O que é temperatura, energia interna e energia térmica?
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- Therezinha Angelim Coelho
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1 O CALOR
2 O que é temperatura, energia interna e energia térmica? Temperatura: Vimos que temperatura de um corpo está associada com a energia cinética energia de movimento das moléculas/átomos que constituem esse corpo. Energia interna: A energia interna de um corpo é o somatório de vários tipos de energia existentes em suas partículas. Nesse cálculo, consideramos as energias cinética de agitação, potencial de agregação, de ligação, enfim todas as energias existentes em suas moléculas.
3 Exemplificando: se, na figura abaixo, o termômetro em A indica uma temperatura maior do que o termômetro em B, isso quer dizer que, em média, as moléculas da água em A possuem, individualmente, mais energia cinética estão mais agitadas do que as moléculas em B. Quanto à energia interna? O que podemos afirmar? Nada podemos afirmar; como o recipiente B possui mais água do que A e, portanto, mais moléculas pode até acontecer que ele possua mais energia interna do que A, concorda?
4 É a diferença entre temperatura e energia interna que explica porque duas vasilhas com diferentes quantidades de água, ambas na mesma temperatura inicial, levarão tempos diferentes para ferver, se colocadas para aquecer nas chamas idênticas de um mesmo fogão. A explicação desse fato fica por sua conta, OK?
5 Energia térmica: A energia térmica de um corpo é o somatório das energias cinéticas médias existentes em suas partículas. Aquecimento Temperatura 0 Temperatura > 0 Maior temperatura Maior agitação Maior energia térmica
6 Conceito de calor Extraído do dicionário Aurélio algumas definições de calor: 1. Sensação que se experimenta, em ambiente aquecido, ou junto de um objeto quente. - Estou com muito calor aqui dentro da sala. 2. Qualidade ou estado de quente, quentura. - João queimou o pé no calor da areia da praia. 3. Animação, vivacidade. - No calor da batalha, o adversário fugiu. 4. Afabilidade, cordialidade. - O povo brasileiro tem muito calor humano.
7 Conceito de calor Definição física, extraído do mesmo Aurélio: O calor é uma forma de energia que se transfere de um sistema para outro em virtude de uma diferença de temperatura existente entre os dois. Ela se distingue das outras formas de energia porque só se manifesta num processo de transformação. Vamos considerar os corpos A e B, a seguir, com temperaturas iniciais A e B ( B < A ). A B A B
8 Conceito de calor De início, o corpo A está mais quente que o corpo B. Assim, a energia térmica do corpo A é maior que a energia térmica do corpo B. A B A B O que acontece se A e B são colocados em contato um com o outro? Espontaneamente, parte da energia térmica do corpo A é transferida para o corpo B. À medida que a temperatura do corpo A diminui, a temperatura de B aumenta.
9 Calor A B A B No instante em que as temperaturas de A e B se igualam, dizemos que esses corpos atingiram o equilíbrio térmico. O fluxo de energia térmica de A para B é interrompido e ambos os corpos ficam à mesma temperatura E. Essa energia transferida de A para B é denominada calor. Calor é energia térmica em trânsito entre corpos a temperaturas diferentes.
10 Os processos de transferência de calor Sabemos que calor é a energia térmica que transita entre corpos ou sistemas, a temperaturas diferentes. O calor sempre é transmitido espontaneamente do corpo mais quente para o corpo mais frio. Calor A B A B
11 Os processos de transferência de calor O calor pode ser transmitido de um corpo para outro, ou de um sistema para outro, por três processos distintos. Condução Convecção Irradiação
12 Condução de calor No processo de transmissão de calor por condução, a energia térmica se transmite diretamente de uma partícula para outra (átomo, molécula ou íon) através do material do corpo. Portanto, a condução não ocorre no vácuo.
13 Condução de calor Forças intermoleculares explicando a condução As forças de interação molecular são de origem eletromagnética. As partículas se mantêm coesas devido às forças intermoleculares.
14 Condução de calor Forças intermoleculares explicando a condução Num corpo, duas moléculas vizinhas estão na posição de equilíbrio quando a resultante das forças de interação entre elas é nula. A distância que separa essas moléculas em equilíbrio chamaremos de d 0, conforme o gráfico abaixo que mostra as forças intermoleculares.
15 Condução de calor Forças intermoleculares explicando a condução Para d > d 0 As moléculas se atraem. Para d < d 0 As moléculas de repelem.
16 Condução de calor Forças intermoleculares explicando a condução As moléculas que estão amis próximas da chama, como no exemplo, se agitam e então começam a vibrar com maior amplitude, conseguindo, assim, se aproximarem mais das moléculas vizinhas, intensificando-se as forças repulsivas entre elas. Consequentemente, essas moléculas vizinhas são sacudidas pelas primeiras, passando a um estágio de vibração de amplitude maiores. Assim, o calor é conduzido de molécula para molécula do meio a que elas pertencem.
17 Condução de calor Dependendo do material através do qual ocorre a condução de calor, podemos ter: Bons condutores de calor (maus isolantes térmicos): metais. Dentre os metais, a prata é o melhor condutor de calor, seguida do cobre, do alumínio e do ferro. Maus condutores de calor (bons isolantes térmicos): vácuo, ar, madeira, vidro, isopor, plásticos, gelo, lã, entre outros.
18 Condução de calor
19 Condução de calor
20 Condução de calor
21 Convecção de calor Vamos considerar o aquecimento da água contida em uma panela de alumínio colocada sobre a chama de um fogão a gás.
22 Convecção de calor A água em contato com o fundo da panela se aquece por condução. A água aquecida dilata-se, torna-se menos densa e sobe.
23 Convecção de calor Ao subir, a água quente desloca a água fria da região superior para baixo. A água fria desce e se aquece, e o ciclo se repete.
24 Convecção de calor Na convecção, a energia térmica é, portanto, transmitida por correntes denominadas correntes de convecção, juntamente com porções do material aquecido. As correntes de convecção são originadas pelas diferenças de densidades entre o material quente e o material frio. Para a convecção ocorrer, é necessário que o material possa fluir (formando as correntes de convecção).
25 Convecção de calor Portanto, a convecção pode ocorrer apenas com os materiais fluidos (líquidos, gases e vapores) e nunca acontece com os materiais sólidos. De modo geral, podemos afirmar que: um aquecimento por convecção deve ser feito de baixo para cima; um resfriamento por convecção deve ser feito de cima para baixo.
26 Convecção de calor
27 Convecção de calor
28 Convecção de calor
29 Convecção de calor A formação de brisas
30 Convecção de calor A inversão térmica
31 Convecção de calor A inversão térmica No inverno, a camada de ar quente impede a subida dos gases poluentes. É a inversão térmica.
32 Convecção de calor A inversão térmica
33 Irradiação (radiação) de calor Na irradiação, o calor é transmitido por ondas eletromagnéticas, principalmente pelos raios infravermelhos, também chamados de ondas de calor ou calor radiante. As ondas eletromagnéticas podem ser de diferentes tipos.
34 Irradiação de calor Toda e qualquer onda eletromagnética pode se propagar no vácuo. Por esse motivo, a irradiação é o único processo de transmissão de calor que pode ocorrer no vácuo. Frequência
35 Irradiação de calor Todo corpo sempre emite alguma quantidade de calor radiante, que depende apenas de sua temperatura. A propagação da onda eletromagnética através de um meio material depende de características do meio e da frequência da onda.
36 Irradiação de calor Para um corpo que recebe calor por irradiação, temos: Calor incidente Calor refletido Calor absorvido Calor transmitido Calor incidente = calor refletido + calor absorvido + calor transmitido
37 Irradiação de calor
38 Irradiação de calor Um corpo escuro absorve mais a radiação de calor do que um corpo claro.
39 Irradiação de calor Estufa: o vidro é transparente à energia radiante (radiação solar) e opaco às ondas de calor reemitidas (infravermelho).
40 Irradiação de calor
41 Irradiação de calor O efeito estufa
42 As paredes internas são feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua as trocas de calor por condução; As paredes internas são duplas, separadas por uma região de vácuo, cuja função é tentar evitar a condução e a convecção do calor; O vidro de que são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando as trocas por radiação. Irradiação de calor A garrafa térmica
43 A medida da quantidade de calor Para avaliar o calor Q transferido de A para B usaremos, a partir de agora, a grandeza quantidade de calor, representada por Q. A B A B
44 A medida da quantidade de calor No SI, a quantidade de calor, Q assim como a energia, é medida em joule (J). Entretanto, é mais comum medir a quantidade de calor em caloria (cal) ou quilocaloria (kcal). A A B B 1 cal = 4,186 J 1 kcal = cal Essa relação entre caloria e joule é verificada pela experiência feita pelo próprio Joule.
45 A medida da quantidade de calor Calor sensível e calor latente Quando um corpo, feito de uma substância pura, recebe (ou cede) uma quantidade de calor Q, dois efeitos podem ocorrer, sempre separadamente: A quantidade de calor Q provoca uma variação de temperatura D. Q ou Um corpo feito de uma substância pura A quantidade de calor Q provoca uma mudança de estado físico.
46 A medida da quantidade de calor Calor sensível e calor latente O calor que provoca uma variação de temperatura é denominado calor sensível. O calor que provoca uma mudança de estado físico é denominado calor latente.
47 A medida da quantidade de calor Capacidade térmica Vamos considerar um dado corpo ao qual fornecemos quantidades diferentes de calor, Q 1, Q 2,...,Q n. D 1 D 2 D n Q 1 Q 2 Q n Admitindo que o corpo não sofra mudança de estado físico, a cada quantidade de calor fornecida a ele corresponde uma variação de temperatura D 1, D 2,..., D n.
48 A medida da quantidade de calor Capacidade térmica Portanto, quanto maior a quantidade de calor Q recebida pelo corpo, maior a variação de temperatura D sofrida por ele. Podemos, então, definir uma nova grandeza física associada ao corpo e representada por C, a capacidade térmica do corpo. A capacidade térmica de um corpo indica a quantidade de calor que esse corpo deve receber (ou ceder) para sofrer uma variação unitária de temperatura. Q C = D J/K ou cal/ o C J ou cal K ou ºC
49 A medida da quantidade de calor Capacidade térmica Dizer, por exemplo, que a capacidade térmica de certo corpo é de 20 cal/ o C significa dizer que ele deve receber (ou ceder) 20 cal para sua temperatura aumentar (ou diminuir) em 1 o C. Então: Δθ = 1 o C Δθ = 2 o C Δθ = 3 o C 20 cal 40 cal 60 cal Porém, caso se retirasse calor do corpo, sua temperatura diminuiria.
50 A medida da quantidade de calor Calor específico Já definimos a grandeza física capacidade térmica C de um corpo. Mas do que depende o valor dessa capacidade térmica? Para fazermos tal investigação, vamos considerar corpos com massas diferentes, porém constituídos de um mesmo material: água, por exemplo. C 1 C 2 C 3 m 1 m 2 m 3
51 A medida da quantidade de calor Calor específico C 1 C 2 C 3 m 1 m 2 m 3 Podemos perceber que, para provocar a mesma variação de temperatura nesses corpos, o corpo de maior massa deverá receber maior quantidade de calor.
52 A medida da quantidade de calor Calor específico Assim, o corpo de maior capacidade térmica C é, também, o corpo de maior massa m. Logo, C m Podemos escrever: C = m c constante de proporcionalidade Essa constante de proporcionalidade, que representamos por c, é o calor específico do material do corpo.
53 A medida da quantidade de calor Calor específico O que significa dizer, por exemplo, que o calor específico da água líquida é de 1,0 cal/g.ºc? Ou que o do ferro é de 0,1 cal/g.ºc? Vamos analisar essas informações com cuidado. 1 o C 1 g 1,0 cal 0,1 cal Água 1 g Ferro Observe que, para sofrer a mesma variação de temperatura, massas iguais de água e de ferro devem receber quantidades de calor diferentes. A água deve receber dez vezes mais calor do que o ferro.
54 A medida da quantidade de calor Calor específico
55 A medida da quantidade de calor Calor específico Durante o dia, a temperatura no deserto é muito elevada e, durante a noite, sofre uma grande redução. Isto ocorre em virtude do pequeno calor específico da areia.
56 A medida da quantidade de calor Já definimos a grandeza física capacidade térmica C de um corpo: Q C = D Q = C D (I) Definimos também o calor específico c de um material, tal que: C = m c (II) Substituindo II em I, resulta: Q = C D J ou cal Q = m c D K ou ºC (tanto faz) Kg ou g J/kg.ºC ou cal/g.ºc 19.5 (Equação fundamental da calorimetria)
57 Exemplo 1 Uma fonte térmica de potência constante fornece cal/h para uma amostra de 100 g de uma substância. O gráfico fornece a temperatura em função do tempo de aquecimento desse corpo. Qual o valor do calor específico do material dessa substância?
58 Exemplo 2 Em torno de 1850, o físico James P. Joule desenvolveu um equipamento para medir o equivalente mecânico em energia térmica. Este equipamento consistia de um peso conhecido preso a uma corda, de forma que quando o peso caía, um sistema de pás era acionado, aquecendo a água do recipiente, como mostra a figura.
59 Joule usou um peso de massa M = 10 kg, caindo de uma altura de 5 m, em um local onde a aceleração da gravidade valia 10 m/s². Deixando o peso cair 5 vezes, Joule observou que a temperatura dos 400 g de água do recipiente aumentou em 1,5 C. Encontre a relação, aproximadamente, entre as unidades caloria e joule, isto é, entre o equivalente da energia mecânica com a energia térmica. Dado: calor específico da água: 1 cal/ C.g
60 Equação fundamental da calorimetria Analisemos agora o sinal da quantidade de calor Q. Q = m c D Grandeza sempre positiva Grandeza sempre positiva Por esse motivo, o sinal de Q depende apenas do sinal de D.
61 Equação fundamental da calorimetria D positivo (D > 0) indica aumento de temperatura. Assim: Q = m c D Calor recebido é positivo. D negativo (D < 0) indica diminuição de temperatura. Assim: + + Q = m c D Calor cedido é negativo.
62 Princípio geral das trocas de calor O que acontece quando juntamos dois ou mais corpos inicialmente a temperaturas diferentes? Vamos juntar esses corpos em um recipiente, que denominaremos calorímetro de mistura. Calorímetro: recipiente no qual são realizadas trocas de calor. Calorímetro ideal: calorímetro cuja capacidade térmica é desprezível C = 0 cal/ºc; desse modo, ele pode variar sua temperatura praticamente sem receber ou ceder calor. Se o calorímetro não for ideal, temos que levar em conta sua capacidade térmica C. E a quantidade calor recebida ou cedida pelo calorímetro tem que ser calculada pela fórmula: Q calorímetro = C.Δθ
63 Princípio geral das trocas de calor
64 Princípio geral das trocas de calor Calorímetro adiabático: calorímetro cujas paredes não permitem a passagem de calor, seja de dentro para fora, seja de fora para dentro. Água a 10 o C Q Ferro a 80 o C Calorímetro ideal adiabático
65 Princípio geral das trocas de calor Levando-se em conta as características do calorímetro e o princípio da conservação da energia, obtemos que a quantidade de calor cedida pelo ferro é igual a quantidade de calor recebida pela água: Generalizando: Q água = Q ferro Q água + Q ferro = 0 Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q n = 0 (Princípio geral das trocas de calor)
66 Exemplo 3 Num recipiente termicamente isolado e com capacidade térmica desprezível (calorímetro ideal), misturam-se 200 g de água a 10ºC com um bloco de ferro de 500 g a 140ºC. Qual a temperatura final de equilíbrio térmico? Dados: calor específico da água = 1,0 cal/gºc; calor específico do ferro = 0,12 cal/gºc.
67 Exemplo 4 Em um ritual místico, as pessoas aquecem a água de um caldeirão utilizando sete pedras. As pedras são colocadas em uma fogueira e depois são lançadas no caldeirão com 0,70 L de água a 20ºC. Cada uma das pedras tem, em média, 100 g de massa e se encontram a 300ºC no instante em que são lançadas no caldeirão. No equilíbrio térmico, tem-se uma temperatura de 50ºC. Sendo o calor específico da água igual a 1,0 cl/g ºC e desprezando as perdas de calor para o ambiente e para o caldeirão, qual o calor específico médio das pedras? Dado: densidade da água = 1 kg/l.
68 Exemplo 5 Um calorímetro de capacidade térmica de 10 cal/ºc, à temperatura ambiente (20ºC), foi utilizado para misturar 200 g de um líquido de calor específico 0,79 cal/gºc, a 35ºC, com um bloco de metal de massa 300 g, a 150ºC. Sabendo que a temperatura final atingida foi de 40ºC, determine o calor específico do metal.
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