C m Q C T T 1 > T 2 T 1 T 2. 1 cal = 4,184 J (14,5 o C p/ 15,5 o C) 1 Btu = 252 cal = 1,054 kj

Transcrição

1 A teoria do calórico (~1779) Para atingir o estado de equilíbrio térmico, T 1 T 2 T 1 > T 2 -Substância fluida - invisível - peso desprezível T a quantidade de calórico Esta teoria explicava um grande número de fenômenos, mas não todos! Capacidade calorífica e calor específico Q C T c C m Q mc T 1 cal = 4,184 J (14,5 o C p/ 15,5 o C) 1 Btu = 252 cal = 1,054 kj C água = 1 cal / g o C = 1 kcal / kg o C = 1 kcal / kg K = 4,184 kj / kg K C água = 1 Btu/lb F o

2 C c,, C mc c Mc n n n

3 C hidrogênio = 3,4 cal/g o C c hélio = 1,25 cal/g o C Ex 18-1 Que quantidade de calor é necessária para elevar de 20 o C a temperatura de 3 kg de cobre? Calorímetro: recipiente com água termicamente isolado O calor liberado pelo corpo será: Q m c T T sai c c f ic Q Q entra sai m c c Q c T T m c T T 0 T T m c T T m c T T 0 f m c a entra a ic f a ia a f r r ia f r ia r f ia Ex 18-2 Para medir o calor específico do chumbo, uma pessoa aquece 600 g de granalha de chumbo até a temperatura de 100 o C e depois coloca este conteúdo num calorímetro de alumínio com 200 g de massa, contendo 500 g de água, inicialmente a 17,3 o C. Se a temperatura final do conjunto for 20,0 o C, qual o calor específico do chumbo? (c Al = 900 J/kg K)

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6 Sólidos, Líquidos e Gases Substâncias na natureza 3 fases ou estados Sólida ou líquida ou gasosa Determinada pela T e p Ex.: Nas condições ambientes (24 o C e 1 atm) Fe (sólido) líquido (quando aumenta a T) H 2 O (líquida) gás (quando aumenta a T ou abaixa a p) Quando uma substância passa de uma fase para outra, diz-se que houve uma mudança de fase ou de estado Estudaremos as leis que descrevem o comportamento das substâncias ao mudarem de fase ESTADO SÓLIDO Devido a forte ligação: forma própria e resistência a deformação Cristais

7 Uma mesma substância pode se apresentar em estruturas cristalinas diferentes Fulerenos Onions C 20+2m (m=0,2,3,...) Carbynes Nanotubos Poliênica C C C C Cumulênica C C C C

8 Amorfos quando os átomos não estão distribuídos numa estrutura organizada (vidro, asfalto, plásticos, borracha, etc) ESTADO LÍQUIDO Átomos estão mais afastados. A força de ligação entre eles é mais fraca que nos sólidos Existem pequenas translações dos átomos Propriedades: -podem escoar - não oferecem resistência a penetração - tomam a forma do recipiente - átomos estão distribuídos aleatoriamente ESTADO GASOSO ( já estudamos!)

9 Fornecendo ou retirando calor Varia a agitação molecular 3 E cinética 2 kt A força de ligação entre os átomos é alterada Acarretando modificações na organização e separação dos átomos Ou seja, pode ocasionar uma mudança de fase

10 FUSÃO E SOLIDIFICAÇÃO Leis da Fusão: 1) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a fusão (ponto de fusão) é bem determinada para cada substância. 2) Se um sólido se encontra em sua temperatura de fusão, é necessário fornecer calor a ele para que ocorra a mudança de estado. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de fusão, que é característico de cada substância. 3) Durante a fusão, a temperatura do sólido permanece constante. - Estas leis valem apenas para sólidos cristalinos - Nos amorfos a mudança de fase é gradativa (estados intermediários pastosos) Pontos de fusão e calores latentes de fusão (à p = 1 atm) Substância Ponto de fusão ( o C) Calor latente (cal/g) Platina Prata Chumbo 327 5,8 Enxofre Água 0 80 Mercúrio -39 2,8 Álcool etílico Nitrogênio ,1

11 Ebulição Leis da Ebulição: 1) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a EBULIÇÃO (ponto de ebulição) é bem determinada para cada substância. 2) Se um líquido se encontra em sua temperatura de ebulição, é necessário fornecer calor a ele para que o processo seja mantido. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de vaporização, que é característico de cada substância. 3) Durante a ebulição, apesar de se fornecer calor ao líquido, sua temperatura permanece constante e o vapor que vai sendo formado encontra-se à mesma temperatura do líquido. Pontos de ebulição e calores latentes de vaporização (à p = 1 atm) Substância Ponto de fusão ( o C) Calor latente (cal/g) Iodo Bromo Hélio Água Mercúrio Álcool etílico Nitrogênio

12 VAPORIZAÇÃO Duas maneiras: 1) por Evaporação - a passagem se faz lentamente, a qualquer temperatura. Ex.: secagem de uma roupa molhada 2) por Ebulição - passagem rápida, a uma temperatura bem determinada. Ex.: a p = 1 atm a água começa a ferver aos 100 o C. Evaporação: A qualquer temperatura ocorre agitação das moléculas (v variável) As moléculas de maior velocidade deixam o líquido e as que sobram no líquido possuem v menor. a temperatura do líquido diminui. Velocidade de evaporação: 1) Quanto maior a temperatura, maior a rapidez com que o líquido evapora, isto é, Q a t a v 2 e maior será a probabilidade das moléculas escaparem da superfície livre do líquido; 2) Quanto maior for a área da superfície livre do líquido maior é a probabilidade das moléculas escaparem; 3) Com VENTO, seca mais rápido. Já, com clima úmido, demora mais.

13 A energia necessária para fundir uma substância de massa m sem alterar sua temperatura é: Qf ml f onde L f é o calor latente de fusão da substância Q ml E, para vaporizar: v v Ex 18-3 Qual a quantidade de calor necessária para transformar 1,5 kg de gelo a -20 o C e 1 atm em vapor? 627,6 kj 3385,5 kj 500,2 kj Taxa constante de 1 kj/s 61,5 kj Ex 18-4 Um jarro de 2 litros, com limonada, foi colocado sobre uma mesa de piquenique, ao sol o dia inteiro, a 33 o C. Uma amostra de 0,24 kg de limonada é derramada numa xícara com dois cubos de gelo (cada um com 0,025 kg, a 0 o C). Considere que a xícara é feita com isolante térmico isopor. a) admitindo que não haja perda de calor para o ambiente, qual a temperatura final da limonada? b) qual seria a temperatura final se fossem colocados 6 cubos de gelo?

14 A experiência de Joule e a 1ª Lei da termodinâmica É possível elevar a temperatura de um sistema fornecendolhe calor, ou também realizando um trabalho sobre ele Pesos de 772 lb (1 lb = 4,4482 N) cada Para aumentar 1 o F a uma distância de um pé (30,48 cm) 1 cal = 4,184 J Equivalente mecânico do calor Ex 18-5 Você deixa cair um recipiente com água, termicamente isolado, de uma altura h do solo. Se a colisão for perfeitamente inelástica e toda a energia mecânica se transformar em energia interna da água, qual deve ser a altura h para a temperatura da água aumentar de 1 o C? mc T = mgh h=426m

15 1ª Lei da Termodinâmica Q = 100 J W = 30 J E int = 70 J Generalizando, E int = Q - W sistema Esta é a variação na quantidade de energia interna de um sistema quando uma quantidade de calor é absorvida ou cedida e um trabalho é realizado por este sistema ou sobre ele. Ex 18-6 Realiza-se 25 kj de trabalho sobre um sistema que consiste em 3 kg de água agitando-se essa água por meio de uma roda de palhetas. Durante este período o sistema perde 15 kcal de calor devido a ineficiência do isolamento. Qual a variação da energia interna do sistema?

16 Trabalho positivo e Trabalho negativo Se V final > V inicial (expansão); V>0; (T a +) T realizado pelo sistema Se V final < V inicial (compressão); V<0; (T a -) T realizado sobre o sistema Se V final = V inicial ; V = 0; (T = 0) transformação isovolumétrica A 1 a Lei da Termodinâmica Energia Interna (U) - Energia total existente no interior do sistema ou a soma de todas as energias que um corpo pode ter. Está relacionada diretamente com a temperatura! Quando um sistema vai de um estado inicial à outro final ele troca energia com (absorve ou libera calor Q ou realiza ou é realizado sobre ele trabalho T) U = Q - T Quando uma quantidade de calor Q é absorvida (Q-) ou cedida (Q-) por um sistema, e um trabalho é realizado por este sistema (T+) ou sobre ele (T-) a variação de energia interna ( U) do sistema é dada por U = Q - T

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20 Exemplo Compressão adiabática quase-estática de um gás Uma certa quantidade de ar é comprimida através de um processo adibático quase-estático de uma pressão inicial de 1 atm e um volume de 4 litros a 20 o C para a metade de seu volume original. Calcule (a) a pressão final, (b) a temperatura final e (c) o trabalho realizado sobre o gás.