Física - Tio João

Física
Termometria
Termodinâmica
João Carlos Pozzobon
Termologia
Chamamos de Termologia a parte da física que estuda os fenômenos
relativos ao calor, aquecimento, resfriamento, mudanças de estado físico,
mudanças de temperatura, etc.
Calor
O calor é a nomenclatura atribuída à energia térmica sendo transferida de
um sistema a outro exclusivamente em virtude da diferença de
temperaturas entre eles. Não é correto se afirmar que um corpo possui
mais calor que outro, e tão pouco é correto afirmar que um corpo possui
calor; os corpos (ou sistemas) possuem energia interna e o conceito de
energia interna não deve jamais ser confundido com o conceito de calor .
Temperatura
Temperatura é uma grandeza física que mensura a energia cinética média de cada
grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico.
Temperatura
Três escalas de temperatura, sendo que as escalas Kelvin e Celsius são as mais
usadas pelos cientistas.
Fahrenheit: escala termométrica de símbolo F, no qual 32°
F é o ponto de congelamento da água e 212° F é o ponto de
ebulição da água.
Celsius: escala de temperatura, símbolo C, no qual 0° C é o
ponto de congelamento da água e 100° C é o ponto de
ebulição da água.
Na escala termométrica, o intervalo entre o ponto de
ebulição e o ponto de congelamento da água é dividido em
100 intervalos, denominados graus.
Kelvin: escala de temperatura absoluta ou escala
termodinâmica, cujo símbolo é K, no qual o ponto triplo da
água tem o valor de 273,16 K.
Temperatura
Calorimetria
Calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre
corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor.
Calorimetria
Transferência de calor
A transferência de calor ocorre quando dois ou mais corpos que estão em
temperaturas diferentes são colocados em contato, ou em um mesmo local, fazendo
com que a energia térmica de um corpo seja transferida para outro.
Esta transferência de calor pode acontecer de três maneiras diferentes, por
condução, convecção ou irradiação.
Transferência de calor
Condução térmica é a transferência de energia térmica entre átomos e/ou moléculas
vizinhas em uma substância devido a um gradiente de temperatura.
Transferência de calor
Convecção térmica - é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica
se propaga através do transporte de matéria, devido a uma diferença de densidade e a
ação da gravidade. Este processo ocorre somente com os fluidos, isto é, com os
líquidos e com os gases, pois na convecção térmica há transporte de matéria.
Transferência de calor
Irradiação térmica - É o processo de transmissão pelo qual a energia não precisa de
um meio material para se propagar.
Essa energia, que não necessita de um meio material para se propagar,
denomina-se energia radiante, e é transmitida através de ondas eletromagnéticas. O
corpo que emite a energia radiante é chamado emissor; o que recebe, receptor.
Capacidade Térmica
Calor específico
O calor específico consiste na quantidade de calor que é necessário
fornecer à unidade de massa de uma substância para elevar a sua temperatura de
um grau e expressa-se em calorias por grama e por grau. Para o caso da água, o
calor específico foi convencionado ser de 1 cal/gºC.
O calor específico pode ser medido usando um calorímetro.
Subtância
calor específico (cal/goC)
água - líquida
1
álcool
0,6
gelo
0,5
ferro
0,11
hidrogênio
3,4
1 cal = 4,18 J
Princípio da igualdade nas
trocas de calor
Calorímetro é um instrumento utilizado na
medição de calor envolvido numa mudança
de estado de um sistema, que pode envolver
uma mudança de fase, de temperatura, de
pressão, de volume, de composição química
ou qualquer outra propriedade associada com
trocas de calor.
Estádos físicos da matéria
Equações da calorimetria
Equações da calorimetria
Equações da calorimetria
Dilatação –
tudo que esquenta dilata
Dilatação Térmica dos Sólidos
Para um estudo mais detalhado podemos separar essa dilatação em três
tipos: dilatação linear (aquela que ocorre em apenas uma dimensão), dilatação
superficial (ocorre em duas dimensões) e dilatação volumétrica (ocorre em três
dimensões).
Dilatação Linear
Quando estamos estudando a dilatação de um fio, teremos a ocorrência
predominante de um aumento no comprimento desse fio. Essa é a característica da
dilatação linear. Imaginemos uma barra de comprimento inicial Lo e temperatura
inicial to. Ao aquecermos esta barra para uma temperatura t ela passará a ter um
novo comprimento L.
Dilatação superficial
A dilatação superficial é aquela na qual ocorre variação na área do corpo.
Considere a placa metálica descrita na gravura abaixo:
Dilatação volumétrica
Considera-se a variação de volume, isto é, a dilatação nas três dimensões do sólido
(comprimento, largura e altura).
Dilatação dos líquidos
Os líquidos não apresentam forma própria, no entanto, eles se comportam
termicamente como os sólidos, assim sendo, eles obedecem a uma lei idêntica à lei da
dilatação linear. Contudo, para a dilatação dos líquidos considera-se apenas a dilatação
térmica volumétrica.
O sólido descrito abaixo está completamente cheio de água a uma
temperatura inicial (ti) e possui volume inicial Vi igual à capacidade volumétrica do
recipiente (C).
Dilatação irregular da água
É o ramo da Física que estuda as causas e os efeitos de
mudanças na temperatura, pressão e volume.
Conceitos fundamentais:
• Sistema: É um conjunto de elementos interconectados, de
modo a formar um todo organizado.
•Vizinhança: É todo o restante do Universo
Energia térmica  Energia mecânica
A maneira mais fácil de se calcular o trabalho
termodinâmico é conhecer a área de um gráfico Pressão x
Variação de Volume (dedução).
τ > 0 expansão, aumento do
volume
τ < 0 compressão, diminuição
do volume
Grandeza termodinâmica que mensura o conteúdo total de energia
encerrado pelas fronteiras que definem um sistema
termodinâmico. Refere-se pois à energia total associada apenas aos
constituintes do sistema em si. A energia interna não leva em
consideração a energia eventualmente armazenada em interações
do sistema com sua vizinhança.
ou Princípio da Conservação da Energia
A variação da energia interna entre dois sistemas pode ser
determinada pela diferença entre a quantidade de calor e o
trabalho trocado com o meio ambiente. Matematicamente essa lei
pode ser escrita da seguinte forma:
ΔU = Q – τ
Onde:
Q é a quantidade de calor recebida ou cedida;
τ é o trabalho realizado pelo sistema ou que é realizado sobre o mesmo;
ΔU é a variação da energia interna do sistema.
Transformação Isotérmica
Essa transformação ocorre, como o próprio nome indica, à
temperatura constante, de modo que a variação da energia interna do
gás é igual a zero, pois a energia interna inicial é igual à energia
interna final, ΔU = 0. Dessa forma, fica que a quantidade de calor do
sistema é igual ao trabalho realizado pelo mesmo, ou seja, Q = τ.
Transformação Isovolumétrica ou Isocórica
Essa é um tipo de transformação de um gás perfeito que ocorre a
um volume constante, ou seja, o volume do gás permanece o
mesmo durante todo processo termodinâmico. Sendo o volume
constante podemos concluir que o trabalho é igual a zero, dessa
forma temos que a equação que descreve a primeira lei da
termodinâmica fica do seguinte modo:
ΔU = Q
Transformação isobárica: ocorre à pressão constante,
podendo variar somente o volume e a temperatura;
Transformação adiabática: é a transformação gasosa na
qual o gás não troca calor com o meio externo, seja
porque ele está termicamente isolado ou porque o
processo ocorre de forma tão rápida que o calor trocado é
desprezível.
Convenção de Sinais:
Q +  recebe calor da vizinhança
Q -  cede calor para a vizinhança
Q = 0  Transformação adiabática
τ +  realiza trabalho
τ -  recebe trabalho
τ = 0  Transformação isovolumétrica
ΔU +  aumenta a temperatura do sistema
ΔU -  diminui a temperatura do sistema
ΔU =0  Transformação isotérmica
Essa lei foi enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, e estabelece
restrições para a conversão de calor em trabalho, realizadas pelas
máquinas térmicas. Segundo Carnot, para que ocorra conversão
contínua de calor em trabalho, uma máquina térmica deve realizar
ciclos contínuos entre a fonte quente e a fonte fria, as quais
permanecem em temperaturas constantes. A cada ciclo realizado é
retirada uma quantidade de calor da fonte quente, parte desse calor
é convertida em trabalho e a outra parte é rejeitada para a fonte
fria.
Máquinas térmicas
Uma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em trabalho. Esses
aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo de calor da fonte
quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como esquematizado na figura
abaixo.
É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina térmica, o
rendimento é determinado pela seguinte relação:
Uma imposição da segunda lei da termodinâmica é que nenhuma máquina térmica tem
rendimento de 100%, por isso vale a seguinte condição:
0≤η<1
Ciclo de Carnot
Entropia
Para medir o grau de desordem de um sistema, foi definida a
grandeza termodinâmica entropia, representada pela letra S.
Quanto maior a desordem de um sistema, maior a sua entropia.
(Unioeste – 2011) Uma maquina térmica e caracterizada pelo diagrama
pressão-volume abaixo. O ciclo começa e termina no ponto A e o processo
CA e adiabático.
Para este ciclo considere as afirmações abaixo e assinale a alternativa
correta.
I. O processo AB e isobárico e o processo BC e isotérmico.
II. No processo BC a variação da energia interna é igual ao calor retirado
do sistema.
III. No processo CA o trabalho realizado pelo sistema e nulo.
IV. O processo AB e isobárico e o processo BC e isocórico.
V. A variação da energia interna no ciclo ABCA e negativa.
•
•
•
•
•
A. As afirmações I e V estão corretas.
B. As afirmações II e IV estão corretas.
C. Nenhuma afirmação esta correta.
D. As afirmações II, III e IV são falsas.
E. A afirmação V esta correta.
(Unioeste – 2011) Considere as afirmações abaixo em relação a física térmica e
assinale a alternativa correta.
I. Calor é uma substancia invisível que flui do objeto de maior temperatura para
aquele de menor
temperatura.
II. Calor é a quantidade de energia térmica do objeto.
III. Calor é a quantidade de energia que e transferida de um objeto de maior
temperatura para outro cuja temperatura e menor.
IV. Calor é maior no objeto que esteja na temperatura mais elevada.
V. A temperatura de um sistema somente pode aumentar se for transferido calor
ao mesmo.
A. As afirmações I e II estão corretas.
B. Apenas a afirmação V esta correta.
C. A afirmação III e a única falsa.
D. As afirmações II e IV estão corretas.
E. Apenas a afirmação III esta correta.
(Unioeste – 2009) Um máquina térmica opera segundo o ciclo ABCA
representado na figura.
Analisando as afirmações seguintes e considerando que a energia interna é função
exclusiva da temperatura, assinale a alternativa correta.
I – A transformação bc é, com certeza, isotérmica.
II – O trabalho realizado na transformação ab é 24 J.
III – Na transformação ca a energia interna diminui.
IV – Em um ciclo a máquina retira 24 J de calor da fonte fria.
V – Na transformação bc a máquina rejeita 48 J de calor na fonte quente.
A. As afirmativas I, II, III e IV são verdadeiras.
B. A afirmativa III é falsa.
C. A afirmativa IV é falsa.
D. A afirmativa V é falsa.
E. Apenas a afirmativa I é falsa.
(Unioeste-2009) Num dia de inverno a temperatura no interior
de uma casa é 25ºC e no exterior é 5ºC. A perda de calor, através
de uma janela (kvidro=0,2 cal/s.m.ºC) de espessura 2 mm e área
0,5 m2, em uma hora é
A. 3.600 cal.
B. 3.600 kcal.
C. 36 kcal.
D. 360 J.
E. 3600 J.