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Fenomenos termicos aula introdutoria e analise
- 1. Professora: Ana AmeliaB. Machado [email protected] Fenômenos Térmicos Aula 5 Capitulo 17
- 2. Temas abordados • Calore energia Interna • Calor específico • Calor latente e mudanças de fase • Mecanismos de transferência de energia em processos térmicos
- 3. Calor e EnergiaInterna Energia Interna é toda a energia de um sistema que está associado aos seus componentes microscópicos – átomos e moléculas - quando vistos a partir de um referencial em repouso com respeito ao centro de massa do sistema A energia cinética do sistema devido ao seu movimento através do espaço não está incluída na energia interna. Energia interna inclui: energia cinética de translação, rotação das moléculas e energia cinética e potencial associada a vibrações moleculares É útil relacionar a energia interna à temperatura de um objeto, mas essa relação é limitada. Veremos em breve que a energia interna pode variar mesmo quando não há variações de temperatura Calor é o mecanismo pelo qual a energia é transferida entre um sistema e seu ambeinte por causa de uma diferenca de temperatura entre eles. E tambem a quantidade de energia Q transferida por esse mecanismo Cap 17.1
- 4. Temperatura e Calor Sabemosque quando uma xícara de café quente é deixada sobre a mesa sua temperatura diminui até se tornar igual à temperatura ambiente . Podemos descrever o: Café Sistema (à temperatura Ts) Parte relevante da cozinha Ambiente (à temperatura TA) Observe que TS TA é ambas temperaturas podem variar até que o equilíbrio térmico seja estabelecido
- 5. Calor negativo Uma certa quantidade Q de calor é perdida pelo sistema para o ambiente (cede calor) Calor positivo Uma certa quantidade Q de calor é absorvida pelo sistema. (recebe calor) Equíbrio térmico (nao cede nem recebe calor) TA Ambiente Sistema TS =TA TA TS >TA Ambiente Sistema Q<0 TA Ambiente Sistema TS <TA Q>0
- 6. Calor é aenergia transferida de um sistema para o ambiente ou vice-versa devido a uma diferença de temperatura Lembre-se de que a energia também pode ser transferida de um sistema para o ambiente ou vice-versa através do trabalho W realizado por uma força . Temperatura, volume, pressão propriedades intrínsecas de um sistema Calor e trabalho Não são propriedades intrínsecas de um sistema (descrevem a transferência de energia) Antes o calor era definido como a quantidade de calor necessária para aumentar temperatura de 1g de água de 14,5C para 15,5C definição de caloria (cal)
- 7. O Equivalente mecânicodo calor No curso de Fenômenos Mecânicos vocês devem ter visto que se uma força de atrito está presente em uma sistema mecânico , alguma energia mecânica é perdida Atrito Força não conservativa Energia mecânica não é conservada A energia mecânica não é perdida, mas transformada em energia interna. Ex. Martele um prego. Para aonde foi a energia cinética do martelo quando terminamos de fixar o prego? Parte se transformou em energia interna já que podemos sentir que o prego está mais quente. O experimento que mostrou a conexão entre energias mecânica e interna foi elaborado por Joule
- 8. Experimento de Joule Umcontainer isolado termicamente contem água. Trabalho é realizado sobre a água através das pás cuja velocidade constante é controlada através da queda de dois blocos pesados. Por causa do atrito entre as pás e a água a temperatura da água aumenta. • A perda da energia potencial associada aos blocos (2mgh ) é igual ao trabalho das pás sobre a água, que aumenta a energia interna da água • Joule demonstrou que o decréscimo da energia mecânica era proporcional ao produto massa X o aumento de temperatura da água aumento de temperatura • A constante de proporcionalidade é dada por Equivalente mecânico do calor
- 9. Exemplo: Um estudantejanta uma refeição que contém 2000 Calorias de energia. Ele deseja realizar uma quantidade equivalente de trabalho na academia levantando um haltere de 50,0 Kg. Quantas vezes ele deve levantar esse objeto para gastar esta quantidade de energia? Considere que ele todas as vezes ele levanta o haltere a uma altura 2,00 m Se estudante levantar o peso uma vez a cada 5s, ele levará 12h para repetir este exercício 8,54 103 vezes
- 10. Capacidade Térmica Se umobjeto cuja temperatura inicial é Ti absorve um quantidade de calor Q, sua temperatura aumenta para o valor Tf de acordo com a equação A constante de proporcionalidade C é conhecida como capacidade térmica A capacidade térmica é medida em unidades de energia por grau ou energia por kelvin Ex: (pedra de mármore: 179 cal/C ou 179 cal/K ou 749 J/K)
- 11. Calor Específico Cap 17.2 Acapacidade térmica C de um objeto é proporcional a sua massa. Então é mais conveniente definir uma “capacidade térmica por unidade de massa” ou calor específico c que se refere a uma massa unitária do material de que é feito o objeto Ex. Mármore c =0,21 cal/g.C ou 800 J/Kg.K O calor específico da água é:
- 13. Quiz Uma certa quantidadede calor Q aquece 1g de uma substância A de 3C e 1g de um material B de 4C. Qual das duas substâncias tem o maior calor específico? Resposta: Assim c= Q/(mT) Quanto maior a variação de temperatura menor é o calor específico! Substância A tem o maior calor específico
- 14. Quiz: Imagine que vocêtenha 1,00Kg de ferro, 1,00kg de vidro e 1,00 kg de água e que todas as amostras estão a 10 C (a) Classifique-as da mais baixa à mais alta temperatura depois que 100 J de energia forem adicionadas a cada uma Resposta: Assim T = Q/(mc) 1) Água (maior calor específico) 2) Vidro 3) Ferro
- 15. Quiz: Imagine que vocêtenha 1,00Kg de ferro, 1,00kg de vidro e 1,00 kg de água e que todas as amostras estão a 10 C (b) Classifique-as da mais baixa à mais alta quantidade de transferência de energia pelo calor se cada um aumentar a temperatura em 20 C Resposta: 1) Ferro 2) Vidro 3) Água A energia transferida pelo calor é proporcional ao calor específico
- 16. Circulação de arna praia Calor especifico da água 4186 J/Kg .C Calor específico da areia (Silício) 703 J/Kg .C O fato que o calor específico da água ser mais elevado do que o da areia explica o padrão de fluxo de ar em uma praia. Em um dia quente, o ar acima da areia aquecida se esquenta mais rapidamente do que o ar sobre a água fria. O ar mais frio (mais denso) empurra o ar mais quente (menos denso) para cima que esfria gradualmente formando o padrão de circulação À noite, a areia se resfria mais rapidamente que a água, logo as correntes de ar inventem as direções .
- 17. Ponto importante sobreo calor específico Para determinar corretamente o calor específico de uma substância é preciso conhecer as condições em que ocorre a transferência de calor Em geral para sólidos e líquidos supomos que a pressão é constante (pressão atmosférica) durante a transferência Mas podemos imaginar o caso em que o volume é mantido constante durante a absorção de calor. (para evitar a dilatação térmica temos que aplicar uma pressão externa para o volume se manter constante) Nós sólidos e líquidos esse procedimento é difícil de ser executado experimentalmente, mas os cálculos mostram que a diferença entre calores específicos a pressão constante ou a volume constante é pequena No caso dos gases, como veremos em breve, os calores específicos a pressão constante ou a volume constante são muito diferentes
- 18. Calorimetria Uma maneira demedir o calor específico de um material é elevar sua temperatura para algum valor e colocá-la em um recipiente com água (Temos que saber a massa e a temperatura inicial da água) Depois de atingir o equilíbrio térmico, vamos medir a temperatura do sistema (água +material) Se o recipiente for um bom isolante ( energia na forma de calor não deixa o sistema) temos um sistema isolado calorímetros A análise executada usando tais recipientes é chamada calorimetria
- 19. Conservação de energiapara este sistema isolado Energia que sai da substância mais quente (calor específico desconhecido) de iguale à energia que entra na água Sinal garante que o calor está saindo da substancia mais quente mx ma Ta Tx T ma Substituindo os valores encontramos o calor específico da substância No experimento 3 vocês vão medir o calor específico de uma substância!
- 20. Calor Latente eMudanças de Fase Cap 17.3 Quando o calor é transferido para uma amostra sólida ou líquida nem sempre a temperatura da amostra aumenta . Isso porque a amostra pode mudar de fase Os estados mais comuns que matéria pode existir estar são: 1. Estado Sólido: átomos e moléculas do material formam uma estrutura rígida através de sua atração mútua. 2. Estado Líquido: átomos e moléculas têm mais energia e maior mobilidade, formam aglomerados transitórios, podem escoar ou acomodar no fundo de um recipiente 3. Estado Gasoso: os átomos e as moléculas têm uma energia ainda maior, não interagem, a não ser através de choques de curta duração, e podem ocupar todo o volume de um recipiente.
- 21. Fundir passardo estado sólido para o líquido. Processo requer energia para liberar os átomos da estrutura rígida do sólido Solidificar inverso de fundir, processo exige a retirada de energia de um líquido para que os átomos ou moléculas voltem a formar a estrutura rígida de um sólido Vaporizar significa fazê-lo passar do estado líquido para o estado gasoso. Como a fusão esse processo requer energia por que os átomos ou moléculas devem ser liberados de seus aglomerados. Condensar é o inverso de vaporizar e exige a retirada de energia para que os átomos ou moléculas voltem a se aglomerar A quantidade de energia por unidade de massa que deve ser transferida em forma de calor para que uma amostra mude totalmente de fase é chamado de calor de latente e representada pela letra L Quando uma amostra de massa m sofre uma mudança de fase a energia total transferida é
- 22. O sinal adequadoda equação acima é escolhido de acordo com o fluxo de energia Quando um cubo de gelo se derrete usamos Quando a água líquida se congela usamos
- 23. Quando a mudançaé da fase líquida para a fase gasosa (amostra absorve calor) ou da fase gasosa para líquida (amostra libera calor ) o calor de transformação é chamado de calor de vaporização e o símbolo é LV Para a água à temperatura normal de vaporização ou condensação Quando a mudança é da fase sólida para a fase líquida (amostra absorve calor) ou da fase líquida para a fase sólida (amostra libera calor ) o calor de transformação é chamado de calor de fusão e o símbolo é Lf Para a água à temperatura normal de solidificação ou fusão
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- 25. Considere a adiçãode energia a um sistema composto por um bloco de gelo de 1g a -30C em um recipiente mantido a pressão constante. Suponha que a esse energia resulte na transformação do gelo em vapor de água a 120,0C. A fig. indica a medida experimental da temperatura desde que a energia é adicionada ao sistema. Vamos examinar cada parte isoladamente
- 26. Para calcular aquantidade de energia adicionada devemos usar Parte B Gelo atinge 0 C , a mistura gelo-água se mantém essa temperatura - mesmo com adição de energia – até que o gelo se derreta totalmente . A energia necessário para derreter 1g de gelo é Parte A: Temperatura do gelo muda de -30C para 0C. O calor específico do gelo é 2090 J/kg C
- 27. Durante esse processo,a energia transferida aparece no sistema como energia interna associada ao aumento da energia potencial intermolecular (ligações moleculares se rompem ) Parte C Entre 0C e 100C, não ocorre mudança de fase alguma. A energia adicionada à água é usada para aumentar sua temperatura. A quantidade de energia necessária é dada por
- 28. Parte D A 100Cocorre outra mudança de fase à medida que a água se transforma em vapor . Nesta parte a temperatura permanece constante . A energia vai para o rompimento das ligações de maneira que as moléculas do gás se distanciam -até que todo líquido seja convertido em água. A energia necessária é
- 29. Parte E: Nesta porçãoda curva nenhuma mudança de fase ocorre, então a energia adicionada é usada para aumentar a temperatura do vapor. Para elevar a temperatura do vapor para 120 C devemos fornecer A quantidade total de energia que deve ser adicionada para transformar 1g de gelo a – 30 C em vapor a 120 C é a soma de todos os cinco resultados QT = 3,11 103 J Inversamente para resfriar de 120 C para – 30 C devemos remover 3,11 103 J de energia
- 30. Quiz Suponha que omesmo processo de adição de energia a um cubo de gelo seja realizado, mas que o gráfico da energia interna do sistema seja traçado como função do fornecimento da energia. Qual seria o aspecto do gráfico? O gráfico não tem os plateau anteriores durante a mudança de fase. A energia interna aumenta linearmente com o aumento de energia
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- 34. Condutividade termica dealguns materiais
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