14/06/2012 23:06 TERMODINÂMICA Prof. Marcelo Beling 14/06/2012 23:06 Definições – Energia Interna Em escala microscópica, qualquer material é composto por átomos Esses átomos não são fixos: Em um sólido ou em um líquido, eles vibram. Em um gás, eles estão sempre com um movimento de translação. A energia interna de um corpo é a soma da energia de cada um dos átomos desse corpo. 14/06/2012 23:06 Definições – Temperatura • Temperatura é uma medida da energia interna de um líquido, gás ou sólido. • Quanto maior a velocidade dos átomos, maior a temperatura do corpo formado por eles. T = 60º T = 20º T2 T1 T1 = T2 FLUXO DE ENERGIA 14/06/2012 23:06 Definições - Calor • “Calor é a energia em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura” Os corpos possuem calor? Não! Calor não é uma propriedade que um corpo pode ter ou não. Calor é uma forma na qual dois corpos trocam energia! 14/06/2012 23:06 Transferência de calor - Condução É a forma na qual dois corpos diferentes que estão em contato trocam calor. Ocorre principalmente entre sólidos. T1 FLUXO DE ENERGIA T2 14/06/2012 23:06 Sensação térmica • A sensação térmica depende da temperatura, mas não depende só dela. • A sensação térmica depende principalmente da RAPIDEZ na qual você troca calor com o meio. • Essa rapidez depende da diferença de temperatura e da CONDUTIVIDADE TÉRMICA do material 14/06/2012 23:06 Transferência de calor - Convecção • Necessita de um meio material • Não ocorre no vácuo • Só ocorre em gases e líquidos • A chaleira não está em equilíbrio térmico • A temperatura é maior mais próximo à chama • Essa diferença de temperatura gera uma “CORRENTE DE CONVECÇÃO” 14/06/2012 23:06 Convecção – Brisa durante o dia • Durante o dia, a areia absorve mais calor que o mar, aumentando mais sua temperatura • Então, o ar que está sobre a praia está com maior temperatura. Logo, ele se expande. • O ar que estava sobre o mar se desloca para a praia. 14/06/2012 23:06 Convecção – Brisa durante a noite • Durante a noite, a praia esfria mais rapidamente que a areia • O ar sobre o mar está mais quente que o mar sobre a areia. • O ar que está sobre a praia se desloca para o mar. 14/06/2012 23:06 Convecção - Geladeira • O congelador fica posicionado na parte de cima. • Por condução, ele absorve calor do ar que está em contato com ele. • Por estar cedendo calor, essa massa de ar diminui sua temperatura • Dessa forma, o ar mais frio desce, e o ar menos frio sobe para preencher o espaço que ele deixou. 14/06/2012 23:06 Transferência de calor - Radiação • Não necessita de um meio material • É o único mecanismo de troca de calor que ocorre no vácuo • A troca de calor se dá por radiação infravermelha 14/06/2012 23:06 Formas de Transferência de Calor • Condução: • Ocorre principalmente entre sólidos • Não ocorre no vácuo • Convecção: • Ocorre principalmente entre líquidos e gases • Não ocorre no vácuo • Radiação: • Ocorre no vácuo T2 T1 T1 > T2 FLUXO DE ENERGIA 14/06/2012 23:06 A Garrafa Térmica A tampa impede a troca de calor do meio por condução, pois o conteúdo da garrafa não entra em contato com o meio externo As paredes espelhadas fazem com que a radiação infravermelha emitida pelo líquido quente reflita e volte para o interior da garrafa. Como a radiação não sai da garrafa, não ocorre transferência de calor por radiação O ar rarefeito entre a parede interna e a parede externa da garrafa térmica faz com que não haja troca de calor por convecção, pois a troca de calor por convecção necessita de um gás ou líquido, 14/06/2012 23:06 1) Ainda nos dias atuais, povos que vivem no deserto usam roupas de lã branca como parte de seu vestuário para se protegerem do intenso calor, já que a temperatura ambiente pode chegar a 50ºC durante o dia. Para nós, brasileiros, que utilizamos a lã principalmente no inverno, a atitude dos povos do deserto pode parecer estranha ou equivocada, contudo ela pode ser explicada pelo fato de que: a) a lã é um excelente isolante térmico, impedindo que o calor externo chegue aos corpos das pessoas e a cor branca absorve toda a luz evitando que ela aqueça ainda mais as pessoas. b) a lã é naturalmente quente e, num ambiente a 50ºC, ela contribui para resfriar um pouco os corpos das pessoas. c) a lã é um excelente isolante térmico, impedindo que o calor externo chegue aos corpos das pessoas e a cor branca reflete toda a luz diminuindo assim o aquecimento da própria lã. d) a lã é naturalmente quente, e o branco é uma “cor fria.” Esses fatos combinados contribuem para o resfriamento dos corpos daquelas pessoas. 14/06/2012 23:06 02. (UNISA-SP) Uma panela com água está sendo aquecida num fogão. O calor das chamas se transmite através da parede do fundo da panela para a água que está em contato com essa parede e daí para o restante da água. Na ordem desta descrição, o calor se transmitiu predominantemente por: a) radiação e convecção b) radiação e condução c) convecção e radiação d) condução e convecção e) condução e radiação 14/06/2012 23:06 03. (UFES) Para resfriar um líquido, é comum colocar a vasilha que o contém dentro de um recipiente com gelo, conforme a figura. Para que o resfriamento seja mais rápido, é conveniente que a vasilha seja metálica, em vez de ser de vidro, porque o metal apresenta, em relação ao vidro, um maior valor de: a) condutividade térmica b) calor específico c) coeficiente de dilatação térmica d) energia interna e) calor latente de fusão. 14/06/2012 23:06 Relações entre calor e temperatura • Como varia a temperatura de um corpo quando ele recebe ou cede calor? • Como dois corpos diferentes reagem ao receberem a mesma quantidade de calor? 14/06/2012 23:06 Calor x Temperatura • 1 – Capacidade térmica: É a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de um objeto em 1ºC. Depende do material do objeto e de sua massa • [C] = cal/g • 2 – Calor Específico: É a quantidade de calor para variar a temperatura de uma grama de um determinado material em 1ºC. Depende só do material. • [c] = cal/(g*ºC) 14/06/2012 23:06 Capacidade Térmica x Calor Específico . Se transferirmos 200J de calor para cada um dos blocos, qual vai variar mais a sua temperatura? Ferro Ferro A B O Bloco A. Como eles são feitos do mesmo material, quanto maior a massa, maior a capacidade térmica. Quanto maior a capacidade térmica, mais calor é necessário para variar a temperatura 14/06/2012 23:06 Capacidade Térmica x Calor Específico • Ao se transferir 200J de Mesma Massa! Ferro Cobre calor para cada bloco, qual deles irá variar mais sua temperatura? • O bloco de cobre. Como os blocos tem a mesma massa, devemos olhar os calores específicos. • Como o calor específico do cobre é menor, o cobre precisa de receber menos calor para variar a sua temperatura. 14/06/2012 23:06 Capacidade Térmica x Calor Específico • Então: • Quanto maior a massa, mais calor o corpo precisa receber para variar sua temperatura. • Quanto maior o calor específico, mais difícil é variar temperatura do corpo, pois para isso ele precisa receber mais calor para uma mesma variação de temperatura. 14/06/2012 23:06 Exercício: 3. (PUC / MG) (CF-C6-H21) Um bloco de cobre de 3,0 kg precisa de mais calor para ser aquecido que um bloco idêntico de 1,0 kg, no mesmo intervalo de temperatura. Afirma-se que: a) A área do primeiro bloco é maior, dissipando calor mais rapidamente. b) O primeiro bloco tem maior capacidade térmica. c) O primeiro bloco tem maior calor específico. d) A condutividade térmica do segundo bloco é menor. 14/06/2012 23:06 Mudança de Estado Físico • Estudamos que ao receber calor, os corpos variam sua temperatura. Isso sempre acontece? Nem sempre! • Ao trocar calor, podem ocorrer duas coisas com um corpo: • Variar a sua energia interna, e consequentemente sua temperatura. • Mudar seu estado físico. 14/06/2012 23:06 Mudança de Estado Físico 14/06/2012 23:06 Mudança de Estado Físico • Como vimos anteriormente, ao trocar calor com o ambiente, o corpo pode mudar ou seu estado físico ou sua temperatura. • A quantidade de calor que o corpo utiliza para variar sua temperatura é denominada Quantidade de calor sensível • A quantidade de calor que o corpo utiliza para mudar seu estado físico é denominada Quantidade de calor latente 14/06/2012 23:06 Quantidade de calor sensível • Quantidade de calor sensível Massa do corpo Calor específico do material que constitui o corpo Variação de temperatura 14/06/2012 23:06 Quantidade de calor latente • Quantidade de calor transferido Massa do corpo Calor latente 14/06/2012 23:06 Exemplo: Mudança de fase da água • Q1 : O calor absorvido pelo gelo é utilizado para variar sua temperatura: Calor Sensível • Q2: O calor absorvido é utilizado para o gelo mudar de estado físico: Calor Latente • Q3: O calor absorvido pela água é utilizado para variar sua temperatura: Calor sensível 14/06/2012 23:06 Exemplo: Mudança de fase da água Calor Sensível Calor Latente Calor Sensível Calor Sensível Calor Latente 14/06/2012 23:06 (UFMG/2009) Num Laboratório de Física, faz-se uma experiência com dois objetos de materiais diferentes, R e S, mas de mesma massa, ambos, inicialmente, no estado sólido e à temperatura ambiente. Em seguida, os dois objetos são aquecidos e, então, mede-se a temperatura de cada um deles em função da quantidade de calor que lhes é fornecida. Os resultados obtidos nessa medição estão representados neste gráfico: Sejam LR e LS o calor latente R e S, respectivamente, e cR e cS o calor específico dos materiais, no estado sólido, também Respectivamente. Considerando-se essas informações, é CORRETO afirmar que A) cR < cS e LR < LS . B) cR < cS e LR > LS . C) cR > cS e LR < LS . D) cR > cS e LR > LS . 14/06/2012 23:06 Dilatação Térmica • Quando aquecemos um corpo, aumentando sua energia térmica, aumentamos o estado de agitação das moléculas que o compõem. • Estas moléculas precisam de mais espaço e acabam se afastando uma das outras aumentando o volume do corpo. Este fenômeno é conhecido como dilatação térmica. A dilatação térmica ocorre não só quando aquecemos um corpo, mas também quando o resfriamos. 14/06/2012 23:06 Dilatação Térmica Um trilho de trem é composto por dois segmentos de um metal, com placas de madeira entre eles. Os segmentos de metal dilatam quando sua temperatura aumenta. Caso eles não tenham para onde expandir, eles se deformam! 14/06/2012 23:06 Dilatação Térmica • Isso não é uma rachadura, e sim uma JUNTA DE DILATAÇÃO. • Ela fornece um espaço para a ponte se expandir quando ela dilata, evitando a deformação. 14/06/2012 23:06 Dilatação Linear • Quando um corpo tem seu comprimento muito maior que sua largura, o tipo de dilatação que ele sofre ao variar de temperatura é a dilatação Linear 14/06/2012 23:06 Dilatação Linear 14/06/2012 23:06 Exemplo: Lâmina Bimetálica • Uma lâmina bimetálica é constituída por um conjunto de dois materiais com coeficientes de dilatação linear diferentes. 14/06/2012 23:06 Dilatação Superficial • Quando o corpo possui duas dimensões próximas (uma folha de papel , que possui espessura pequena, mas possui comprimento e largura maiores), ele está sujeito à dilatação superficial 14/06/2012 23:06 Dilatação Superficial 14/06/2012 23:06 Exemplo: Dilatação de um disco T = 30ºC T = 50ºC 14/06/2012 23:06 Exemplo: Dilatação de um anel T = 50ºC T = 50ºC T = 30ºC 14/06/2012 23:06 Exemplo: Dilatação de um anel T = 30ºC O Anel dilata como um todo! Se ele dilata sua superfície externa, ele também dilata sua superfície interna! Dessa forma, o orifício também aumenta! T = 50ºC 14/06/2012 23:06 • (UFMG – 2006) João, chefe de uma oficina mecânica, precisa encaixar um eixo de aço em um anel de latão, como mostrado nesta figura: À temperatura ambiente, o diâmetro do eixo é maior que o do orifício do anel. Sabese que o coeficiente de dilatação térmica do latão é maior que o do aço. Diante disso, são sugeridos a João alguns procedimentos, descritos nas alternativas abaixo, para encaixar o eixo no anel. Assinale a alternativa que apresenta um procedimento que NÃO permite esse encaixe. A) Resfriar apenas o eixo. B) Aquecer apenas o anel. C) Resfriar o eixo e o anel. D) Aquecer o eixo e o anel. 14/06/2012 23:06 21. (UFMG/97) O coeficiente de dilatação térmica do alumínio (Al) é, aproximadamente, duas vezes o coeficiente de dilatação térmica do ferro (Fe). A figura mostra duas peças onde um anel feito de um desses metais envolve um disco feito do outro. Á temperatura ambiente, os discos estão presos aos anéis. Se as duas peças forem aquecidas uniformemente, é correto afirmar que a) apenas o disco de Al se soltará do anel de Fe. b) apenas o disco de Fe se soltará do anel de Al. c) os dois discos se soltarão dos respectivos anéis. d) os discos não se soltarão dos anéis. 14/06/2012 23:06 Revisão: 1. (UFMG-96) Um ventilador ligado provoca a sensação de frescor nas pessoas. A afirmativa que melhor descreve a explicação desse fenômeno é: a) o ventilador altera o calor específico do ar. b) o ventilador aumenta a pressão do ar sobre a pele das pessoas. c) o ventilador diminui a temperatura do ar. d) o ventilador retira o ar quente de perto das pessoas. 14/06/2012 23:06 Revisão: 8. (UFMG-96) Caminhando descalço dentro de casa, ao passar da sala, que tem o chão coberto por tábuas de madeira, para a cozinha cujo piso é de granito, tem-se a sensação de que o piso da cozinha está mais frio que o da sala. Essa sensação é devido ao fato de: a) a capacidade térmica do piso de granito ser menor que a das tábuas de madeira. b) a condutividade térmica do piso de granito ser maior que a das tábuas de madeira. c) a temperatura do piso da cozinha ser menor que a do chão da sala. d) o calor específico do granito ser menor que o das tábuas de madeira. 14/06/2012 23:06 Revisão 17. (PUC RS 99) Se, ao fornecermos calor a um sistema, observarmos que a temperatura permanece inalterada, podemos afirmar que o sistema: a) é totalmente sólido. b) é totalmente líquido. c) está necessariamente em processo de fusão. d) está necessariamente evaporando. e) está sofrendo uma mudança de fase. 14/06/2012 23:06 Dilatação Anômala da Água Estudamos que quando a temperatura de um material aumenta, suas dimensões também aumentam, e que quando a temperatura de um corpo diminui, suas dimensões também diminuem. Com a água, ocorre um fenômeno diferente, descrito no gráfico ao lado. De 0º até 4º, um aumento na temperatura da água faz seu volume diminuir! 14/06/2012 23:06 Dilatação anômala da Água A dilatação anômala da água é responsável pelo fato de que os lagos congelam na superfície! Quando a água está a 4º, no estado líquido, seu volume é menor, logo, sua densidade é maior. Se sua densidade é maior, ela afunda, deixando a água próxima a 0º na superfície. A água a mais fria na superfície se solidifica e forma uma crosta de gelo.