Aulas Multimídias – Santa Cecília

Professor Rafael Rodrigues

Disciplina: Física

Série: 1º ano EM

CALORIMETRIA

TEMPERATURA

Todo corpo que esteja a uma temperatura acima do zero absoluto é constituído de partículas que estão em movimento:

A temperatura de um corpo reflete a rapidez com se movem ou vibram aspartículas em um gás, em um líquido ou em um sólido

Em um vaso de água:

Todas as partículas que a compõem estão em contínuo movimento. As moléculas novaso de água a 50 0C apresentam energia cinética média maior que as moléculas novaso de água a 25 0C.

Temperatura mede a energia cinética daspartículas que compõem o sistema e nãodepende do número de partículas que oconstituem

ENERGIA INTERNA (U)

A energia interna (microscópica) de um sistema tem duas componentes:

A energia cinética (de vibração, rotação e/ou translação) das partículas do sistema,cujo valor médio está relacionado com a temperatura do sistema; A energia potencial, que está associada com as interações entre as partículas e comas ligações existentes.

A energia interna de um sistema é o somatório das energias cinéticas e energiaspotenciais de todas as partículas que o constituem, dependendo, por isso: da temperatura que o sistema se encontra; da massa do sistema.

Energia cinética microscópica

Energia potencial , associada às ligações entre as moléculas e entre os átomos.

400 Joules aumenta de10C a temperatura docafé contido em umacaneca.

400 000 Joules aumenta de 10C a temperatura docafé contido em 1000 canecas.

Vamos elevar a temperatura de uma caneca de café da temperatura ambientepara 100 0C. Depois vamos aumentar a temperatura de 1000 canecas de café da temperaturaambiente para 100 0C. No final a temperatura será a mesma, mas a quantidade de energia necessária émuito diferente. 1000 canecas de café a uma temperatura de 100 0C apresentam muito maisenergia que 1 caneca de café a 100 0C. . Dois corpos podem apresentar a mesma temperatura e possuírem energiasinternas diferentes

A transferência de energia cessa quando os dois corposficam à mesma temperatura

Nesta situação os dois corpos encontram-seem Equilíbrio Térmico

HAVERÁ TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA:

CALOR

T1 T2

T1 > T2

T1 T2 T3 T3

Energia que flui corpode maior temperaturapara o corpo de menortemperatura = calor

Equilíbrio térmico

Calor é a forma macroscópica na qual a energia passa de um sistema físicopara outro devido unicamente a uma diferença de temperatura.

Calor é a energia térmica em trânsito, entre dois corposou sistemas, decorrente apenas da existência de umadiferença de temperatura entre eles.

LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Se dois corpos, A e C estiverem, separadamente em equilíbriotérmico com um terceiro corpo, B, então estarão em equilíbriotérmico entre si.

O EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR

No princípio do século XIX, um físico inglês, chamado James Prescott Joule,estabeleceu a relação precisa entre calor e energia mecânica. Joule utilizou uma rodacom paletas ( que estavam dentro de um cilindro com água), conectadas a umconjunto de polias, com pesos nas suas extremidades.

Quando os pesos caem, as paletas giram. O giro das paletas faz com que atemperatura da água aumente.

Com essa experiência Joule determinou que o equivalente mecânico do calor é:1 cal = 4,186 J

1 caloria é a quantidade de energia que se deve fornecer a 1 grama de água para elevarsua temperatura de 14,5 0C para 15,5 0C.

PROPAGAÇÃO DO CALOR

Mecanismos de transmissão de calor

CONDUÇÃO: transferência de energia deuma porção de matéria à matéria adjacentepor contato direto, sem troca, mistura oufluxo de qualquer material.

CONVECÇÃO: transferência deenergia mediante a mistura dediferentes partes do material: seproduz misturando e trocandomatéria.

RADIAÇÃO: transferência de energiaatravés de ondas eletromagnéticas,emitidas por corpos de altatemperatura e absorvidas por corposde baixa temperatura.

CONDUÇÃO

É o mecanismo de propagação de calor que predomina em sólidos.

http://www.gcsescience.com/pen5.htm

CALOR

Quando a extremidade da esquerda é aquecida, as partículas dessa região passam avibrar mais. Chocando-se com as partículas vizinhas; o aumento de vibração étransmitido para todo o corpo.

Como o metal é melhor condutor de calor que a madeira, ao tocarmos o metalperderemos mais calor que ao tocarmos a madeira. Assim, o metal dá a sensaçãode ser mais “frio” que a madeira.

CONVECÇÃO

É o mecanismo de propagar calor que predomina em líquidos e gases.

É um fenômeno de transporte de matéria e energia que tem sua origem na diferençade densidades. Quando um líquido ou um gás é aquecido ele aumenta de volume esua densidade diminui. Se uma camada de material mais fria e mais densa seencontra acima do material quente, o material quente sobe e o material frio descepara ser aquecido.

Água quente sobe

Água fria desce

CALOR

CORRENTES DE CONVECÇÃO

A convecção ajuda a aquecer casas e esfriar motores de carro.

água quente

radiador

friamistura fria

Ar

mistura quente

Perto da orla costeira, a convecção é responsável pela brisa do mar. Como o calorespecífico da areia é menor que o calor específico da água, durante o dia, a areiafica muito mais quente que o oceano. A brisa do mar é criada quando o ar quentesobre a terra se eleva devido à convecção e é substituído por um ar mais frio dooceano. De noite, a areia e o oceano perdem calor, mas a areia esfria mais que ooceano. O oceano fica mais quente e uma brisa terrestre ocorre.

RADIAÇÃO

É o mecanismo de propagar calor através de ondas eletromagnéticas que ocorremesmo no vácuo.

GARRAFA TÉRMICA

O vácuo diminui as trocas de calor por condução e convecção. As paredes espelhadas diminuem a as trocas de calor por radiação.

CAPACIDADE TÉRMICA (C)

1 kg água 2 kg água

Quantidades diferentes deágua, recebendo a mesmaquantidade de calor,sofrem variações detemperaturas diferentes.Seria necessário fornecerduas vezes mais calor a 2 kgde água para causar amesma variação detemperatura que foicausada em 1 kg de água.

A capacidade térmica (C) de um corpo mede a quantidade de calor que deve serfornecida ou retirada do corpo para causar uma certa variação de temperatura:

onde:Q = quantidade de calor dada ou retirada.ΔT = variação de temperatura

Unidade: cal/0C

1 kg água

2 kg água

Se quisermos causar em 2 kg de água a mesma variação de temperatura causada em1 kg, devemos fornecer (ou retirar) duas vezes mais calor. Logo, a capacidade térmicade 2 kg de água é o dobro da de 1 kg.

A grandeza capacidade térmica não é característica da substância. Quanto maior aquantidade de uma certa substância, maior sua capacidade térmica

Quanto maior a capacidade térmica de um corpo, mais calor é necessário fornecerou retirar do corpo para aumentar ou diminuir sua temperatura.

CALOR ESPECÍFICO (c)

1 kg água2 kg água

A capacidade térmica de 2 kg de água (m2) é o dobro da capacidade térmica de 1 kg deágua (m1):

C 2 = 2.C1 e m2 = 2.m11

1

2

2

m

C

m

C

O quociente entre a capacidade térmica de um corpo e a massa do corpo é típico dasubstância que constitui o corpo. Esse quociente é chamado de calor específico docorpo (c):

Unidade: cal/g.0C

O calor específico de uma substância é a quantidade de calor necessária para aumentarde 1 0Celsius a temperatura de 1 g da substância.

1 g

20° C 21° C

calor específico

O calor específico é típico da substância. Quanto maior o calor específico da substância,mais calor é necessário fornecer para aumentar a temperatura ou mais calor énecessário retirar para diminuir a temperatura.

A temperatura do ouro sobe rapidamente, em comparação com a água porque seu calor específico é menor do que o calor específico da água

Moléculas da água apresentam ligações fortes uma com as outras. Os metais

apresentam ligações mais fracas. É necessário mais energia para quebrar as

ligações entre as moléculas da água.

Por que a água tem calor específico maior que os metais?

ÁGUAMETAL

Q = m . c . ΔT

Quantidade de calor sensível

Quando a quantidade de calor provocar mudança de temperatura, ela é chamada de quantidade de calor sensível. Se o corpo recebe calor: Q > 0. Se o corpo cede calor: Q < 0.

QUANTIDADE DE CALOR SENSÍVEL

Sólido Líquido Gasoso

Sublimação

Sublimação

Fusão

Solidificação

Vaporização

Liquefação

OBS:. Os fenômenos de fusão e os de vaporização acontecem

sempre devido ao recebimento de calor, enquanto a

solidificação e a liquefação ocorrem devido à perda de calor.

MUDANÇAS DE FASE

Quantidade de energia térmica recebida ou cedida por um corpo, para exclusivamente

mudar de estado físico.

: Calor Latente

Indica a energia necessária para uma unidade de massa mudar de estado

físico sem variar sua temperatura.

Unidade(S.I) J/kg

(prática) cal/g

L L > 0 – absorve calor durante a mudança

L < 0 – cede calor durante a mudança

QL = m.L

QUANTIDADE DE CALOR LATENTE

As curvas de aquecimento ou resfriamento fornecem a variação de

temperatura de um corpo em função da quantidade de calor recebida ou

cedida pelo corpo.

ΔT

Q recebida

ΔT1

ΔT2

ΔT3

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5

Sólido

Sólido

+

líquido

Líquido

Líquido

+

Vapor

Gasoso

CURVAS DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO

Observando o gráfico anterior, temos:

Q1 = m.csólido. ΔT1 (Calor Sensível)

Q2 = m.Lf (Calor Latente de Fusão)

Q4 = m.LV (Calor Latente de Vaporização)

Q3 = m.clíquido. ΔT2 (Calor Sensível)

Q5 = m.cgasoso. ΔT3 (Calor Sensível)

Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5

• É a grandeza que expressa a quantidade de energia fornecida por uma fonte a cada unidade de tempo.

• É a rapidez com a qual uma certa quantidade de energia é transformada.

t

QP

Unidades usuais Unidades do SI

Q..............cal...............................Joule (J)

t........minuto (min)…….…...…..segundo (s)

P… …cal/min…………….…Watt (W) = J/s

POTÊNCIA

• Se vários corpos, no interior de um recipienteisolado termicamente, trocam calor, os de maiortemperatura cedem calor aos de menortemperatura, até que se estabeleça o equilíbriotérmico.

• E de acordo com o princípio de conservação temos:

1 2 3 ... 0nQ Q Q Q

TROCAS DE CALOR

recebida cedidaQ Q 0

recebida cedidaQ Q

SISTEMA ISOLADO

Recipiente termicamente isolado que evita troca de calor entre o seu conteúdo e o meio externo.

Em princípio, um calorímetro ideal não deveria trocar calor com os corpos de seu interior, mas na prática isso ocorre. Portanto, em alguns casos, vamos considerar a capacidade térmica do calorímetro no equacionamento da troca de calor.

Imagem: Akshat Goel / Creative Commons Attribution-

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CALORÍMETRO