Del 3 Mot 2020
15.2 Veien videre
Vimos que quando cedemos calor a um corpo, este aumentará sua tem temperatura. Porém esse calor pode ser utilizado para não aumen- tar a temperatura e sim para modificar o esta- do físico do corpo.
A mudança de estado pode ser:
A quantidade de calor por unidade de massa transferida durante uma mudança de fase é chamada de calor latente (símbolo L) para o processo. O calor total transferido é, então,
Q = mL,
onde m é a massa da amostra. A quantidade
de calor latente pode ser positiva ou negativa conforme o corpo receba ou ceda calor. Em nosso curso adotaremos:
Calor latente de fusão do gelo (a 0ºC)
Lf= 79,5 cal/g
Calor latente de solidificação da água (a 0ºC)
Ls= -79,5 cal/g
Calor latente de vaporização da água (a 100ºC)
Lv= 539 cal/g
Calor latente de condensação do vapor (a 100ºC)
Lc= -539 cal/g
26.3.5 Princípio da igualdade das trocas de calor: Quando dois ou mais corpos com temperat- uras diferentes são colocados num recipiente isolado termicamente, eles trocam calor entre
si até atingirem o equilíbrio térmico. A equação que representa esse princípio é:
Q1+ Q2+ Q3+ ... + Qn= 0
Ainda podemos dizer que, a quantidade de calor recebida por uns é igual à quantidade de calor cedida pelos outros.
Por exemplo, quando colocamos água quente em um recipiente, a água perde calor e o recip- iente ganha até que a água e o recipiente fiquem com a mesma temperatura, isto é, até que atinjam o equilíbrio térmico. Se não hou- vesse troca de calor com a ambiente, a quanti- dade de calor cedida pela água deveria ser igual à quantidade de calor recebida pelo recipiente. Havendo troca de calor com o ambiente, a quantidade de calor cedida pela água é igual à soma das quantidades de calor absorvidas pelo recipiente e pelo ambiente. Os recipientes utilizados para estudar a troca de calor entre dois ou mais corpos são denom- inados calorímetros. Os calorímetros não per- mitem perdas de calor para o meio externo, isto é, são recipientes termicamente isolados.
1. Colocam-se 800g de ferro a 90ºC em um recip- iente contendo 600 gramas de água a 18ºC. Sabendo-se que o calor absorvido pelo recipi- ente é desprezível, calcular a temperatura do equilíbrio térmico.
Formando uma tabela com os dados:
Qferro+ Qágua= 0 m c (T – T0,Ferro) + m c (T – T0,água) = 0 800 . 0,114 (T – 90) + 600 . 1(T – 18) = 0 91,2T – 820,8 + 600T – 10800 = 0 691,2T = 11620,8 T = 16,8ºC
2. Calcular a massa de ferro a 180ºC que se deve colocar em um recipiente contendo 200 g de gelo a –15ºC para que o equilíbrio térmico seja estabelecido a 30ºC. Dados: 0,5 cal/gºC, Lf =
Resolução:
Qfe+ Qgelo+ Qgelo(fusão)+ Qágua= 0
x . 0,114 (30º – 180º) + 200 . 0,55(0º + 15º) + 200 . 79,5 + 200 . 1 (30º – 0º) = 0 –17,1x + 1650 + 15900 + 6000 = 0 17,1x = 23550 x = 1377,19 g A massa de ferro é de 1374,27 g.
1. Determine a temperatura de equilíbrio quando se colocam 200 g de alumínio a 100ºC em 100 g de água a 30ºC.
2. Um bloco de gelo de massa 600 gramas encontra-se a 0ºC. Determinar a quantidade de calor que se deve fornecer a essa massa para que se transforme totalmente em água a 0ºC. 3. Colocam-se 80g de gelo a 0ºC em 100g de
água a 20ºC. Admitindo o sistema isolado ter- micamente, determine:
a) a temperatura final da mistura;
b) a massa de água líquida após ser atingido o equilíbrio térmico.
4. Determine a quantidade de calor necessária para transformar 20g de gelo, a –20ºC, em vapor de água a 120ºC. R: 14.686 cal
8.4TRANSMISSÃO DO CALOR
Nos processos de transmissão de calor, existe a troca de energia térmica entre dois ou mais cor- pos. A transmissão pode ser direta (condução), ou indireta (irradiação e convecção), onde se de- pende de um meio condutor (como o ar, por exemplo).
Condução:
Quando há contato entre dois materiais, existe uma tendência para a troca de energias. Esta troca, quando ocorre via contato direto dos materiais, chama-se condução. A troca de energia, ou calor, ocorre através de uma trans- missão de vibração de uma partícula para a seguinte, e assim sucessivamente.
Uma situação que ocorre um processo de transmissão de calor por condução, é através de uma barra metálica. Neste processo, os áto- mos do metal que estão em contato coma fonte térmica recebem calor desta fonte e aumentam sua agitação térmica. Devido a isto, colidem com os átomos vizinhos, transmitindo- lhes agitação térmica. Assim, de partícula para partícula, a energia térmica flui ao longo da barra,aquecendo-a por inteiro.
Transmissão de calor por condução
Portanto condução é o processo de transmis- são de calor de partícula por partícula. Note que as partículas apenas aumentam a vibração, elas não se deslocam.
As partículas vibram, transmitem o calor, mas não se deslocam Exemplo de condução:
•
Ao mexer uma panela com uma colher de metal, depois de um tempo você percebe que a colher esquenta, isso acontece devi- do a condução de calor;•
Algumas panelas de aço inox vêm com o cabo do mesmo material, isso não auxilia a dona de casa, porque ao esquentar a pan- ela, cabo também esquenta por condução.1. Caso não tenha meio material, há transmissão de energia por condução?
Na ausência de um meio material, como no vácuo, por exemplo, não ocorre troca de calor por condução. Entretanto, é possível transmitir energia através do vácuo, através do processo de irradiação.
•
Convecção:O fenômeno de convecção ocorre em fluidos (líquidos e gases), e independe do meio ser bom ou mal condutor de calor. Está associado ao movimento de massas, devido à diferença de densidades. Quando existe um corpo quente, este troca calor com o meio fluido, que tende a subir. O calor sobe, forçando o ar que estava em cima a descer. É interessante men- cionar que este é um dos fenômenos que cau- sa os ventos na atmosfera. A convecção não ocorre na ausência de meio material (vácuo), pois depende do movimento de matéria. Há dois tipos de convecção:
Natural: quando ocorre devido à diferença de densidade da matéria, ocasionada pela diferença de temperatura do meio.
Forçada: quando é provocada por venti- ladores e bombas.
Exemplo: No Congelador na parte de cima da geladeira faz com que haja uma trans- missão de energia por convecção, o ar quente é menos denso que o ar frio, portan- to ele tende a subir devido a pressão.
Exemplo de transmissão por convecção
Os recipientes adiabáticos são aqueles que não deixam o calor se propagar, por exem- plo: garrafa térmica, isopor, etc.
• Irradiação
A irradiação é a transmissão de energia através de ondas eletromagnéticas. A energia é emitida por um corpo e se propa- ga até o outro, através do espaço que os separa. Este espaço não precisa de matéria, ou seja, a irradiação ocorre no vácuo, além dos meios materiais.
Dois corpos em temperatura diferentes ten- dem ao equilíbrio térmico, mesmo que entre eles não haja nenhum meio material. Ex.: Sol esquentando a Terra (existe vácuo entre eles).
Estufa: Numa estufa, a radiação luminosa do sol atravessa o vidro e é absorvida pelos objetos que estão no interior, aquecendo- os. Em seguida, os objetos emitem radi- ação do infravermelho, mas este é barrado pelo vidro. Assim, é pelo fato de o vidro ser transparente à radiação luminosa e opaco ao infravermelho que as estufas conservam uma temperatura superior à do meio exter- no. (O mesmo fenômeno ocorre quando um automóvel, com os vidros fechados, fica exposto ao sol.)
Exemplo de transmissão de energia por irradiação Efeito Estufa: De dia a radiação solar aque- ce a Terra, que, à noite, é resfriada pela emissão da radiação do infravermelho. Esse resfriamento é prejudicado quando há excesso de gás; carbônico (CO2) na atmos-
fera, pois o CO2 é transparente à luz, mas
opaco ao infravermelho.
Nos últimos anos, a quantidade de gás car- bônico na atmosfera tem aumentado; con- sideravelmente em razão da queima de combustíveis fósseis (petróleo e carvão). Se essa demanda continuar crescendo no ritmo atual, em meados do século XXI a quantidade de CO2na atmosfera, além de
trazer outras conseqüência drásticas, provocará um aumento da temperatura média da Terra, que hoje está em torno de 18ºC. Tal aquecimento poderá provocar o derretimento de parte do gelo acumulado nos pólos e elevar o nível do mar em algu- mas dezenas de metros.
Efeito estufa
1. Ao observar o interior de uma garrafa térmica, você pode verificar que suas paredes são de vidro espelhado. Tais paredes são duplas e há vácuo entre elas. Por que elas são construídas desta maneira?
A garrafa térmica
Resolução:
A garrafa térmica conserva por algum tempo bebidas quentes ou frias. Isto só é possível evi- tando que a energia se transfira do líquido, quando quente, para o ambiente. Ou do ambi- ente para o líquido, quando este está frio. A função das paredes espelhadas é refletir a radiação infravermelha, isolando termicamente o líquido no interior da garrafa. O vácuo entre as paredes evita a transmissão de energia por condução e convecção, uma vez que estes processos só ocorrem na presença da matéria.
TEMA 09
A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA