Física 3 aulas 11 e 12

Transcrição

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2 Mudança de Estado Processos Q > 0 Q < 0

3 Calor e Mudança de Estado Curva de Aquecimento

4 Temperatura e Calor Exercício 1 Um calorímetro ideal possui em seu interior 1 kg de gelo a 50 C. Por meio de um aparelho elétrico, esse gelo recebe energia até que se transforme em vapor, a 100 C. Considere: c gelo = 0,5 cal/g C; c água = 1 cal/g C; L fusão = 80 cal/g; L vaporização = 540 cal/g. Construa a curva de aquecimento tendo, no eixo horizontal, as quantidades de calor para cada etapa do aquecimento e, no eixo vertical, as temperaturas em C. Resolução I) Primeira etapa: aquecimento do gelo de 50 C até 0 C: QI m c T , 5 [ 0 ( 50)] cal II) Segunda etapa: fusão do gelo a 0 C: QII m L cal III) Terceira etapa: aquecimento da água de 0 C a 100 C : QIII m c T ( 100 0) cal IV) Quarta etapa: vaporização da água a 100 C : QIV QI 25 kcal QII 80 kcal m L cal QIII 80 kcal 100 kcal 540 kcal 25 kcal 100 kcal QIV 540 kcal Quantidade de CALOR SENSÍVEL Quantidade de CALOR LATENTE Quantidade de CALOR SENSÍVEL Quantidade de CALOR LATENTE

5 Temperatura e Calor Exercício 1 Um calorímetro ideal possui em seu interior 1 kg de gelo a 50 C. Por meio de um aparelho elétrico, esse gelo recebe energia até que se transforme em vapor, a 100 C. Considere: c gelo = 0,5 cal/g C; c água = 1 cal/g C; L fusão = 80 cal/g; L vaporização = 540 cal/g. Construa a curva de aquecimento tendo, no eixo horizontal, as quantidades de calor para cada etapa do aquecimento e, no eixo vertical, as temperaturas em C. Resolução QI 25 kcal QII 80 kcal QIII 100 kcal QIV 540 kcal

6 Diagrama de Fases Substâncias que aumentam de volume na solidificação. p (mm Hg) Líquido P C Curva de SUBLIMAÇÃO Curva de FUSÃO Curva de VAPORIZAÇÃO Sólido P T Vapor Gás T ( o C) P T = Ponto Triplo (os 3 estados coexistem) P C = Ponto Crítico (Limite G/V)

7 Diagrama de Fases p (mm Hg) Substâncias que aumentam de volume na solidificação. Exemplo: H 2 O Líquido P C (374 o C; 1, mm Hg) Curva de SUBLIMAÇÃO Curva de FUSÃO Curva de VAPORIZAÇÃO Sólido P T (0,01 o C; 4,58 mm Hg) Vapor Gás T ( o C) P T = Ponto Triplo (os 3 estados coexistem) P C = Ponto Crítico (Limite G/V)

8 Diagrama de Fases p (mm Hg) > Analisando o diagrama para a H 2 O. Experimento do regelo Novo ponto de fusão! gelo Ponto de fusão normal! água líquida Novo ponto de ebulição! P C gás Panela de pressão Ponto de ebulição normal! Mantendo P, Variando T, a água muda de estado P T vapor d água < > mm Hg = 1, Pa = 101,3 kpa = 1 atm = 10,3 m.c.a. T ( o C)

9 Diagrama de Fases Analisando o diagrama para a H 2 O. p (mm Hg) 760 < 760 Mantendo P, Variando T, a água muda de estado gelo Novo ponto de fusão! Ponto de fusão normal! água líquida P T Novo ponto de ebulição! vapor d água P C Ponto de ebulição normal! gás 0 > 0 < mm Hg = 1, Pa = 101,3 kpa = 1 atm = 10,3 m.c.a. T ( o C)

10 Diagrama de Fases Analisando o diagrama para a H 2 O. p (mm Hg) água líquida água líquida P C Mantendo T, Variando P, a água também muda de estado gelo P T vapor d água A partir do P C não tem como liquefazer a água apenas aumentando a pressão! (gás) T ( o C) 760 mm Hg = 1, Pa = 101,3 kpa = 1 atm = 10,3 m.c.a.

11 Extra 1 (UNIFESP 2009 CG) A sonda Phoenix, lançada pela NASA, detectou em 2008 uma camada de gelo no fundo de uma cratera na superfície de Marte. Nesse planeta, o gelo desaparece nas estações quentes e reaparece nas estações frias, mas a água nunca foi observada na fase líquida. Com auxílio do diagrama de fase da água, analise as três afirmações seguintes. I. O desaparecimento e o reaparecimento do gelo, sem a presença da fase líquida, sugerem a ocorrência de sublimação. II. Se o gelo sofre sublimação, a pressão atmosférica local deve ser muito pequena, inferior à pressão do ponto triplo da água. III. O gelo não sofre fusão porque a temperatura no interior da cratera não ultrapassa a temperatura do ponto triplo da água. De acordo com o texto e com o diagrama de fases, pode-se afirmar que está correto o contido em a) I, II e III. b) II e III, apenas. c) I e III, apenas. d) I e II, apenas. e) I, apenas.

12 Experimento do regelo [1871] - John Tyndall ( ) início fim t Um arame flexível, com dois corpos pesados presos em seus extremos, é apoiado sobre um bloco de gelo, exercendo uma pressão extra sobre a superfície. A pressão extra sobre a superfície faz baixar a temperatura de fusão do gelo que, então, derrete. O arame atravessa a camada de água líquida que se formou que, sem a pressão, volta a solidificar-se. O arame atravessa todo o bloco de gelo até que os corpos caem no chão. O bloco de gelo, mesmo atravessado pelo arame, permanece sólido por conta do fenômeno do regelo.

13 Exercício 2 Um barman observa que se apertar dois cubos de gelo um contra o outro eles tendem a ficar grudados. Explique esse fenômeno do ponto de vista da pressão e da temperatura de fusão do gelo. Resolução O diagrama de fases (ou diagrama de estado), gráfico P X T da água, nos revela que um aumento na pressão sobre a fase sólida reduz a temperatura de fusão de gelo. Logo, ao pressionar um cubo contra o outro, há um aumento superficial da pressão sobre a camada de gelo que gera liquefação da camada de contato entre eles. Assim que cessa a pressão, a água liquefeita volta a solidifica-se, soldando um cubo no outro.

14 Diagrama de Fases Substâncias que diminuem de volume na solidificação. p (mm Hg) Líquido P C Curva de SUBLIMAÇÃO Sólido Curva de FUSÃO Curva de VAPORIZAÇÃO P T Vapor Gás T ( o C) P T = Ponto Triplo (os 3 estados coexistem) P C = Ponto Crítico (Limite G/V)

15 Exercício 3 (UFF 2011) Quando se retira uma garrafa de vidro com água de uma geladeira, depois de ela ter ficado lá por algum tempo, veem-se gotas d água se formando na superfície externa da garrafa. Isso acontece graças, principalmente, à: a) condensação do vapor de água dissolvido no ar ao encontrar uma superfície à temperatura mais baixa. b) diferença de pressão, que é maior no interior da garrafa e que empurra a água para seu exterior. c) porosidade do vidro, que permite a passagem de água do interior da garrafa para sua superfície externa. d) diferença de densidade entre a água no interior da garrafa e a água dissolvida no ar, que é provocada pela diferença de temperaturas. e) condução de calor através do vidro, facilitada por sua porosidade. Resolução A garrafa rouba calor do ar mais próximo à sua superfície. Logo, a temperatura do ar em volta da garrafa diminui. Para a mesma pressão externa (do ar), pressão atmosférica local, ocorre a condensação do vapor d água na forma de gotículas.

16 A vaporização (passagem do estado líquido para o estado gasoso) pode ocorrer por: 1) EVAPORAÇÃO: processo que ocorre em qualquer temperatura; nesse caso, moléculas mais agitadas do que a média se desprendem do líquido, passando para o estado gasoso. Exemplo: a água num copo evapora gradativamente à temperatura ambiente, abaixo do ponto de ebulição. 2) EBULIÇÃO: processo que ocorre para valores específicos de pressão (P) e temperatura (T) sobre a curva de vaporização no diagrama de fases. O líquido literalmente ferve e se mantém na temperatura de ebulição enquanto o processo de mudança de estado acontece. Exemplo: a água numa panela sobre a chama do fogão atinge o ponto de ebulição e passa do estado líquido para o estado gasoso.

17 Exercício 4 (Enem) Ainda hoje, é muito comum as pessoas utilizarem vasilhames de barro (moringas ou potes de cerâmica não esmaltada) para conservar água a uma temperatura menor do que a do ambiente. Isso ocorre porque: a) o barro isola a água do ambiente, mantendo-a sempre a uma temperatura menor que a dele, como se fosse isopor. b) o barro tem poder de gelar a água pela sua composição química. Na reação, a água perde calor. c) o barro é poroso, permitindo que a água passe através dele. Parte dessa água evapora, tomando calor da moringa e do restante da água, que são assim resfriadas. d) o barro é poroso, permitindo que a água se deposite na parte de fora da moringa. A água de fora sempre está a uma temperatura maior que a de dentro. e) a moringa é uma espécie de geladeira natural, liberando substâncias higroscópicas que diminuem naturalmente a temperatura da água. Resolução A água líquida evapora em qualquer temperatura, roubando calor do meio para isso. A porosidade do barro permite saída de água líquida que, para evaporar, retira calor da moringa e do restante de água dentro do recipiente. Esse fenômeno abaixa um pouco a temperatura da água no interior da moringa de cerâmica. Como ela fica mais fria que o ambiente, ao bebê-la, temos uma sensação agradável por ela estar mais fresca.

18 Exercício 5 (Enem) Os seres humanos podem tolerar apenas certos intervalos de temperatura e umidade relativa (UR), e, nessas condições, outras variáveis, como os efeitos do sol e do vento, são necessárias para produzir condições confortáveis, nas quais as pessoas podem viver e trabalhar. O gráfico mostra esses intervalos. A tabela mostra temperaturas e umidades relativas do ar de duas cidades, registradas em três meses do ano.

19 Exercício 5 Com base nessas informações, pode-se afirmar que condições ideais são observadas em: a) Curitiba, com vento em março, e Campo Grande, em outubro. b) Campo Grande, com vento em março, e Curitiba, com sol em maio. c) Curitiba, em outubro, e Campo Grande, com sol em março. d) Campo Grande, com vento em março, e Curitiba, com sol em outubro. e) Curitiba, em maio, e Campo Grande, em outubro.

20 (Enem) A tabela a seguir registra a pressão atmosférica em diferentes altitudes, e o gráfico relaciona a pressão de vapor da água em função da temperatura. Um líquido, num frasco aberto, entra em ebulição a partir do momento em que sua pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica. Assinale a opção correta, considerando a tabela, o gráfico e os dados apresentados, sobre as seguintes cidades: Extra 2 A temperatura de ebulição será: a) maior em Campos do Jordão. b) menor em Natal. c) menor no Pico da Neblina. d) igual em Campos do Jordão e Natal. e) não dependerá da altitude. Resolução Quanto menor a pressão atmosférica, menor a temperatura de ebulição. E a pressão atmosférica é tão menor quanto maior é a altitude. Logo, quanto maior a altitude, menor a temperatura de ebulição da água.

21 Extra 3 (UNICAMP) No Rio de Janeiro (ao nível do mar), certa quantidade de feijão, em água fervente, demora 40 minutos para ficar pronta. A tabela a seguir fornece o valor da temperatura da fervura da água em função da pressão atmosférica, enquanto o gráfico fornece o tempo de cozimento dessa quantidade de feijão em função da temperatura. A pressão atmosférica que, ao nível do mar, vale 760 mm de mercúrio diminui 10 mm de mercúrio para cada 100 m de altitude.

22 Extra 3 (UNICAMP continuação) a) Se o feijão for colocado em uma panela cuja pressão interna seja 880 mm de mercúrio, em quanto tempo ele fica pronto? b) Em uma panela aberta, em quanto tempo o feijão fica pronto na cidade de Gramado (RS), localizada a uma altitude de 800 m? c) Em qual altitude o tempo de cozimento do feijão (em uma panela aberta) será o dobro do tempo de cozimento ao nível do mar? d) Suponha que, em Gramado, foram empregados 2 litros de água e que, ao final do cozimento do feijão, restaram 0,5 litro de água. Determine a potência térmica absorvida pela água, em watts, considerando que o intervalo de tempo que aparece no gráfico seja medido a partir do instante em que a água atinge o ponto de fervura. Dados: Calor latente de vaporização da água: 540 cal/g Densidade da água: 1g/cm³ 1 cal = 4J

23 Extra 3 a) Se o feijão for colocado em uma panela cuja pressão interna seja 880 mm de mercúrio, em quanto tempo ele fica pronto? Resolução Pela tabela: p = 880 mmhg implica em T = 105 o C. Pelo gráfico: T = 105 o C implica em t = 20 min.

24 Extra 3 b) Em uma panela aberta, em quanto tempo o feijão fica pronto na cidade de Gramado (RS), localizada a uma altitude de 800 m? Resolução A cada 100 m de altitude, a pressão cai 10 mmhg. Logo, para 800 m a pressão cai 8 x 10, ou seja, 80 mmhg. Logo, p = = 680 mmhg. Pela tabela, p = 680 mmhg implica T = 97 o C. Pelo gráfico: T = 97 o C implica em t = 60 min.

25 Extra 3 c) Em qual altitude o tempo de cozimento do feijão (em uma panela aberta) será o dobro do tempo de cozimento ao nível do mar? Resolução Ao nível do mar (p = 760 mmhg) a água ferve a T = 100 o C. Pelo gráfico, t = 40 min. Logo, o dobro do tempo de cozimento ao nível do mar vale t = 80 min que, pelo gráfico, implica em T = 95 o C. Pela tabela, T = 95 o C implica em p = 640 mmhg = ( ) mmhg. Logo, a queda de 120 equivale a H = 1200 m.

26 Extra 3 d) Suponha que, em Gramado, foram empregados 2 litros de água e que, ao final do cozimento do feijão, restaram 0,5 litro de água. Determine a potência térmica absorvida pela água, em watts, considerando que o intervalo de tempo que aparece no gráfico seja medido a partir do instante em que a água atinge o ponto de fervura. Resolução Dos dois litros de água iniciais sobrou apenas 0,5 litro. Logo, foram vaporizados 1,5 litros de água que, com densidade de 1 g/cm³ (1 kg/l) equivalem a 1500 g de água. Logo, a quantidade de calor latente absorvida pela água foi de: Q m L , 1 10 cal 5 8, J 5 32, 4 10 J A potência térmica para a energia Q = 32, J e t = 60 min = 3600 s (Gramado, ver item b ) vale: P Q t 5 32, 4 10 J 3 3, 6 10 s 2 J 9 10 s 900 W