Sumário. Do Sol ao aquecimento. A energia no aquecimento/arrefecimento de sistemas. A 1ª Lei da termodinâmica pode traduzir-se por:

Transcrição

1 Sumário Do Sol ao Aquecimento Unidade temática 1 1ª Lei da Termodinâmica. Análise de situações em que a variação de energia interna se faz à custa de trabalho, calor e radiação. Capacidade térmica mássica e capacidade térmica. Atividade Prático-Laboratorial APL 1.3 Capacidade térmica mássica. Resolução de exercícios. 1ª Lei da Termodinâmica Pela Lei da Conservação da Energia, que já foi estudada, a energia não pode ser criada nem destruída mas apenas transformada de umas formas para outras. A 1ª Lei da termodinâmica traduz a conservação da energia, relacionando a variação da energia interna com a energia que é transferida, através da fronteira do sistema para a sua vizinhança ou da vizinhança para o sistema. As transferências de energia podem ocorrer sob a forma de calor (Q), trabalho (W) e radiação (R). A 1ª Lei da termodinâmica pode traduzir-se por: 1

2 1ª Lei da Termodinâmica Num sistema isolado, se: o não houver realização de trabalho (W = 0); o não existir fluxo de calor (Q = 0); o não existir emissão e/ou absorção de radiação (R = 0), a variação da energia interna do sistema, ΔE i é igual a: ΔE i = W + Q + R = = 0 ΔE i = 0 A energia interna de um sistema isolado permanece constante. Convenções em termodinâmica A energia interna de um sistema pode aumentar ou diminuir, dependendo das transferências de energia que ocorrem. Convencionou-se que: a energia recebida pelo sistema, vinda da sua vizinhança sob a forma de trabalho, calor e/ou radiação considera-se positiva; a energia cedida pelo sistema à sua vizinhança sob a forma de trabalho, calor e/ou radiação considera-se negativa. 2

3 Convenções em termodinâmica Convenções em termodinâmica Na expressão matemática que traduz a 1ª Lei da Termodinâmica está implícita a convenção de sinais: 3

4 Exemplo prático Exercícios Uma certa massa de um gás expande-se transferindo para o exterior 95,6 cal de energia como trabalho e recebe 200 J de energia como calor. Qual foi a variação da sua energia interna? R: E i = -200,2 J Um gás, contido num recipiente cilíndrico de paredes rígidas que está em contacto com um disco de aquecimento, absorve ,5 cal de energia. Sobre o gás também incide a radiação de um laser que é totalmente absorvida, transferindo-se para o gás J. Durante este processo o gás radia para o exterior 5000 J. Determine a variação de energia interna do gás. Apresente todas as etapas de resolução. R: E i = 1,05 x 10 5 J 4

5 Exercícios Num automóvel, são acionados os travões, que transferem para o solo 0,30 MJ por atrito. Como os pneus ficam a temperatura mais elevada do que as vizinhanças, o automóvel cede também ao solo e ao ar circundante a energia de 0,060 MJ. a) Classifique o modo como cada uma das parcelas de energia referidas é transferida. b) Calcule a variação de energia interna do carro devida àquelas transferências. Respostas: a) Travões: trabalho microscópico; pneus: calor b) E i = -360 kj Um sistema termodinâmico sofre um processo no qual a sua energia interna diminui 100 J. Não houve trocas de energia por radiação, apenas por calor e trabalho. Sabendo que recebeu 100 cal de energia como calor, cedeu ou recebeu energia como trabalho? Em que quantidade? R: W = - 518,6 J (Cedeu 518,6 J como trabalho). Capacidade térmica mássica A capacidade térmica mássica, c, é numericamente igual à quantidade de energia que é necessário fornecer à unidade de massa da substância para que a sua temperatura se eleve de 1K. c = Capacidade térmica mássica Indica o valor da energia necessária para que uma unidade de massa varie a sua temperatura em uma unidade. Unidade (S.I) J kg -1 K -1 (prática) cal g -1 ⁰C -1 5

6 Capacidade térmica A capacidade térmica mede numericamente a quantidade de calor produzida por uma variação unitária de temperatura em um determinado corpo. Q C C m.c T Unidade (S.I) J K -1 (prática) cal ⁰C -1 Como se determina, experimentalmente, a capacidade térmica mássica? A capacidade térmica mássica de uma substância como um metal (ou liga metálica) pode ser determinada, experimentalmente, usando blocos calorimétricos e montando um circuito elétrico adequado. 6

7 Como se determina, experimentalmente, a capacidade térmica mássica? Determinação experimental da capacidade térmica mássica de uma dada substância Depois de realizada a experiência que viste na animação obtiveram-se os seguintes resultados, para o bloco calorimétrico de aço: - Massa bloco calorimétrico de aço = 1,0 kg 7

8 Temperatura/ ⁰C Tratamento dos resultados experimentais Com base nos dados obtidos experimentalmente (e que estão registados na tabela anterior) constrói-se em Excel ou na calculadora gráfica um gráfico dos valores de temperatura em função do tempo. (1) (2) De (1) e (2) e igualando vem: ou y = 0,0802x + 16 Temperatura em função do tempo R² = 0, ,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, tempo/s Tratamento dos resultados experimentais Com base nos valores experimentais, a capacidade térmica mássica do aço é: % r c tab c c tab exp 100 r ,9 % % 3,0% r Valor tabelado para a capacidade térmica do aço, c = 460 J kg -1 k -1 8

9 Porque é que no Verão a areia fica mais quente e a água do mar não? Imagina que poderias escolher o material que encontrarias na praia, em vez de areia. É isso que vais poder fazer nesta interatividade. Conclusões 9

10 Conclusões Porque é que no Verão a areia fica escaldante e a água do mar não? Como a capacidade térmica da água é muito maior do que a da areia, a mesma quantidade de energia transferida provoca um menor aquecimento de água do que aquele que se verifica na areia. Porque é que os climas marítimos são mais amenos do que os continentais? Os climas marítimos são mais amenos do que os continentais porque devido à sua enorme capacidade térmica mássica, a água é capaz de armazenar grandes quantidades de energia ao longo do dia, que aquando do arrefecimento noturno, pode libertar, aquecendo o ar das vizinhanças, como o ar tem uma capacidade térmica mássica muito baixa, um pequeno abaixamento da temperatura da água liberta energia suficiente para o aquecimento duma grande massa de ar, pelo que, assim as regiões costeiras têm temperaturas mais amenas. TPC Exercícios que ficarem por fazer da APSA Aplicações pág ª Lei da Termodinâmica. 10