Capitulo-4 Calor e Temperatura

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1 Capitulo-4 Calor e Temperatura 1

2 Resumo de aula: Termometria. 1- Temperatura Termometria é a parte da física que se preocupa unicamente em formas de se medir a temperatura de um corpo. Para isto teremos que definir inicialmente o que significa temperatura. A física pode definir temperatura de algumas formas diferentes, todas equivalentes entre si. A escolha da maneira específica da definição esta relacionada apenas ao que estamos estudando no momento. No momento vamos utilizar a seguinte definição de temperatura: Temperatura é uma grandeza proporcional à energia cinética média das partículas que constituem o corpo Esta definição de temperatura é relativamente fácil de entender e o nos dará base para entendermos vários fenômenos térmicos diferentes. 2- Termômetro (i) introdução Um termômetro é um aparelho destinado a medir a temperatura dos corpos. Isto é feito avaliando a variação de alguma grandeza do corpo (chamada grandeza termométrica) com a temperatura. Varias grandezas podem ser usadas para este propósito: as dimensões de um corpo; volume de um gás (à pressão constante); pressão de um gás (à volume constante); resistência elétrica de condutores metálicos; o brilho e a cor de filamentos aquecidos. (ii) pontos fixos Para construirmos termômetros precisamos de algum tipo de sistema padrão para compararmos as outras temperaturas, estes sistemas são chamados pontos fixos. Recebem este nome porque, mantidas as demais condições macroscópicas, sua temperatura não varia. Dois pontos de interesse são os pontos de solidificação da água (ou fusão do gelo) e de evaporação da água (ou condensação do vapor). (iii) Termômetro de liquido em vidro. Este é o tipo de termômetro mais conhecido, o próprio termômetro clinico é uma variação deste modelo. Ele é constituído de um bulbo de vidro com pequeno capilar em seu interior. A variação da temperatura é medida pela variação da altura da coluna de liquido (normalmente álcool ou mercúrio) em seu interior. 3-Escalas termométricas (i) Escala Celsius. Atribui para o ponto de congelamento da água o valor 0ºC e para a ebulição o valor 100ºC. 2

3 (ii) Escala Fahrenheit Atribui para o ponto de congelamento da água o valor 32ºF e para a ebulição o valor 212ºF. (iii) Escala Kevin Classicamente a menor temperatura possível corresponde ao menor grau agitação (velocidade de translação) possível das partículas do corpo. de A escala Kevin, também chamada de escala absoluta, adota esta temperatura como sendo zero. Esta escala é a mais utilizada nos meios científicos Obs: A menor temperatura obtida em laboratório foi conseguida em 1993, na Universidade da Finlândia, onde se alcançou a temperatura de 2,8 x K 4-Transformação entre escalas (i) Escala Celsius e Fahrenheit A variação da coluna de mercúrio nas duas escalas é, proporcionalmente, a mesma. De onde tiramos: 32 C F Simplificando: C F (ii) Escala Celsius e Kevin 3

4 Seguindo a mesma linha de raciocínio temos: que resulta em: 273 C K C K (iii) Variações de temperatura. As escalas Celsius e Kevin possuem o mesmo número de divisões (100 graus) entre os pontos fixos utilizados, portanto um grau em uma escala equivale a um grau na outra escala. C K No entanto as escalas Celsius e Fahrenheit possuem tamanhos diferentes e as variações entre as escalas são proporcionais aos respectivos tamanhos das escalas C F que, simplificando, resulta em: 5 9 C F Tabela: Conheça alguns valores aproximados de temperatura. interior do freezer -17ºC interior do refrigerador ~ 4ºC e 7ºC corpo humano 36,5ºC filamento de lâmpada 2 500ºC incandescente ar pelo qual passou um raio ºC bomba atômica ºC interior do Sol ºC bomba de hidrogênio ºC 4

5 Resumo de Aula: Calorimetria. 1-Energia Térmica A energia térmica de um corpo é a soma das energias cinéticas de todas as partículas que constituem o corpo, por outro lado a energia cinética depende tanto da velocidade da partícula quanto de sua massa. Isto tem algumas consequências interessantes para o estudo do calor. Vamos considerar inicialmente dois corpos de mesmo material, na mesma temperatura, mas de massas diferentes. O que tem mais massa tem mais partículas que o de menor massa e, portanto, possui mais energia térmica armazenada. Por outro lado podemos considerar dois corpos de mesma massa, na mesma temperatura, mas de materiais diferentes, eles terão a mesma energia térmica? A resposta é não. Lembremos que a temperatura esta relacionada com a velocidade das partículas, isto significa que se os dois corpos tem a mesma temperatura suas partículas tem, em média, a mesma velocidade. Mas se os materiais são diferentes então as partículas que os constituem são diferentes e possuem massas diferentes, quem possui maior massa possuirá maior energia cinética, e o corpo terá mais energia térmica armazenada. Estes dois exemplos mostram que, apesar de serem conceitos relacionados, energia térmica e temperatura são conceitos bem diferentes, e o calor esta justamente relacionado ao conceito de energia térmica. 2- Calor Calor é a energia térmica em transito entre dois corpos devido à diferença de temperatura entre eles. Os processos de transferência de calor, que permitem entender por que este fenômeno ocorre, serão estudados mais adiante. Por hora podemos considerar apenas o seguinte fato experimental: A transferência de energia é espontânea do corpo mais quente para o corpo mais frio 3- Equação fundamental da Calorimetria Ao fornecermos (ou retirarmos) certa quantidade Q de calor de um corpo podemos promover ou variação de sua temperatura ou sua mudança de estado físico. No primeiro caso temos que a variação de temperatura () depende tanto da massa (m) do corpo quanto do material que ele é feito. Esta dependência é caracterizada pelo calor específico da substância, que pode ser definido como a quantidade de energia necessária para elevar em um grau de temperatura a massa de um grama desta substância. Estas relações são resumidas na equação fundamental da calorimetria unidades: [Q]=cal (ou J) Q mc A unidade de energia é a utilizada do SI, o joule (J). Porém, por motivos históricos, utilizamos muito a unidade caloria (cal). Sendo que 1 cal =4,087 (J 4,2 J). 5

6 Para as outras grandezas da forma utilizamos as seguintes unidade de medida: a massa é usualmente medida em gramas ou quilogramas; a temperatura pode ser medida tanto na escala Celsius ou na escala kelvin (no Brasil não utilizamos a escala Fahrenheit); a unidade de calor específico depende da escolha das unidades das outras grandezas, para compreendermos este fato vamos reescrever a equação fundamental da calorimetria da seguinte forma; Q c m Desta forma podemos ver que as unidades de c dependem da escolha de Q, m e. As unidades mais comuns são a cal/gºc e o J/gºC. A tabela a seguir mostra os valores de c para algumas substâncias nestas duas unidades. Tabela: Calor específico de algumas substâncias: Substância Calor específico (cal/gºc) Calor específico (J/gºC) Água 1,00 4,187 Álcool 0,60 2,512 Alumínio 0,22 0,921 Carbono 0,12 0,502 Chumbo 0,031 0,129 Cobre 0,091 0,381 Ferro 0,11 0,460 Gelo 0,50 2,093 Ouro 0,032 0,134 Vidro 0,16 0,670 Enquanto o calor específico caracteriza o comportamento térmico de uma substância a capacidade térmica caracterizará o comportamento térmico de um corpo. Podemos definir capacidade térmica de um corpo como a razão entre a quantidade de calor recebida por um corpo e sua variação de temperatura. C Q Se o corpo for constituído de uma única substância podemos utilizar a equação fundamental da calorimetria e escrever: Q mc C C mc 4- Trocas de Calor (i) calorímetro Em experiências envolvendo trocas de calor é necessário isolarmos os corpos que estamos estudando do meio externo, isto é feito com o auxílio de um calorímetro. Exemplos comuns de calorímetro são as caixas de isopor utilizadas para manter constante a temperatura dos alimentos em seu interior, além das bolsas e garrafas térmicas. Acontece que em todos estes casos o próprio calorímetro acaba por interferir nos experimentos, seja permitindo a troca de calor com o meio externo, seja trocando calor com os elementos em seu interior. Se estes efeitos forem considerados desprezíveis então dizemos que o calorímetro é ideal (sua capacitância será igual a zero), caso contrário o calorímetro será real e seus efeitos deverão ser levados em conta. 6

7 (ii) sistema termicamente isolado. Um sistema é considerado termicamente isolado quando não a troca de energia térmica entre este sistema e seu interior. O conjunto calorímetro e seu conteúdo podem ser considerados uma boa aproximação de um sistema isolado. (ii) trocas de calor em um sistema termicamente isolado No caso do sistema termicamente isolado todo calor cedido pelo corpo A é absorvido pelo corpo B. Quando o corpo A cede calor sua temperatura diminui ( <0) e o valor de Q é negativo. O corpo B, por sua vez, sofre um aumento de temperatura (>0) e o valor de Q é positivo. Neste caso podemos escrever: Q A Q B 0 No caso de um calorímetro não ideal devemos considera-lo na equação Q A Q B Q calorimetr o 0 As duas equações acima são, na realidade, equações de conservação de energia. O que e elas nos dizem é que, sendo o calor energia em trânsito, então o calor recebido por um corpo tem que vir de algum outro, e vise-versa. 7