Temperatura e Calor: Fundamentos da Termodinâmica

OSCILAÇÕES FLUIDOS E TERMODINÂMICA Professoras Andréia Simões Conteúdo da Unidade TEMPERATURA E CALOR EQUILÍBRIO TÉRMICO TERMÔMETROS E ESCALA DE TEMPERATURA DILATAÇÃO TÉRMICA PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MATÉRIA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA O que veremos Calorimetria O que é calor Como discutido na aula anterior denominamos calor a energia que transita entre corpos devido exclusivamente a diferença de temperatura Imagem Gref Física Térmica 1 Visão histórica Lavoisier Francis Bacon Robert Hooke e Benjamin Thomson James Watt James Prescott Joule Substância fluida indestrutível que preencheria os poros dos corpos e se escoaria de um corpo mais quente a um mais frio calórico Movimento de vibração das partículas dos corpos Máquina a vapor térmica Calor produz energia mecânica Experimento em fluidos viscosos Energia mecânica produz calor Qual a unidade do calor Historicamente foi adota a unidade denominada caloria para se medir calor Atualmente a caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar de 145C a 155C a temperatura de 1g de água Verdade e qual será a taxa de câmbio entre a caloria e a unidade mecâni ca de energia o joule Se calor é uma forma de energia ele deveria ser medido em unidades de energia não Equivalente Mecânico da caloria A experiência de Joule Quantidade de Calor Se tivermos m gramas de uma substância pura a quantidade de calor calor sensível necessária para elevar a sua temperatura de ΔT é Em alguns livros Q é escrito como ΔQ mas isto não representa nenhuma variação ou quantidade de calor contida no corpo esse conceito não faz sentido O calor é sempre uma energia em trânsito em virtude de uma diferença de temperatura Não existe nenhuma quantidade de calor em um corpo Quando a quantidade de calor estiver associada a uma variação infinitesimal de temperatura dT chamamos essa quantidade de dQ Calor Específico Calor específico é a quantidade de calor necessária para elevar de 1 Celsius a temperatura de 1g de substância c é medido em calgC e possui valores diferentes para cada tipo de material Varia geralmente com a temperatura Para que o calor específico esteja bem definido é preciso especificar ainda em que condições ocorre a variação de temperatura Calor específico a pressão constante cp Calor específico a volume constante cv Para líquidos e sólidos a diferença entre cp e cv é pequena para gases cp e cv são bastantes diferentes Capacidade Térmica Temos que a massa m de um material pode ser escrita em termos do números de moles n e da massa molar M Lembrando dos estudos de química Mol é o nome da unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades SI para a grandeza de quantidade de matéria ou seja quantidade de entidades elementares átomos moléculas íons elétrons ou partículas presentes em uma amostra ou sistema Um mol de qualquer substância pura sempre contém o mesmo número de moléculas NA 60221023 de moléculas número de Avogrado Sendo mmol a massa de uma molécula a massa de um mol de substância que é chamada de massa molar é expressa como MNAmmol Calor Específico Molar m nM Parêntese Químico Relembrando Ache a massa de um átomo de hidrogênio e a massa de uma molécula de oxigênio Sendo a massa por mol do hidrogênio ou seja sua massa atômica igual a 1008 gmol e a massa do átomo de oxigênio igual a 160 gmol Substituindo m nM na expressão para a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de ΔT de uma substância temos O produto Mc é denominado capacidade térmica molar ou para alguns autores calor específico molar Na equação anterior Q e ΔT podem ter valores positivos ou negativos Quando esses valores são positivos o calor é transferido para o corpo e sua temperatura aumenta quando são negativos o calor é liberado pelo corpo e sua temperatura diminui calor necessário para a variação de temperatura de n moles Calor específico e calor específico molar pressão constante Calorímetro Um calorímetro é definido como um equipamento isolado termicamente do meio ambiente ele é basicamente constituído por uma câmara de paredes adiabáticas Grosso modo um calorímetro é um equipamento que facilita o contato térmico entre os corpos no seu interior mas dificulta as trocas de energia térmica com o seu exterior Sendo assim uma vez conhecidas a massa e a temperatura inicial dos corpos colocados num calorímetro podemos determinar a quantidade de calor liberada ou absorvida por eles num processo físico ou químico As propriedades deste equipamento permitem determinar dentre outros o calor específico de uma substância O princípio básico da calorimetria medida de calor decorre da lei da conservação da energia Em um sistema isolado cujas partes interagem mediante troca de calor a soma algébrica de todos os valores de Q entre todas as partes do sistema deve ser igual a zero Questão 1 18 Calcule o calor específico de um metal a partir dos seguintes dados Um recipiente feito do metal tem massa 36 kg e contém 14 kg de água Uma peça de 18 kg deste metal inicialmente a 180C é colocada dentro da água O recipiente e a água tinham inicialmente a temperatura de 16C e a final do sistema foi de 18C Pág 198 Hallidav Resnick Walker Física 2 4ª Ed LTC 1996 Cap 20 Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica Solução Considerandose o recipiente a água e o bloco como um sistema isolado não há perdas de energia para os arredores Logo o calor cedido pelo bloco Qb somado ao calor recebido pela água Qa e ao recebido pelo recipiente Qr deve ser nulo Qb Qa Qr 0 mbcΔTb macΔTa mcΔTr 0 Na expressão acima c é o calor específico do metal c macΔTa mbΔTb mΔTr c 14000 g100 calgC18C 16C 1800 g18C 180C 3600 g18C 16C 009845 calgC c 0098 calgC Transição de Fase Existem situações em determinadas condições de temperatura e pressão em que um determinado sistema ganha ou perde calor mas não há mudança de temperatura ou seja T fica constante Nestas situações observamos uma transição de fase Neste contexto o termo fase se refere aos estados da matéria sólido líquido ou gasoso Em uma dada pressão a transição de fase ocorre em uma temperatura definida sendo geralmente acompanhada por uma emissão ou absorção de calor e por uma variação de volume e de densidade A temperatura única em que duas fases coexistem por exemplo fase líquida coincide com a fase sólida água e gelo caracteriza uma condição chamada de equilíbrio de fase Em T e P valores acima do ponto crítico as propriedades do material mudam lentamente com a variação de P ou T em vez de passarem por uma transição de fase No ponto triplo sólido líquido e vapor coexistem Substância Temperatura K Pressão Pa Hidrogênio 1380 00704 105 Deutério 1863 0171 105 Neônio 2456 0432 105 Nitrogênio 6318 0125 105 Oxigênio 5436 000152 105 Amônia 19540 00607 105 Dióxido de carbono 21655 517 105 Dióxido de enxofre 19768 000167 105 Água 27316 000610 105 Calor latente L é o calor latente do material que pode ser tanto de fusão quanto de vaporização Na equação anterior o sinal é usado para representar se o calor foi absorvido pelo sistema Q positivo ou se o calor foi liberado pelo sistema Q negativo Na situação de sistema próximo ao equilíbrio térmico as mudanças de fase são reversíveis de forma que a mesma energia é necessária para fundirsolidificar ou evaporar condensar Questão 2 Calor é transferido a uma pedra de gelo com 20kg taxa de 793 kW Quanto tempo será necessário para derreter todo o gelo inicialmente a 000C O calor latente de fusão da água é 334 kJ kg e o de vaporização é 2260 kJkg Solução Questão 3 Considere o calor latente de vaporização da água igual a 5389 calg e ccobre 00923 calgC O calor total recebido pela água Qa é dividido em calor gasto para aquecimento de T0 200ºC para T 100ºC sensível Qas e calor gasto para promover a mudança de fase para vapor latente Qal Qa Qas Qal mac ΔTa Lm 220 g100 calgºC80ºC 5389 calg500 g 202945 cal Qa 203 kcal b A panela recebeu apenas calor de aquecimento de T0 200ºC para T 100ºC Qp mp cp ΔTp 150 g00923 calgºC80ºC 11076 cal Qp 111 kcal c A temperatura inicial do cilindro de cobre pode ser obtida por meio do balanço da energia trocada no âmbito do sistema Na expressão abaixo Qc é o calor cedido pelo cilindro Qc Qp Qa 0 mcc ΔTc Qp Qa 0 300 g00923 calgºC100ºC Tc 11076 cal 202945 cal 0 2769 cal 2769 calºCTc 11076 cal 202945 cal 0 2769 calºCTc 241711 cal Tc 8729180ºC Tc 873ºC Questão 4 Tente em casa Se uma massa de 1 kg de água a 30ºC absorve uma quantidade de calor Q qual é a fase do sistema final e sua temperatura a se Q 10 kcal b se Q 500 kcal e c se Q 1000 kcal Dados do enunciado m 103 g Ti 30C 303 K Dados conhecidos nas tabelas do livro cágua 1 calgK e cvapor 048 cal gK 1 cal 418 J Fusão Lf 3335 Jg e Tf 0C Vaporização Lv 2257 Jg e Tv 100C A transferência de calor entre dois corpos pode acontecer de três formas diferentes Mecanismos de transferência de calor Convecção A transferência de calor ocorre pelo movimento de massa de uma região do fluido para outra do fluido Radiação Transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas Condução ocorre no interior de um corpo ou entre dois corpos em contato Condução Transferência de calor constante produzida pela condução do calor em uma barra uniforme Condução No regime estacionário a taxa de transferência de calor H é dada por em que k condutividade térmica do material TH TCL diferença de temperatura por unidade de comprimento A Área da seção reta do condutor Sensível Variação de temperatura QmcΔT Q calor m massa c calor específico ΔT mudança na temperatura Latente Mudança de estado físico QmL Transmissão Condução Convecção Radiação Calor é energia térmica em trânsito Referências NUSSENZVEIG H M Curso de física básica Termodinâmica e ondas 4 ed São Paulo Edgard Blucher 2002 FREEDMAN R YOUNG H D Física II Termodinâmica e Ondas 14 Ed Pearson Education do Brasil 2016 VARELLA M Física do calor 15 slides Disponível em httpsedisciplinasuspbrpluginfilephp1634263modfoldercontent0Aula01pdf forcedownload1 Acesso em outubro de 2020