mesma variação de temperatura, qual será sua dilatação? 7)A figura representa a variação do comprimento de uma determinada barra homogênea. Determine valor do coeficiente de dilatação linear do material de que é constituída a barra.
TSS ∆=∆ ..0 β αβ .2=
TVV ∆=∆ ..0 γ αγ .3=
5
8)Uma barra de cobre, cujo coeficiente de dilatação linear é 17x10-6°C-1,tem comprimento de 200,0 cm à temperatura de 50°C. Calcule o comprimento dessa barra à temperatura de 450°C 9)Uma chapa de zinco, de forma retangular, tem 60cm de comprimento e 40 cm de largura à temperatura de 20ºC. Supondo que a chapa foi aquecida até 120ºC e que o coeficiente de dilatação linear é 25.10-6ºC-1 , calcule: a)a dilatação do comprimento da chapa b)A dilatação na largura da chapa 10)Considere a chapa do exercícios anterior. a)Qual é o valor do coeficiente de dilatação superficial? b)qual o aumento da área da chapa usando o valor de β obtido?
1)Quando a gasolina é mais cara: no verão ou no inverno? Justifique do ponto de vista físico. 2)Uma lâmina de ferro tem dimensões 10m x 15m em temperatura normal. Ao ser aquecida 500ºC, qual será a
área desta superfície? (Dado αFe=13.10-6 ºC-1).
3) Um trilho de aço, cujo coeficiente de dilatação linear é 11.10-6 oC-1, tem comprimento de 10m à temperatura de 10oC. Calcule o seu comprimento a 60oC . 4) Qual o aumento de comprimento que sofre uma extensão de trilhos de ferro com 1000 m ao passar de 0o C para 40o C, sabendo-se que o coeficiente de dilatação linear do ferro é 12.10-6 oC-1 ? 5) Um cano de cobre de 4 m a 20o C é aquecido até 80o C. Dado do cobre igual a 17.10-6 oC-1 , de quanto aumentou o comprimento do cano? 6) O comprimento de um trilho de aço a 10oC é 100m. Qual o acréscimo de comprimento desse trilho quando sua temperatura chega a 30oC? (Dado: coeficiente de dilatação linear do aço: αaço = 1,1.10-5 oC-1) 7)Uma placa retangular de alumínio tem área de 20cm2 a 0ºC. Sabendo que o coeficiente de dilatação superficial do alumínio é 96.10-6 ºC-1, qual é a variação da área se a placa atingir 1000ºC? a)0,192 cm2 b) 2,92 cm2 c) 0,0192 cm2 d) 19,2 cm2 e) 1,92cm2
8(UFU-MG) Um orifício numa panela de ferro, a 0ºC, tem 5cm2 de área. Sendo o coeficiente de dilatação linear do ferro 1,2.10-5 ºC-1, qual a área do orifício a 300ºC.
9)Uma peça de zinco é constituída a partir de uma chapa de zinco com lados 30cm, da qual foi retirado um pedaço de área 500cm². Elevando-se de 50°C a
temperatura da peça restante, qual será sua área final em
centímetros quadrados? (Dado αZi=2,5.10-5 ºC-1).
10)Em um dado ponto da superfície lunar, a ausência de atmosfera permite oscilações térmicas com uma variação de temperatura entre o dia e a noite de 1000ºC. Uma barra de 1m de comprimento de certo metal é deixada por astronautas nesse local. Determine a variação de comprimento dessa barra, entre o dia e a noite. Dados do coeficiente de dilatação linear deste metal: α=24.10-6ºC-1
11)Um paralelepípedo de uma liga de alumínio (αAl=2.10-5 ºC-1) tem arestas que, à 0°C, medem 5cm, 40cm e 30cm. De quanto aumenta seu volume ao ser aquecido à temperatura de 100°C?
Livro Didático Página 109– Elabore em casa Exercício: 1 Página 111—Elabore as resoluções Exercícios: 3 e 4 Página 112– Elabore em casa Exercício 1 Página116– Elabore as resoluções Exercício 2, 3 e 6
Calor Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor.
Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes.
A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J).
Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5°C para 15,5°C.
A relação entre a caloria e o joule é dada por:
1 cal = 4,186J
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Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples.
Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a quilocaloria.
1 kcal = 1.10³cal= 1000 cal
É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo.
Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico.
Assim:
TcmQ ∆= ..
Onde:
Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).
c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).
m= massa da substância (g ou kg)
Observação Importante Se um corpo absorver/ganhar calor:
∆T ( + ) � Q ( + )
Se um corpo perder/ceder calor:
∆T ( -) � Q ( - )
É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade.
Então, pode-se expressar esta relação por:
Sua unidade usual é cal/°C.
1)Qual a quantidade de calor sensível necessária para aquecer uma barra de ferro de 2kg de 20°C para 200°C?
Dado: calor específico do ferro = 0,119cal/g°C
Dados:
m= 2 kg = 2000g c = 0,119cal/g°C
∆T = T –T0 = 200 – 20 =180ºC
Resolução
1) Transforme 105 cal em Joule
2) Transforme 84 J em cal
3)Para derreter uma barra de um material w de 1kg é necessário aquecê-lo até a temperatura de 1000°C. Sendo a temperatura do ambiente no momento analisado 20°C e o calor específico de w é c=4,3J/kg.°C, qual a quantidade de calor necessária para derreter a barra?
4)Qual é a quantidade de energia que devemos usar para aquecer 100 g de água de 15ºC para 45ºC?
calor específico sensível da água = 1,0 cal/gºC
5)Um líquido inicialmente a 20ºC recebeu 8 kcal até atingir 60ºC. Sabendo que a massa do líquido é de 400 g determine o seu calor específico. 6)Aqueceu-se m g de água de 25ºC para 75ºC. Para isto, foram gastos 8400 Joules. Qual é o valor de m, sabendo que o calor específico sensível da água é de 1,0 cal/gºC?
7)O calor específico de uma substância é 0,5 cal/g.ºC. Se a temperatura de 4 g dessa substância se eleva de 10 ºC, pode-se afirmar que ela absorveu uma quantidade de calor, em calorias, de:
8) Cedem-se 684 cal a 0,2kg de ferro que estão a uma temperatura de 100 ºC. Sabendo que o calor específico do ferro vale 0,114 cal/g.ºC, concluímos que a temperatura final do ferro será:
Quantidade de Calor Sensível
Capacidade Térmica
Exercício Resolvido
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1)É preciso abaixar de 3oC a temperatura da água do caldeirão, para que a nossa amiga possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água? A banheira contém 104g de água e o calor específico da água é 1 cal/goC. 2)O calor específico de certa areia seca vale 0,20 cal/goC. Com essa informação, determine: a)o recebimento de calor para que 20g dessa areia sofram elevação de 10oC b)a quantidade de calor liberada ao sofrer abaixamento de 2oC em sua temperatura 3)Um corpo de massa 2kg é constituído por uma substância cujo calor específico vale 0,4 cal/g.oC. Determine a quantidade de calor que este corpo deve receber para aumentar a sua temperatura de 5oC para 35oC dando a resposta em quilocalorias. 4)Um bloco cujo calor específico é igual a 0,5 cal/g.oC e massa 1 kg sofre uma variação de temperatura de 100K. Determine a quantidade de calor por ele recebida em quilocalorias. 5)Um objeto de massa 100g recebe 91 cal de energia e sua temperatura sobre de 20oC para 30oC. Qual o calor específico da substância que o constitui? Qual é essa substância? 6)Uma panela de ferro, de massa 1,0 kg, vazia, tem sua temperatura elevada de 50 oC quando colocada na chama de um fogão durante determinado tempo. a)determine a quantidade de calor absorvida por essa panela em joules e em calorias. DADOS : calores específicos Ferro:cf =460 J/kg.oC ou cf =0,11 cal/g.oC ; 7) Um bloco de madeira, de massa 0,40 kg, sofre um acréscimo de 25 oC em sua temperatura quando absorve 1800J de calor. Qual o calor específico dessa espécie de madeira? 8)Um calorímetro sofre uma variação de temperatura de 40K quando absorve a quantidade de calor de 600J. Determine a)a capacidade calorífica desse calorímetro; 9)Um corpo absorveu 500cal para aumentar sua temperatura de 20oC para 40 oC. Determine a capacidade térmica do corpo.
A troca de calor acontece quando dois ou mais corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato em um mesmo ambiente (sistema isolado) e, depois de certo tempo, alcançam o equilíbrio térmico. O sistema isolado referido acima é mais conhecido como calorímetro. Um sistema fechado que impossibilita a troca de calor do sistema com o meio. As trocas de calor acontecem porque o calor é um tipo de energia que transita entre os corpos, ocasionando esse movimento, fato que acontece até que haja o equilíbrio térmico entre ambos. Esse processo acontece porque os corpos sentem a necessidade de ceder e receber calor. Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja:
ΣQ=0
(lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero)
Q1+Q2+Q3+...+Qn=0
Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.
1)Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200g à 20°C mergulhado em 80g de água à 80°C? Dados calor específico: água=1cal/g°C e
alumínio = 0,219cal/g°C.
Dados:
Alumínio Água
m= 200g m = 80g
c= 0,219cal/g°C. c= 1cal/g°C
T0=20ºC T0= 80ºC
TF = ? TF = ?
Resolução
ΣQ =0
QAl + QA = 0
mAl.cAl.∆T+mA.cA.∆T=0
200.0,219.(TF-20)+80.1.(TF-80) = 0
43,8.TF – 876 + 80.TF - 6400 = 0
123,8 TF = 6400 + 876
123,8 TF = 7276
TF = 7276 / 123,8 TF = 58,77ºC
Trocas de Calor
Exercício Resolvido
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2) Um corpo de massa 200 g a 50o C, feito de um material desconhecido, é mergulhado em 50 g de água a 90o C. O equilíbrio térmico se estabelece a 60o C. Sendo 1 cal/g. o C o calor específico da água, e admitindo só haver trocas de calor entre o corpo e a água, determine o calor específico do material desconhecido.
3) O alumínio tem calor específico 0,20 cal/g. o C e a água 1 cal/g. o C. Um corpo de alumínio, de massa 10 g e à temperatura de 80o C, é colocado em 10 g de água à temperatura de 20o C. Considerando que só há trocas de calor entre o alumínio e a água, determine a temperatura final de equilíbrio térmico.
4)Uma xícara de massa 50g está a 34ºC. Colocam-se nela 250g de água a 100ºC. Verifica-se que no equilíbrio térmico a temperatura é 94ºC. Admitindo que só haja troca de calor entre a xícara e a água, determinar o calor específico do material de que a xícara é constituída. Dado : cagua= 1 cal/gºC
5) Um calorímetro contém 90g de água à temperatura ambiente de 25ºC. Coloca-se em seu interior um bloco de ferro de massa 100g e temperatura de 90ºC. Atingindo o equilíbrio térmico, o termômetro acusa 30ºC. Sabendo que os calores específico da água e do ferro, respectivamente são: 1 cal/gºC e 0,11cal/gºC, calcule a capacidade térmica do calorímetro.
1)Um calorímetro de alumínio de 60g contém 40g de um líquido a 20°C. No vaso é colocado um bloco de cobre de m=100g a 40°C. Sabendo que a temperatura de equilíbrio térmico é 25°C, determine o calor específico do líquido. Dados: cCu=0,094cal/g°C, cAl=0,217cal/g°C. 2)Um vaso termicamente isolado contém 200 g de água a 20oC. Uma peça de alumínio de 100g de massa, à temperatura de 80oC, foi imersa na água. Calcule a temperatura de equilíbrio térmico. 3)Um calorímetro ideal, contendo 150 g de água a 10oC, adiciona-se 250g de água a 90oC. Se o calor específico da água é 1 cal/goC, Qual é a temperatura de equilíbrio? 4)Num recipiente de capacidade térmica desprezível, contendo 500g de água a 20oC, são colocadas 500g de ferro a 42oC. Sendo o calor específico do ferro 0,1 cal/goC, determine a temperatura final de equilíbrio. 5)Em um compartimento isolado são colocados um
bloco de ferro, de 2 kg a 200 oC e um bloco de alumínio, de 4 kg a -25 oC. Determine a temperatura atingida pelo sistema no equilíbrio térmico sabendo que eles só trocam calor entre si. DADOS : calores específicos Ferro:cf = 460 J/kg.oC Alumínio cAl = 900 J/kg.oC 6) Em um compartimento isolado são colocados um bloco de cobre, de massa 500g a 100 oC, e um bloco de concreto, de 4 kg a 10 oC. Determine a temperatura atingida pelo sistema no equilíbrio térmico sabendo que eles só trocam calor entre si. DADOS : calores específicos Cobre:cCu = 130 J/kg.oC ; Concreto cconcreto = 840 J/kg.oC
Anotações
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No nosso dia-a-dia observamos que o gelo se derrete sob a ação do calor transformando-se em água. A água ferve sob calor mais intenso transformando-se em vapor d água. A água, neste caso, apresenta três estados: sólido, líquido e gasoso. São também chamado de estados físicos ou estado de agregação da matéria. Quando se transformam de um estado para o outro chamamos de Mudança de Estados Físicos. Cada transformação recebe um nome. Fase Sólida
À temperaturas baixas, os átomos se unem firmemente ligados por uma força elétrica intensa. Mas ainda se movem. Possuem volumes bem definidos. Fase Líquida
As partículas estão ligadas, mas não com a mesma intensidade do que na fase sólida. Possuem volume definidos, porém terão a forma do recipiente no quais estiverem. As partículas não estão tão próximas, mas ainda há forças entre elas.
Fase Gasosa
Nessa fase, as partículas que compõem o corpo praticamente não possuem mais nenhuma ligação. As moléculas estão livres uma das outras de forma a possuir completa mobilidade. Possuem o volume e forma do recipiente. Há movimentação (desorganizada) das moléculas.
Como você sabe, vaporização é o nome que se dá para a mudança de estado líquido para gasoso.
Essa mudança pode receber, conforme a maneira segundo a qual ela se processa, três denominações particulares: evaporação, ebulição e calefação.
Mudança de Estado de
agregação da matéria
Fases da Matéria Mudança de Fase
Vaporização
Evaporação: Ocorre a qualquer
temperatura, sendo uma
mudança lenta e sem formação
de bolhas
Ebulição: Ocorre a uma
temperatura determinada,
com a agitação do líquido e
formação de bolhas
Calefação: Ocorre quando
uma pequena porção líquida
se aproxima de uma
superfície superaquecida
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Questões do trabalho 1)Como chama-se a forma de vaporização que ocorre a uma determinada temperatura, com a agitação da massa líquida e intensa formação de bolhas? 2)Em idênticas condições, a água: (a)se evapora mais rapidamente em Curitiba do que em Paranaguá. (b)Se evapora mais rapidamente em Paranaguá do que em Curitiba (c)tem maior ponto de ebulição em Curitiba do que em Paranaguá 3)Quando se passa álcool no braço, sente-se uma sensação de frio no local, porque o álcool, ao se evaporar, absorve o calor da pele. A)As duas afirmativas são verdadeiras e a segunda é uma explicação correta da primeira. B)As duas afirmativas são verdadeiras mas a segunda não é uma explicação correta da primeira. C) A primeira é verdadeira e a segunda é falsa. D)As duas são falsas. 4)Ao soprarmos sobre a superfície de um líquido quente, este esfria mais rápido. Por que?
É importante saber que existem dois “tipos” de calor.
1. Calor Sensível e 2. Calor Latente No final das contas o que você precisa lembrar é que Calor sensível tem a ver com mudanças na temperatura dos corpos e calor latente com mudanças de fase (ou estado físico).
Para calor sensível, já estudamos e verificamos que é preciso ter uma variação na temperatura. Também precisamos saber a massa e o tipo de material envolvido no fenômeno. O calor latente é a quantidade de calor onde não há mudança na temperatura, ou seja, no momento onde está havendo a mudança de estado físico da substância envolvida. A substância continua a receber a energia térmica (calor) para a reorganização de suas moléculas. A temperatura só volta a mudar quando o corpo todo tiver mudado de fase. A quantidade de calor necessária para transformar a fase de um corpo de massa m é dada por:
A constante L é característica da substância e denominada calor latente. A transformação de fase inversa requer a mesma quantidade de calor, porém o sinal será contrário.
Trabalho
Data:___/___/___ valor:____
�Relatar em manuscrito informações sobre as três denominações particulares da vaporização
�E com as informações copiar e responder as questões.
Critérios de busca
Abordar características importantes de cada denominação.
Falar sobre os fatores que influenciam a velocidade de evaporação, e a influência da pressão na temperatura de fusão
Quantidade de Calor Latente
LmQ .=
Calor específico Sensível da água
c = 1 cal/gºC
Calor específico Sensível do gelo e
vapor
C = 0,5 cal/gºC
Calor específico latente de fusão da água
L = 80 cal/g
Calor específico latente de vaporização
da água
L = 540 cal/g
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2)Dado o gráfico de TxQ de uma dada substância, calcule Dado m = 10g
)o calor específico da substância na fase sólida; b)a capacidade térmica de um corpo na fase sólida c) o calor latente de fusão; d)o calor específico da substância na fase líquida; e)a capacidade térmica do corpo na fase líquida; f) o calor latente de vaporização; g)o calor específico de vaporização.
3)Têm-se 500g de gelo à -20ºC. Determine a quantidade de calor que o mesmo deverá receber para transformar-se em 500g de água líquida a 80ºC.
4)Qual a quantidade de calor necessária para elevar de -50ºC até -10ºC a temperatura de 20g de gelo? (Dado: calor específico do gelo = 0,5 cal/gºC) 5) Um bloco de gelo com massa 8 kg está a uma temperatura de -20oC, sob pressão normal. Dados: Lf=80cal/g, LV= 540 cal/g, cgelo=0,5 cal/goC , cágua=1 cal/goC. Qual a quantidade de calor necessária para transformar totalmente esse bloco de gelo em água à temperatura de 30oC.
1)Determine a quantidade de calor necessária para que uma amostra de 100g de gelo à –15ºC transforme-se em água à 25ºC. 2)Um bloco de gelo de massa 600g encontra-se a 0ºC. Determinar a quantidade de calor que se deve fornecer a essa massa para que ela se transforme totalmente em água a 0ºC. 3)Um bloco de alumínio de 500g está a uma temperatura de 80ºC. Determinar a massa de gelo a 0ºC que é preciso colocar em contato com o alumínio para se obter um sistema alumínio-água a 0ºC.
Exercício Resolvido
1)Uma amostra de gelo, de 0,2kg, está à -20ºC à pressão atmosférica normal. a) Determine a quantidade de calor necessária para transformar essa amostra de gelo em vapor a 120ºC sabendo-se que:
O calor específico do gelo: 0,5cal/gºC O calor específico da água: 1 cal/gºC O calor específico do vapor: 0,5cal/gºC O calor latente de fusão do gelo: 80 cal/g
O calor latente de vaporização da água: 540cal/g
Resolução Para transformar a massa de gelo de -20ºC em vapor a 120ºC, há cinco etapas, para as quais devemos calcular a quantidade de calor necessária com a expressão correspondente.
Q1 = m.c.∆T Q1 =200.0,5.[0-(-20)] Q1 = 2000 cal
Q2 = m.L Q2 = 200.80 Q2 = 16000 cal
Q3 = m.c.∆T Q3 =200.1.[100-0] Q3 = 20000 cal
Q4 = m.L Q4 = 200.540 Q4 = 108000 cal
Q5 = m.c.∆T Q5 =200.0,5.[120-100] Q5 = 2000 cal
Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Qtotal = 2000 + 16000 + 20000 +108000+2000 Qtotal = 148000 cal Qtotal = 148 kcal
Lembre-se
1Kcal = 1000cal
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Dado: calumínio=0,21 cal/gºC Lfusão do gelo= 80 cal/g. 4)
Determine o valor da massa m. 5) 6) 7)O gráfico a seguir representa a temperatura de uma substância, inicialmente no estado sólido, em função da quantidade de calor recebida. A massa da substância é de 50 gramas.
8)Analise a curva de aquecimento referente a 10g de determinada substância para resolver as questões que seguem:
a) Determine em cada trecho a quantidade de calor trocada e indique o tipo de calor associado. Q1 = 80 cal = quantidade de calor sensível______ Q2 =_________ = quantidade de calor _____________ Q3 = _________ = quantidade de calor _____________ Q4 = _________ = quantidade de calor _____________ Q5 = _________ = quantidade de calor _____________ b)Determine o calor específico c ou o latente L em cada um dos trechos 1, 2, 3, 4 e 5
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O calor é uma forma de energia que flui de um corpo para outro de acordo com suas temperaturas. A transmissão do calor pode ocorrer através de três processos: condução, convecção e irradiação.
Condução
A condução como forma de transmissão do calor ocorre devido ao aumento da vibração das partículas constituintes de um corpo sem que as mesmas alterem as suas posições médias.
Convecção A convecção é o processo no qual há o movimento das partículas do material consideradas, em geral, um gás ou um líquido. Por exemplo, quando aquecemos água em uma panela a parte da água próxima à superfície em contato com a chama aquece, e passa a ter uma densidade menor (aumento de volume) e troca de posição, através das correntes de convecção, com as mais frias, que estão na parte de cima, e que são mais densas. Os ventos são correntes de convecção existentes na atmosfera. Aplicações práticas Devido ao fenômeno de convecções observa-se que:
• Os aquecedores elétricos são colocados no
chão e não junto ao teto; • Os congeladores das geladeiras mais antigas
eram são situados na parte superior. • Para se esfriar o chopp de um barril, o gelo é
posto em cima do barril.
Questionário 1)No interior de uma geladeira antiga, formam-se correntes de convecção. O congelador de uma geladeira é colocado na parte superior dela para garantir a formação destas correntes ( )certa ( )errada 2)A convecção se verifica nos líquidos e nos gases, nunca nos sólidos ( )certa ( )errada 3)Um aquecedor de ambiente deve ficar o mais próximo possível do teto. ( )certa ( )errada
Irradiação Térmica A irradiação é um processo no qual o calor se propaga sem a necessidade de um meio material. Por exemplo, a principal fonte de calor para a vida no nosso planeta provém do Sol, a radiação emitida pelo mesmo se propaga no espaço vazio até nos atingir. Sabemos que todos os corpos irradiam energia, sendo que esta depende da temperatura do corpo. A irradiação consiste na transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, que pode se propagar em meios materiais e também no vácuo.
Para entender esse processo, é conveniente saber o que é um espectro eletromagnético. Espectro eletromagnético é o conjunto das radiações dispostas em ordem crescente de freqüências (ou decrescentes de comprimento de ondas).
Transmissão de Calor
A transferência de calor é feita de molécula a molécula (ou átomo a átomo), se que haja transporte de matéria de uma região para outra. È a energia (calor) que se propaga.
Essa forma de transmissão de calor é característica dos corpos sólidos, embora possa ocorrer em outros meios.
Uma característica dos materiais é que eles podem ser maus ou bons condutores de calor, e o que determina essa característica é o coeficiente de condutibilidade térmica. Quanto maior for a condutibilidade do material, melhor condutor será, e vice-versa.
Lembre-se
a condutibilidade térmica caracteriza a maior ou menor facilidade de transferência de calor, ou seja, de condução de calor por parte dos materiais.
Questionário
1) A condução do calor é característica das substâncias ( ) sólidas ( )líquidas ( )gasosas
2)A temperatura média do corpo humano é 365ºC, enquanto que a ambiente é geralmente inferior. Consequentemente, há uma contínua transmissão de calor de nosso corpo para o ambiente.
( )certa ( )errada 3)Nos dias frios, uma ave eriça suas penas de modo a manter entre elas, camadas de ar, que, quando em repouso, são um excelente isolante térmico.
( )certa ( )errada 4)Sejam um piso de madeira e um piso de cerâmica. Ao pisar cada um dos pés em um piso ao mesmo tempo, verificamos que a cerâmica é mais " fria", isso ocorre pelo fato da cerâmica estar com temperatura mais baixa que o piso de madeira.
( )certa ( )errada
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1)Um grupo de amigos compra barras de gelo para um churrasco, num dia de calor. Como as barras chegam com algumas horas de antecedência, alguém sugere que sejam envolvidas num grosso cobertor para evitar que derretam demais. Essa sugestão: a) é absurda, porque o cobertor vai aquecer o gelo, derretendo-o ainda mais depressa. b) é absurda, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo, fazendo com que ele derreta ainda mais depressa. c) faz sentido, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo, retardando o seu derretimento. d) faz sentido, porque o cobertor dificulta a troca de calor entre o ambiente e o gelo, retardando o seu derretimento. 2)Num dia de verão ao descongelar o freezer, uma dona de casa deseja manter os alimentos congelados. Para isso, é mais conveniente: a)Deixá-los ao ar livre b)Envolvê-los em papel alumínio c)Colocá-los no interior de uma panela escura d)Envolvê-lo num cobertor de lã e)Colocá-los dentro de um recipiente com água na temperatura ambiente. 3)O calor se propaga por convecção no (na): a)água b)vácuo c)chumbo d)vidro 4)Assinale a(s) proposições verdadeiras 01)Um balde de isopor mantém a cerveja gelada porque impede a saída do frio 02)A temperatura de uma escova de dente é maior que a temperatura da água da pia; mergulhando-se a escova na água, ocorrerá uma transferência de calor da escova para a água. 5)Com relação à propagação do calor, some a(s) proposição (ões) correta(s):
01)Numa praça existem bancos de concreto e de madeira. Ao sentar num banco de concreto tem-se a sensação de que ele está mais frio, ou mais quente, que o banco de madeira. Isso se deve ao fato de o concreto apresentar uma convecção mais acentuada do que a apresentada pela madeira, 02)Numa geladeira comum, o congelador localiza-se na parte superior. As indústrias fazem-nas assim, principalmente, para facilitar a retirada das forminhas de gelo pelos adultos e para dificultar o acesso ao sorvete pelas crianças. 04)As prateleiras das geladeiras são feitas de grades de arame, para facilitar a formação de correntes de convecção, ou seja, a movimentação do ar quente para cima e do ar frio para baixo. 08)As cozinheiras preferem utilizar colheres de madeira e não de metal, para mexer seus guisados. Isto porque a madeira, sendo má condutora de calor, dificulta o aquecimento do cabo da colher. 04) Se tivermos a sensação de frio ao tocar um objeto com a mão, isto significa que esse objeto está a uma temperatura inferior à nossa 08)Um copo de refrigerante gelado, pousado sobre uma mesa, num típico dia de verão, recebe calor do meio ambiente até ser atingido o equilíbrio térmico. 16) O agasalho, que usamos em dias frios para nos mantermos aquecidos, é um bom condutor de calor. 32)Os esquimós, para se proteger do frio intenso, constroem abrigos de gelo porque é um isolante térmico. 5)Com relação à propagação do calor, assinale a(s) proposição (ões) correta(s): 01)Numa praça existem bancos de concreto e de madeira. Ao sentar num banco de concreto tem-se a sensação de que ele está mais frio, ou mais quente, que o banco de madeira. Isso se deve ao fato de o concreto apresentar uma convecção mais acentuada do que a apresentada pela madeira, 02)Numa geladeira comum, o congelador localiza-se na parte superior. As indústrias fazem-nas assim, principalmente, para facilitar a retirada das forminhas de gelo pelos adultos e para dificultar o acesso ao sorvete pelas crianças. 04)As prateleiras das geladeiras são feitas de grades de arame, para facilitar a formação de correntes de convecção, ou seja, a movimentação do ar quente para cima e do ar frio para baixo. 08)As cozinheiras preferem utilizar colheres de madeira e não de metal, para mexer seus guisados. Isto porque a madeira, sendo má condutora de calor, dificulta o aquecimento do cabo da colher. 6)Para que a vida continue existindo no nosso planeta, necessitamos sempre do calor que emana do Sol. Sabemos que esse calor está relacionado a reações de fusão nuclear no interior desta estrela. A transferência de calor do Sol para nós ocorre através de: a)convecção b)condução c)irradiação d)dilatação térmica e)ondas mecânicas
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7)Sobre a irradiação do calor podemos afirmar que: a)só ocorre nos sólidos b)só ocorre nos líquidos c)só ocorre nos gases sob baixa pressão d)só ocorre no vácuo e)não necessita de meio material para ocorrer 8) Caminhando descalço no interior de uma casa, um observador nota que o piso ladrilhado é mais frio que o de madeira. Isto se dá principalmente por causa: a)de efeitos psicológicos b)da diferença de condutividade térmica c)da diferença de calores específicos d)da diferença de temperatura: a madeira é mais quente que o ladrilho e)da diferença das capacidades térmicas 9)Um corpo é denominado corpo negro quando a energia radiante que nele incide é totalmente: a)refletida b)refratada c)absorvida d)consumida e)emitida 10)Com relação á transmissão de calor, é correto afirmar que 01) através dos sólidos, o calor flui por condução 02)o calor não se propaga no vácuo 04)na irradiação, o calor se propaga por ondas eletromagnéticas. 08)nos gases, o calor se propaga, principalmente, por convecção. 16) a origem dos ventos naturais se deve à convecção 32) a condutividade térmica de uma substância está relacionada com a facilidade com que o calor flui através dela.
11)Analise as proposições apresentadas a seguir I. O calor do Sol chega até a Terra por irradiação II. A convecção é um processo de propagação do calor que ocorre devido à diferença de densidade das partículas no fluído considerado
III.Uma moeda metálica, bem polia, fica mais quente do que uma outra idêntica, revestida de tinta negra, quando ambas são expostas ao Sol, por um tempo suficiente para absorção do calor Escolha a alternativa correta: a)Apenas a proposição III é falsa b)Todas as proposições são corretas c)II e III são corretas d)I e III são corretas e)Todas são falsas 12)A garrafa térmica é um recipiente que: a)conserva o calor quente em seu interior b)só deve ser usada para líquidos com temperatura acima de 20oC c)não deixa o frio entrar em seu interior d)dificulta a troca de calor com o meio exterior e)serve somente para colocar café ou chá
13)No verão é mais agradável usar roupas claras do que roupas escuras. Isso porque: 01) uma roupa de cor branca absorve toda a radiação que incide sobre ela 02) uma roupa de cor branca reflete a radiação, enquanto uma roupa de cor escura a absorve 04) uma roupa de cor branca conduz melhor o frio do que uma roupa de cor escura 08) uma roupa de cor escura é pior condutora do que uma roupa clara.
14)nas noites de inverno costumamos nos cobrir com cobertores para não sentir frio. Com relação a esse fato, é correto afirmar: 01) o cobertor impede a passagem do frio do ambiente para o nosso corpo 02) o cobertor funciona como isolante térmico entre o nosso corpo e o ambiente 04)o cobertor dificulta a perda de calor por condução do nosso corpo para o ambiente. 08) quanto mais grosso for o cobertor, mais calor será conduzido do nosso corpo para o ambiente. 16)o ar contido entre as malhas do cobertor, por ser um gás, mau condutor de calor, auxilia no isolamento térmico entre o nosso corpo e o ambiente 32) o cobertor não influencia em nada a troca de calor entre o nosso corpo e o ambiente, uma vez que a irradiação do frio ocorre inclusive no vácuo
Irradiação Térmica e o aquecimento global O planeta está em um processo de aquecimento muito acelerado. Isto por causa da alta concentração de gases do efeito estufa – dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) – que são provenientes da indústria, automóveis e da queimada de florestas. A Terra absorve a energia do Sol, e também irradia energia de volta para o espaço. No entanto, grande parte desta energia que vai para o espaço é absorvida pelos gases causadores do efeito estufa..
Como resultado do aumento da emissão destes gases, o planeta está aquecendo. As temperaturas médias globais são as maiores nos dois últimos séculos, aumentando cerca de 0,74°C nos últimos 100 anos. Segundo relatório do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), de 2007, poderá ocorrer o acréscimo médio de 2°C a 5,8°C na temperatura do planeta.
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O efeito estufa é um fenômeno causado por gases (principalmente gás carbônico, clorofluorcarboneto, metano e óxido nitroso) que estão presentes na atmosfera desde a formação da Terra, há cerca de 4 bilhões de anos. São eles os responsáveis por absorver a radiação infravermelha vinda da Terra e permitir que a temperatura na superfície fique na média de 15 °C.
Sem esses gases, a vida só seria viável para micróbios em regiões aquecidas por fontes geotermais
O homem tem, há milênios contribuído para o super aquecimento. Com o advento da industrialização ocorreu uma elevação dos níveis de
CO2, na atmosfera que vem se intensificando a cada dia que passa, provocando um aumento da temperatura da Terra com alterações climáticas globais. O dióxido de carbono é o que mais tem aumentado dos gases de efeito estufa, porém o metano é 20 vezes mais efetivo do que o CO2 e o clorofluorcarbono são 1000 vezes mais efetivos. Clorofluorocarbonos ou CFCs são produtos das industrias químicas que nunca existiram na atmosfera até serem sintetizados há 60 anos.
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São utilizados em refrigeradores, condicionadores de ar e spray (aerossóis) e constituem o mais poderoso gás com efeito estufa: uma molécula de certo tipo de CFC é responsável pela mesma contribuição ao efeito estufa de 10 mil moléculas de CO2.Os CFCs são responsáveis por 20% do agravamento do efeito estufa. Dióxido de carbono (CO2) O Carbono da Terra está armazenado em diferentes reservatórios: (1) os oceanos, (2) as reservas de combustíveis fósseis do subsolo e do fundo do mar, (3) o solo, (4) a atmosfera e (5) a biomassa vegetal .Dióxido de carbono é o maior contribuidor individual para o aumento da forçante radioativa dos gases de efeito estufa. O CO2 é de importância crucial em vários processos que se desenvolvem na Terra, participando, por exemplo, da fotossíntese, fonte de carbono para formação da matéria que compõem as plantas terrestres e marinhas.Outro processo do qual o CO2, como vimos, se refere à manutenção do calor da Terra. Metano(CH4) é Um contribuinte importante para o efeito estufa , que é produzido por vários processos naturais, como a fermentação em pântanos, e processos movidos pelo homem, como a queima de biomassa vegetal, o plantio de arroz e a fermentação no aparelho digestivo do gado. Boa parte do metano desaparece em reações químicas na própria atmosfera e uma fração pequena é absorvida por microorganismos existentes no solo. Assim,
muito das emissões de metano apenas substitui a fração do metanoatmosférico que foi decomposta. Mesmo assim, o metano ainda contribui com15% do agravamento do efeito estufa.
A pecuária, tem sido grande protagonista quando o assunto é aquecimento global.
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• Criar uma revistinha impressa sobre o aquecimento global e Efeito estufa.
� Temas a serem abordados na revista
� Explicar o que é o aquecimento global e o efeito estufa.
� Abordar sobre a relação entre as queimadas com o efeito estufa.
� Falar sobre o Protocolo de Kyoto, não deixando de falar sobre qual o objetivo desse tratado.
� Os setores abaixo podem contribuir para a redução da emissão dos gases estufas, insira este tópico na sua revista.
o Setor industrial
o Setor de transporte
o Setor de energia
o Setor florestal
� Registrar formas de contribuição da população para reduzir a emissão de poluentes.
� Falar sobre a preservação da Mata atlântica
� Abordar os fenômenos climáticos ocorridos com o aumento da temperatura da Terra.
� Não deixar de citar o marco histórico que acelerou os problemas de poluição- A Revolução Industrial.
� Falar sobre a camada de Ozônio.
� Valor:______________
� Data:_______________
� Critérios de Avaliação:
� Deverá ser entregue na data marcada, por se tratar de um trabalho em equipe, não serão aceitos trabalhos atrasados.
� Temas deverão ser pesquisados e após discussão com seus colegas, deverão ser introduzidos na revista.
� Estética da revista será também avaliada.
� No interior da revista deverá ter textos, imagens, charges, passatempos, jogos, entrevistas, etc. porém sem fugir do tema.
Trabalho em Equipe (máximo 4 Trabalho em Equipe (máximo 4 Trabalho em Equipe (máximo 4 Trabalho em Equipe (máximo 4
alunos)alunos)alunos)alunos)
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� Deverá apresentar sua revista aos colegas da sala junto ao professor na data determinada.
Observações
Qualquer dúvida procurar o professor responsável para esclarecimentos.
Por volta de 1840, muitos cientistas chegaram à conclusão de que o calor não é uma substância, mas sim uma forma de energia. Um desses cientistas, chamado James Prescott Joule, foi mais além: concluiu que o calor está relacionado à energia dos átomos e moléculas de uma substância.
A Teoria Cinética dos Gases é um conjunto de hipóteses propostas para explicar as propriedades e as leis dos gases. Essas hipóteses compõem um modelo para os gases segundo o qual:
� Todo gás é constituído de um número enorme de moléculas que guardam grandes distâncias entre si.
� As dimensões das moléculas são desprezíveis em relação às distâncias médias entre elas, ou seja o volume ocupado pelas moléculas de um gás num recipiente é praticamente desprezível.
� As moléculas movem-se continuamente em todas as direções, por isso os gases sempre ocupam todo o volume do recipiente em que estão contidos.
� Entre as moléculas só há interação quando elas colidem (pressão)
� As colisões entre as moléculas de um gás e entre as moléculas e as paredes do recipiente são perfeitamente elásticas (velocidade de afastamento e aproximação são iguais) o que significa que a energia cinética das moléculas permanece constante.
Características das substâncias no
estado gasoso
As características mais importantes são: a compressibilidade e a expansibilidade. Não tem forma nem volume próprio. Um gás tem a forma do recipiente onde está contido e o volume de um gás é o volume do recipiente onde está contido.
Variáveis de estado de um gás
Volume: Espaço onde as moléculas podem se movimentar
Pressão: Resulta das colisões das moléculas contra as paredes do recipiente onde está contido.
Temperatura: É uma medida da agitação molecular ou térmica das moléculas.
Pressão de um gás
Uma moça com sapato de 'salto agulha' e um homem de bota caminham lado a lado. Qual causa maior dano onde
pisa?
Acredite ou não, é o sapato com salto agulha! Ele pode arruinar tapetes e perfurar buracos no chão. Não, não é porque a moça aplica
no chão uma força maior que a do homem da bota. É porque a força que ela aplica está concentrada numa área bem pequena. Ela produz, com isso, uma pressão bem alta. pressão exercida pelas forças nos informa quão distribuídas ou concentradas elas estão. Para conhecer o valor de uma pressão, precisamos de duas informações: a intensidade da força resultante e 2) a área da superfície na qual as forças agem. Usamos, então, da expressão:
Comportamento Térmico dos Comportamento Térmico dos Comportamento Térmico dos Comportamento Térmico dos
GasesGasesGasesGases
Chamamos de estado normal de um gás aquele caracterizado pelos seguintes valores de temperatura absoluta e da pressão p: Unidades Temperatura ���� kelvin (K) Pressão���� ( atm / Pa / N/m2) Volume ���� m3
Conversão
Tk = Tc + 273
1atm = 105 Pa
1Pa = 1 N/m2
1m3 = 1000L
1L = 1000 cm3
1m3= 106 cm3
A
FP =
20
P= (intensidade da força) / (área da superfície) A pressão é medida em newtons por metro quadrado (N/m2) ou pascal (Pa).
I. Transformação Isotérmica– Lei de Boyle– Mariotte “À temperatura constante, uma determinada massa de gás ocupa um volume inversamente proporcional à pressão exercida sobre ele”.
A lei de Boyle-Mariotte pode ser representada por um gráfico pressão-volume. Neste gráfico, as abscissas representam a pressão de um gás, e as ordenadas, o volume ocupado.
A curva obtida é uma hipérbole, cuja equação representativa é PV = constante. Portanto, podemos representar:
II. Transformação Isobárica Lei de Charles/Gay-Lussac “À pressão constante, o volume ocupado por uma massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta.” As relações entre volume e temperatura podem ser representadas pelo esquema: Graficamente, encontramos:
A reta obtida é representada pela equação:
Concluindo, temos
III. Transformação Isocórica ( isométrica, isovolumétrica) - Lei de Charles/Gay-Lussac “A volume constante, a pressão exercida por uma determinada massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta”. As relações entre pressão e temperatura são representadas a seguir:
A reta obtida é representada pela equação: P = (constante) · T ou
Concluindo, temos:
1)A massa de um gás inicialmente ocupava 10l à pressão de 1 atm. Esta, ao sofrer transformação isotérmica, passou a ocupar 2l. Qual será a pressão exercida pelo gás após essa transformação
Transformações Particulares
21
. Dentro de um recipiente fechado existe uma massa de gás ocupando volume de 20L, à pressão de 0,5atm e a 27ºC. Se o recipiente for aquecido a 127ºC, mantendo-se o volume constante, qual será a pressão do gás ? 7. Um botijão de gás não pode variar o volume do gás que se encontra em seu interior. Se este for tirado de um ambiente arejado, onde a pressão interna é 3 atm e a temperatura 15°C, e é posto sob o Sol, onde a temperatura é 35°C. Supondo que o gás seja ideal, qual será a pressão após a transformação? 8. Um gás de volume 0,5m³ à temperatura de 20ºC é aquecido até a temperatura de 70ºC. Qual será o volume ocupado por ele, se esta transformação acontecer sob pressão constante? 9.Um recipiente indeformável, hermeticamente fechado, contém 10 litros de um gás perfeito a 30 ºC, suportando a pressão de 2 atmosferas. A temperatura do gás é aumentada até atingir 60ºC. a) Calcule a pressão final do gás. b) Esboce o gráfico pressão versus temperatura da transformação descrita. 10. A 27º C, um gás ideal ocupa 500 cm3. Que volume ocupará a -73º C, sendo a transformação isobárica?
1)Um gás de volume 5L e pressão 2 atm sofreu uma compressão onde o volume final passou a 2,2 L. Qual é a pressão final desse gás, sabendo que não houve variação da temperatura. 2) Certa massa de um gás está submetido a pressão de 4 atm e ocupa um volume de 1,5L. Reduzindo isotermicamente a pressão para 2,5atm, qual será o volume ocupado? 3)Certa massa de um gás ocupa o volume de 9L a 270C e exerce a pressão de 3atm. Qual será o volume final ocupado por essa massa para exercer a pressão de 4 atm a 27oC? 4) Em um cilindro com êmbolo móvel, matido a 300C, há 400 cm3 de gás à pressão de 1,0 atm. Reduzindo a pressão para 152 mmHg, que volume o gás ocupará em litros? Dado: 1atm=760mmHg 5)Sem alterar a massa e a temperatura de um gás, deseja-se que um sistema que ocupa 800ml, a 0,2 atm passe a ter uma pressão de 0,8 atm. Para isso, o volume do gás deverá ser reduzido para quantos ml? 6)Um gás ocupa o volume de 500 ml à pressão de 1 atmosfera. Qual é o volume desse gás à pressão de 2 atmosfera, na mesma temperatura?
7)A 27°C determinada massa de um gás ocupa o volume de 300ml. Calcule o volume que essa massa ocupará se a temperatura se elevar a 47°C, sem que haja variação da pressão. 8) Em um recipiente há oxigênio a 0,2 atm e 7ºC. A que temperatura devemos aquecer esse gás para que sua pressão aumente para 0,4 atm?
**** Quem quer fazer alguma coisa, acha um
jeito, quem não quer fazer nada arruma uma desculpa.
Roberto Shinyashiki
****
Trabalho de um gTrabalho de um gTrabalho de um gTrabalho de um gáááás e 1s e 1s e 1s e 1ªªªª Lei da Lei da Lei da Lei da
TermodinTermodinTermodinTermodinââââmicamicamicamica
Trabalho de um gás O aquecimento da Terra, provocado pela emissão de gases, sobretudo de países ricos, está alterando o ritmo natural de degelo
e das chuvas, de forma a mudar a capacidade das represas e o fornecimento de energia em determinadas épocas do ano. Um gás pode realizar ou receber trabalho por meio da: expansão� quando realizar trabalho sobre o meio externo compressão� quando recebe o trabalho do meio externo.
Trabalho com pressão constante Representação do sistema formado por um gás aprisionado por êmbolo movimentando-se livremente, sem atrito.
Ao aquecer o gás, ocorre aumento na agitação de suas moléculas, fazendo com que o êmbolo suba, pois a pressão
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interna e a externa permanecem constantes, mas o volume é alterado.
Lembre-se que se aumenta a temperatura, as moléculas se agitam mais e se chocam com mais força nas paredes do recipiente, tendo então maior pressão, mas se deixarmos o êmbolo livre, com o aumento da temperatura o volume também aumenta, e assim as moléculas não se chocam com maior intensidade de força, permanecendo com a pressão constante.
Cálculo do trabalho termodinâmico
τ = p .∆V Pressão constante
Observe que este cálculo é apenas para trabalho termodinâmico com pressão constante.
Fique atento aos sinais
Expansão do gás Volume aumenta
∆V �(+)
O gás realiza trabalho sobre o meio externo
τ � (+)
Compressão do gás Volume diminui
∆V �(-)
Trabalho realizado pelo meio externo sobre o gás
τ � (-)
1)Um gás está confinado em um recipiente cuja tampa consiste de um êmbolo móvel em equilíbrio. Sobre o êmbolo é colocado um bloco que o força para baixo, comprimindo o gás. Em seguida, o gás é aquecido de maneira que o êmbolo volta a subir até a altura inicial. Determine o sinal do trabalho realizado nos dois processos descritos
2)Em um processo á pressão constante de 2.105 N/m2, um gás aumenta seu volume de 8.10-6m3 para 13.10-6m3. Calcule o trabalho realizado pelo gás.
3)
4)
5) 5)Quando são colocados 12 moles de um gás em um recipiente com êmbolo que mantém a pressão igual a da atmosfera, inicialmente ocupando 2m³. Ao empurrar-se o êmbolo, o volume ocupado passa a ser 1m³. Considerando a pressão atmosférica igual a 100000N/m², qual é o trabalho realizado sob o gás? Comente a sua resposta. 6)Numa transformação sob pressão constante de 800 N/m2, o volume de um gás ideal se altera de 0,020 m3 para 0,060 m3. Determine o trabalho realizado durante a expansão do gás. 7)Sob pressão constante de 50 N/m2, o volume de um gás varia de 0,07 m3 a 0,09 m3. O trabalho foi realizado pelo gás ou sobre o gás pelo meio exterior? Quanto vale o trabalho realizado? 8)Um gás está contido num cilindro fechado por meio de um êmbolo, que pode deslizar sem atrito, ocupando um volume de 0,1m3. Ao ser aquecido, sob pressão constante de 500N/m2, o êmbolo se desloca e o volume aumenta para 0,3m3. Calcule o trabalho realizado pelo gás. 9)Um gás ideal, sob pressão constante de 2.105 N/m2, tem seu volume reduzido de 12.10-3 m3 para 8.10-3 m3. Determine o trabalho realizado no processo.
Energia Interna do gás (U) Sabemos que, se a temperatura de um gás aumenta, a energia cinética desse gás também aumenta, isso explica pelo fato de temperatura e energia cinética estarem correlacionadas. Entretanto, se as partículas do gás não forem monoatômicos, haverá uma interação entre os átomos desse gás. Podemos pensar da seguinte maneira: Para um gás, composto de moléculas com somente um átomo, a variação de temperatura do gás acarreta um aumento da variação da energia cinética de translação do átomo.
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Nesse caso não haverá energia de rotação e vibração nem energia de interação entre os átomos, pois as partículas são formadas por um átomo apenas. A energia interna de um gás, é a soma da energia cinética (translação, rotação e vibração), e da energia de interação entre os átomos. Para gases formados de moléculas com mais de um átomo, a variação de temperatura provoca, além da variação da energia cinética ( translação, rotação e vibração), a variação de energia interna dos átomos. A energia interna de um gás, é a soma da energia cinética (translação, rotação e vibração), e da energia de interação entre os átomos. O que nos interessa é deixar claro que: Se a temperatura de um gás aumenta a variação da energia interna do gás também aumenta, e se a temperatura do gás diminui a variação da energia interna diminui proporcionalmente. E se tratar de uma transformação isotérmica, ou seja, onde a temperatura não se altera numa transformação, a variação da energia interna será zero.
1ª Lei da Termodinâmica
Quando um sistema passa por um processo termodinâmico, sua energia total é composta por duas partes: Energia Externa: è a energia trocada pelo sistema com o meio exterior na forma de calor e trabalho, não fazendo parte dele. Energia Interna: é a energia que está no interior do sistema.
A primeira Lei da Termodinâmica constitui-se no
princípio da conservação da energia. Isso significa que
o valor da energia de um sistema é constante, não
podendo ser criada, nem destruída, apenas
transformada
Consideramos um sistema qualquer formado por um ou mais corpos. Quando fornecemos ao sistema uma quantidade de energia (Q) na forma de calor, essa energia pode ser usada de dois modos: Uma parte da energia poderá ser usada para o sistema realizar trabalho τ expandindo-se (τ +) ou contraindo-se (τ -) Eventualmente pode acontecer do sistema não alterar seu volume, assim o trabalho será nulo. A outra parte da energia será absorvida pelo sistema, transformando-se em energia interna. Dito de outro
modo: essa outra parte de energia é igual a variação da energia interna (∆U) do sistema. Eventualmente pode acontecer ∆U= 0, significa que, nesse caso, todo o calor Q foi usado para a realização de trabalho. Assim temos: Quando usarmos essa expressão, que traduz a Primeira Lei da termodinâmica: Conservação da Energia precisamos tomar cuidado com os sinais de Q e τ.
Não esquecer Como já vimos anteriormente, se o gás se expandir, isto é, aumentar seu volume, o trabalho será positivo. Se o gás for comprimido (diminuindo o volume), o trabalho será negativo,(nesse caso é o meio exterior que realiza trabalho positivo).
Transformações Gasosas na Primeira Lei da Termodinâmica
Transformação Isotérmica: Temperatura Constante Se a temperatura não varia, não há variação da energia interna. Portanto:
UQ ∆+= τ � 0+= τQ � τ=Q Transformação Isocórica: volume Constante Se o volume não variação, não terá deslocamento do gás, então, não haverá realização de trabalho. Portanto:
UQ ∆+= τ � UQ ∆+= 0 � UQ ∆= Transformação Isobárica: pressão Constante Se a pressão for constante a expressão da primeira lei não se altera Portanto:
UQ ∆+= τ onde VPx∆=τ
UQ ∆+=τ
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Transformação Equação
02) Um sistema termodinâmico sofre um acréscimo em sua energia interna ∆UI=200J em duas transformações diferentes. a)Qual a quantidade de calor envolvida quando o sistema realiza trabalho de 120J? Ela é absorvida ou cedida pelo sistema? b)Se o sistema cede 60J de calor para o ambiente, qual o trabalho envolvido? Esse trabalho foi realizado pelo sistema ou sobre ele? 04) Um sistema termodinâmico sofre um acréscimo em sua energia interna ∆UI=1200J em duas transformações diferentes. a)Qual a quantidade de calor envolvida quando o sistema realiza trabalho de 2000J? Ela é absorvida ou cedida pelo sistema? b)Se o sistema cede 600J de calor para o ambiente, qual o trabalho envolvido? Esse trabalho foi realizado pelo sistema ou sobre ele? 5)Suponha que um sistema passe de um estado a outro, trocando energia com sua vizinhança. Calcule a variação de energia interna nos seguintes casos: a)O sistema absorve 100 cal de calor e realiza um
trabalho de 200J b)O sistema absorve 100cal de calor e um trabalho de 200J é realizado sobre ele c)O sistema libera 100 cal de calor para a vizinhança e um trabalho de 200J é realizado sobre ele. 6)Um gás, contido em um cilindro provido de um pistom, expande-se ao ser colocado em contato com uma fonte de calor. Verifica-se que a energia interna do gás não varia. O trabalho que o gás realizou é maior, igual ou menor que o calor que ele absorveu? 7)Um gás é comprimido sob uma pressão constante igual a 5,0x104 N/m2, desde um volume inicial Vi=3,0x10-3 m3
até um volume final Vf=1,5x10-3m3, a) Houve trabalho realizado pelo gás ou sobre o gás? b)Calcule esse trabalho? 8)Um gás é comprimido de modo que o meio externo realiza sobre o gás um trabalho de 800J. Durante o processo, o gás perde para o ambiente uma quantidade de calor de 100J. Calcule a variação de energia interna do gás. 9)Um gás sofre uma transformação: absorve 50cal de energia na forma de calor e expande-se realizando um trabalho de 300J. Considerando 1 cal=4,2J, a variação da energia interna do gás é, em J de: 10)Enquanto se expande, um gás recebe o calor de 100J e realiza um trabalho de 70J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gás é:
1)Um gás perfeito está contido num cilindro fechado por meio de um êmbolo móvel. Ao receber 400J na forma de calor, o gás expande empurrando e realizando trabalho de 100J. Calcule a variação de energia interna sofrida pelo gás. 2)Durante uma transformação isotérmica, um gás perde para o ambiente 200J de calor. Calcule o trabalho necessário para que essa transformação seja possível. Explique fisicamente o resultado obtido 3)Um gás, sob pressão constante de 200 N/m2 recebe 1000J de calor e aumenta seu volume de 2m3 para 4 m3 . Calcule a variação de energia interna do gás. 4)Um gás contido em um recipiente recebe 200J de energia na forma de calor e 50J na forma de trabalho. Calcule a variação da energia interna do gás. 5)Um gás, ao se expandir, absorve uma quantidade de calor igual a 200J. Sabendo que não houve variação a energia interna, podemos concluir que o gás sofreu que tipo de transformação e quanto foi trabalho realizado. 6)Um gás, mantido em volume constante, libera 100 calorias de calor para o meio ambiente. Calcule o trabalho realizado pelo gás. 7)Um sistema passa de um estado A para um estado B quando sua energia interna tem um acréscimo de 200J. Se a quantidade e calor recebida pelo sistema foi de
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500J, qual foi o trabalho realizado, em joules, pelo sistema? 8)Um sistema absorve 200 cal sob forma de calor ao mesmo tempo que se expande, realizando um trabalho de 300J. Qual é a variação da energia interna do sistema? 9)Um gás submetido a uma pressão constante de 1,0.106 N/m2, foi fornecida uma quantidade de calor de 10 cal. Durante esse processo, o volume do gás aumentou em 2cm3. Determinar, em J, a variação de energia interna do gás. (1 cal = 4,18 J). 10)Numa transformação isotérmica, 5 mols de um gás recebem 1000J de calor. Baseando-se nessa informação, indique as afirmações corretas 01)o gás s contraiu 02)o volume final do gás é maior que o inicial 04)a variação da energia interna do gás vale 1.103J. 08)A variação da energia interna do gás vale 0J 16)O trabalho realizado vale 1.103J 11)Assinale o que for correto: 01)A variação da energia interna de um sistema é dada pela diferença entre o calor trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo termodinâmico 02)A energia interna e uma dada massa de um gás perfeito é função exclusiva de sua temperatura 04)O calor passa espontaneamente de um corpo para outro de temperatura mais alta 08) Chama-se calor latente de uma mudança de fase a quantidade de calor que a substância recebe ou cede quando ocorre uma variação de temperatura 16)Numa expansão isobárica, a quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado. 32)Numa transformação isovolumétrica, o trabalho realizado sobre o sistema é nulo. 64)expandindo-se isotermicamente o gás, o trabalho por ele realizado é igual ao calor a ele fornecido. 12)Supondo que a máquina térmica receba 400 J de uma fonte de calor e consiga converter 120J na forma de trabalho, determine a variação da energia interna sofrida pelo gás. 13)Enquanto se expande, um gás recebe 100J de calor e realiza 70J de trabalho. Ao final do processo, qual foi a variação da energia interna do gás? 14)Transfere-se calor a um sistema, num total de 200 calorias. Verifica-se que o sistema se expande, realizando um trabalho de 150 joules, e que sua energia interna aumenta. Calcule, em joules a variação da energia interna desse sistema. 15)Um sistema termodinâmico, ao passar do estado inicial para o estado final, tem 200J de trabalho realizado sobre ele, liberando 70cal. Considerando 1 cal igual a 4,18J indique os valores correspondentes com os respectivos sinais para: Trabalho realizado: Quantidade de calor: Variação da energia Interna:
16)Um gás ideal , sob pressão constante de 2.105 N/m2, tem seu volume reduzido de 12.10-3 m3 para 8.10-3 m3. Determine o trabalho realizado no processo. 17) Num dado processo termodinâmico, certa massa de um gás recebe 260 joules de calor de uma fonte térmica. Verifica-se que nesse processo o gás sofre uma expansão, tendo sido realizado um trabalho de 60 joules. Determine a variação da energia interna. 18) São fornecidos 14 J para aquecer certa massa de gás a volume constante. Qual a variação na energia interna do gás? 19)Um gás, encerrado num recipiente com êmbolo, perde 100cal para o meio externo. Sabendo-se que sua energia interna aumentou 20 cal, determine: a)o trabalho termodinâmico b)se houve expansão ou compressão: c)se o gás realiza ou recebe trabalho: 20)Transfere-se calor a um sistema, num total de 1254 joules. Verifica-se que o sistema se expande, realizando um trabalho de 50 calorias, e que sua energia interna aumenta. A variação da energia interna desse sistema, em calorias é: (1cal= 4,18J) a)1045 b)1304 c)1204 d)250 e)1242 21)Em uma transformação isotérmica, 5 mols de um gás recebem 1000J de calor. Baseando-se nessa informação, escreva nos parênteses V ou F, conforme as afirmações sejam verdadeiras ou falsas, indicando a alternativa correta., é necessário resolver ou explicar cada uma para ser validada a resposta. ( )o gás se contraiu ( )o volume final do gás é maior que o inicial. ( )a variação da energia interna do gás vale 1.103J ( )o trabalho realizado pelo gás vale 1.103J 22)Quando fornecemos 100J de calor a um gás ideal, esse realiza trabalho conforme mostra o gráfico. Indo do estado i ao estado f. Qual a variação da energia interna do gás para essa transformação? 2ª Lei da Termodinâmica
Com base em nossa experiências cotidianas, sabemos que, se um objeto de vidro cair no chão, seus pedaços jamais se reagruparão sozinhos de modo a reconstituir o objeto original. De maneira espontânea, ou seja, sem intervenção externa, pedaços quebrados de vidro não se reagrupam.
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Da mesma forma, se misturarmos de sucos diferentes na mesma jarra sabemos que será impossível eles retornarem à condição inicial sem a ação de algum agente externo que realize um procedimento para separá-los. A segunda lei da Termodinâmica descreve aquilo que não pode ocorrer de forma espontânea. Em outras palavras é uma lei limitante. Enquanto a primeira lei da termodinâmica é regida pelo princípio de conservação de energia e pode ser aplicada a processos reversíveis ou não, em qualquer um dos sentidos desses processos, a segunda lei restringe as ocorrências, apontando os limites da Natureza. Vejamos algumas maneiras de enunciar a2ª lei da Termodinâmica O fluxo de calor entre dois corpos não ocorre de forma espontânea daquele que está em temperatura menos para o que está em temperatura maior, da mesma maneira que os pedaços de um copo de vidro quebrado não se reúnem espontaneamente, ou os componentes misturados nos sucos não se separam sem a intervenção de um agente externo. Rudolf Clausius (1822– 1888), professor Universitário e físico alemão (nascido em uma cidade hoje pertencente à Polônia), enunciou a segunda Lei da Termodinâmica de outra maneira, mais voltada aos funcionamento das máquinas. William Thompson, mais conhecido como Lord Kelvin (1824-1907), e Max Planck (1848-1947) propuseram outro enunciado da 2ª Lei:
Esquema de uma máquina térmica: Qr é o calor recebido da fonte quente e Qc é o calor que a máquina cede para a fonte fria. Máquinas térmicas, como as locomotivas a carvão e os motores de automóveis, são dispositivos que transformam calor em trabalho mecânico por meio de ciclos. De acordo com a Segunda lei da Termodinâmica, não é possível construir máquinas térmicas cujo rendimento seja 100% Uma vez que é impossível construir uma máquina térmica que ao operar em ciclos transforme integralmente em trabalho todo o calor que fornece, podemos associar a cada máquina térmica uma grandeza para medir seu grau de eficiência. Essa grandeza, denominada rendimento (η), consiste na razão entre o trabalho mecânico realizado pela máquina e a quantidade de calor fornecida pela fonte: Quanto maior o valor de η mais eficiente é a máquina térmica, e portanto, menor é a quantidade de calor dissipado para o ambiente. A máquina térmica realiza trabalho mecânico a partir da diferença das quantidades de calor entre a fonte quente e fria: τ = QR – QC Comparando as expressões com aquela que descreve o rendimento de uma máquina térmica (em concordância com a segunda Lei da Termodinâmica), teremos:
RQ
τη =
R
CR
Q
QQ −=η
R
C
R
R
Q
Q
Q
Q−=η
R
C
Q
Q−= 1η
Essa última expressão indica que o rendimento de uma máquina é sempre menor que 1, ou seja, sempre menor que 100%. Mas qual seria o rendimento máximo de uma máquina térmica? Como seria a sequência de transformações para que esse rendimento pudesse ser atingido? Essas questões nos levam ao estudo do Ciclo de Carnot.
1)Uma máquina térmica retira 200J de uma fonte quente e transforma 40J em trabalho mecânico. Calcule o rendimento da máquina. 2)Enuncie o 2º Princípio da Termodinâmica, de acordo com:
O calor não passa de forma espontânea de um corpo de menor temperatura, para outro que esteja em temperatura mais alta.
É impossível construir um dispositivo que, operando em ciclos, produza como único efeito a transferência de calor de um corpo frio para um quente.
É impossível construir uma máquina térmica que, ao operar em ciclos, transforme integralmente em trabalho todo o calor que fornece.
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a) Clausius; b) Kelvin e Planck
3)Um motor térmico, em cada ciclo, 500J de uma fonte quente e converte 100J em trabalho útil. Determine o calor cedido à fonte fria em cada ciclo e o rendimento do motor. 4)Um motor térmico, em cada ciclo, 500J de uma fonte quente e converte 100J em trabalho útil. Determine o calor cedido à fonte fria em cada ciclo e o rendimento do motor. 5)Qual o trabalho em joule realizado por uma máquina térmica que recebe 10000cal de uma fonte quente e rejeita 6000 cal para o ambiente? a) 1,6.104 b)1,6.105 c)1,4.103 d) 1,4.104 e) 105
6)Uma máquina térmica recebe da fonte quente 150 cal e transfere para a fonte fria 90 cal. Qual será o rendimento dessa máquina? 7)uma máquina térmica recebe 5000J de calor a fonte quente e cede 4000J para a fonte fria a cada ciclo. Determine o seu rendimento 8)Uma máquina térmica absorve 6000J de calor de uma fonte quente. a)Qual seu rendimento se ela cede 4000J à fonte fria a cada ciclo? b)Qual a quantidade de calor que ela cede à fonte fria se seu rendimento è de 10%? 9) Um motor de combustão interna, em cada ciclo de operação, absorve 80 kcal de calor da fonte quente e rejeita 60 kcal de calor apara a fonte fria. O rendimento dessa maquina è: 10) Uma máquina retira de uma fonte quente 450J de calor e libera para uma fonte fria 130J de calor, qual é o valor do trabalho mecânico realizado pela máquina. 11)Com relação à 2ª Lei da Termodinâmica, pode-se afirmar que: I – O calor de um corpo com temperatura T1 passa para outro corpo com temperatura T2 se T2 > T1. II – Uma máquina térmica operando em ciclos pode retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho. III – Uma máquina térmica operando em ciclos entre duas fontes térmicas, uma quente e outra fria, converte parte do calor retirado da fonte quente em trabalho e o restante envia para a fonte fria. Assinale a alternativa que apresenta a(s) afirmativa(s) correta(s). a)I b)II c)III d)I e II e)I e III 12)
13)
Ciclo de Carnot
A máquina térmica ideal, com rendimento 100%, era um objetivo perseguido pelos cientistas até o início do século XIX. O engenheiro francês Nicolas Sadi Carnot estudou minuciosamente o processo de transformação de calor em trabalho, procurando maior eficiência nas máquinas térmicas. Ele então propôs uma máquina teórica que, trabalhando entre duas temperaturas fixas, uma quente e outra fria, executava uma transformação cíclica composta de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, intercaladas e reversíveis. Quando um dispositivo opera segundo este ciclo, dizemos que ele é uma máquina de Carnot. Então o ciclo de Carnot corresponde ao rendimento máximo que podemos obter com duas fontes térmicas. Este teorema é demonstrado a partir da 2ª Lei da Termodinâmica. O rendimento de uma máquina de Carnot pode ser calculado, teoricamente, tendo sido encontrado pelo seguinte resultado: Onde T1 e T2 são temperaturas expressas em kelvin. Se uma máquina térmica de Carnot operasse entre duas fontes quentes tais que T1=800K e T2=200K, seu rendimento seria:
800
2001−=η
= 1-0,25 = 0,75 ou 75% Qualquer máquina térmica operando entre 800K e 200K e funcionando com um ciclo diferente deste, teria rendimento inferior a 75%. Com este conhecimento você pode entender por que o zero absoluto representa um limite inferior ara a temperatura de um corpo. De fato, se um sistema pudesse atingir esta temperatura, ele poderia ser usado como fonte fria de uma máquina de Carnot. Como T2= 0, o rendimento da maquina seria 1 = 100% o que contraria a 2ª Lei da Termodinâmica. Logo o zero absoluto pode ser aproximado indefinidamente, mas não pode ser atingido. Exemplo Um inventor afirma que inventou uma máquina que extrai 25x106 cal de uma fonte à temperatura de 400K e rejeita 10x106 cal para uma fonte a 200K, entregando-nos um trabalho de 13x106 cal.
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Você investiria dinheiro na fabricação dessa máquina? Vamos analisar τ = Qr – Qc τ = 25x106 – 10x106 = 15x106 cal A máquina não está contrariando a 1ª Lei da Termodinâmica, pois não realiza mais trabalho que o calor que absorve. O fato dela nos entregar apenas 13x106 cal, em vez de 15x106 cal, é perfeitamente razoável, pois 2x106 cal podem representar o trabalho que a máquina deve realizar contra o atrito. Logo a máquina é perfeitamente possível, sob o ponto de vista da 1ª Lei. Vejamos agora se é compatível com a 2ª Lei da Termodinâmica. O rendimento da máquina é:
6,01025
101011
6
6
=−=−=x
x
Q
Q
r
cη ou 60%
Entretanto, agora, se ela é compatível com a máquina de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas, teria um rendimento: Ou 50% Ora, a suposta máquina tem um rendimento maior que a máquina de Carnot. Se você acredita nos princípios básicos da Termodinâmica, não seria capaz de acreditar no inventor.
1)”Uma máquina térmica opera de acordo com o Ciclo de Carnot entre as temperaturas de 27ºC e 527ºC retirando 2x107J de uma fonte quente padrão”. a)Qual seu rendimento? 2) Uma máquina à vapor recebe vapor saturado de uma caldeira à temperatura de 200ºC e descarrega Vapor expandido à temperatura de 100ºC. Se a máquina operasse segundo o ciclo de Carnot, qual seria o rendimento máximo em porcentagem dessa máquina? 3)Sob que condições uma máquina térmica ideal teria 100% de eficiência? 4)Uma máquina que opera em ciclo de Carnot tem a temperatura de sua fonte quente igual a 330°C e fonte fria à 10°C. Qual é o rendimento dessa máquina? 5) O esquema a seguir representa trocas de calor e realização de trabalho em uma máquina térmica. Os valores de T1 e Q2‚ não foram indicados, mas deverão ser calculados durante a solução desta questão.
Considerando os dados indicados no esquema, se essa máquina operasse segundo um ciclo de Carnot, determine a temperatura T1 da fonte quente, em Kelvins. 6) Um ciclo de Carnot trabalha entre duas fontes térmicas: uma quente em temperatura de 227°C e uma fria em temperatura -73°C. O rendimento desta máquina, em percentual, é de: a) 10 b) 25 c) 35 d) 50 e) 60 7)Um motor de Carnot cujo reservatório à baixa temperatura está a 7,0°C apresenta um rendimento de 30%. A variação de temperatura, em Kelvin, da fonte quente a fim de aumentarmos seu rendimento para 50%, será de: a) 400 b) 280 c) 160 d) 560
5,0400
20011
1
2 =−=−=T
Tη
