Expansão Térmica, Calor Específico e Calor Latente

Expansão Térmica,
Calor Específico e Calor
Latente
BC0205
Gustavo M. Dalpian
Expansão Térmica
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Fenômeno físico: o volume de uma substância aumenta com o
aumento da temperatura
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Muito importante para aplicações em engenharia
•
Deve ser levada em consideração na construção de
edifícios, estradas, viadutos, na confecção de resinas
para restauração dentária, funcionamento de motores a
explosão, etc. ...
Lâmina bimetálica
Expansão Térmica: Origem Microscópica
Vibrações !!
A distância média entre os átomos aumenta com a temperatura
Definições
Expansão Linear: ΔL = Lf – Li = αLi ΔT
Expansão Superficial ΔA= Af – Ai = γΑi ΔT
Expansão Volumétrica ΔV = Vf – Vi = βVi ΔT
Para deduzir as relações abaixo use, e.g. o caso superficial, ΔA = (x + i δx) (y + j δy) com δx=αxΔT e análogo para y. i e j
sao vetores unitários, considere que i⋅j=0
β = 3α
γ = 2α
Comportamento anômalo da água
Calor: Definição
Calor é a quantidade de energia transferida entre o
sistema e o seu ambiente quando existe um ΔT entre
eles.
Ate o século XIX acreditava-se na existência do
calórico, uma entidade elementar.
Podemos transferir calor para um sistema somente em
duas situações bem definidas:
Quando existe uma diferença de temperatura e/ou;
Quando realizamos trabalho sobre ele.
Calor: Definição
Sistema perde calor/energia
Não ha troca de calor
Sistema ganha calor/energia
Transferência de Calor
Capacidade Calorífica: Quantifica a quantidade de
calor transferida (de ou para) para o sistema.
Q = C ΔT
ΔT= Tfinal - Tinicial
C define a proporcionalidade entre a quantidade de
calor transferida e a variação de temperatura do corpo
Quais materiais possuem um C grande ?
Quais possuem um C pequeno?
Capacidade Calorífica
Calor Específico
Q=CM ΔT
Unidades ? cal/g K ≡ cal/g⋅C° ≡ J/kg⋅C°
Calor Específico Molar
Q=CM ΔT
Unidades ? cal/mol K
1 mol = 6,02 X 1023 unidade elementares de qualquer
substância
1 Cal aumenta a temperatura de 1g de água em 1°C de 14,5°C a 15,5 °C
1 BTU aumenta a temperatura de 1lb de água em 1°F de 63°F a 64°F
Calor Específico
Condições pre Definidas: V constante ou P
constante
• SOLIDOS E LÍQUIDOS = Supomos que a amostra está sob
pressão constante (geralmente atmosférica) durante a transferência.
O calor específico definido a volume constante definido e a pressão
constante varia muito pouco para sólido e líquidos.
• GASES = Têm valores bem distintos para seus calores específicos
(CV e CP).
Calor de Transformação
Calor de Transformação: É a quantidade de energia
por unidade de massa transferida sob a forma de
calor que resulta somente na mudança de fase de
uma amostra.
Q = Lm
Unidades ? cal/g ≡ cal/g ≡ J/kg
Calor de fusão da água LF = 79,5 cal/g
Não há variação de temperatura durante a mudança de estado
De acordo com nossa convenção
Fusão Q >0
Solidificação Q < 0
Vaporização Q > 0
Exercício
Exercício 4: Que quantidade de calor deve ser absorvida por uma
massa de gelo de 720g a –10oC para transformá-la em água líquida a
15oC? Esboce um gráfico da temperatura em função da quantidade de
calor Q para essa transformação. Se fornecermos ao gelo uma energia
total de apenas 210kJ sob a forma de calor, quais são o estado e a
temperatura final? Dados: calor de fusão do gelo 80cal/g, calor
específico do gelo 0,5cal/g oC e calor específico da água 1cal/g oC.
Dependência com T
Em geral, o calor específico pode variar conforme o intervalo de
temperaturas em que se aquece ou resfria a substância, sendo
portanto uma função da temperatura “c(T)”.
Considerando que a substância recebe uma quantidade infinitesimal
dQ de energia, sua temperatura sofrerá uma variação infinitesimal dT e
a capacidade térmica e o calor específico e se escrevem como:
A quantidade de energia transferida sob a forma de calor é: