CALORIMETRIA E TERMOLOGIA

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1 CALORIMETRIA E TERMOLOGIA

2 CALORIMETRIA Calor É a transferência de energia de um corpo para outro, decorrente da diferença de temperatura entre eles. quente Fluxo de calor frio BTU = British Thermal Unit Unidades de calor 1 cal = 4,187 J (no SI) 1 kcal = 1000 cal 1 kcal = 3,9683 BTU

3 CALORIMETRIA Potência ou Fluxo de Calor Se medirmos o intervalo de tempo durante o qual uma fonte térmica (fogão a gás) fornece determinada fonte de calor, definimos potência como: Q Unidades de Potência: J/s = watt (W) (no SI) ou cal/min, cal/s, BTU/h, etc. OBS: 1 W = 3,412 BTU/h BTU/h = 2,931 kw Q t

4 CALORIMETRIA: Calor específico (cp) É a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de 1g de determinada substância, de 1 o C. Essa variação depende de cada substância, por exemplo: O calor específico do ferro é aproximadamente 0,11cal/g. o C, isto significa que 1g de ferro necessita de 0,11 cal para elevar sua temperatura de 20 o C para 21 o C, ou seja, aumentar 1 o C.

5 CALORIMETRIA: Calor específico (cp) Água

6 m t i quente Fluxo de calor Equação fundamental Q m t f da calorimetria frio Q = m.cp.(t f - t i ) ou Q = m.cp. t onde: m = massa do corpo; cp = calor específico; t = t f - t i = variação da temperatura. Observações: Se t f > t i o corpo recebe calor, isto é, Q > 0. Se t f < t i o corpo cede calor, isto é, Q < 0. A capacidade térmica do corpo é: C = m.cp

7 Fases da matéria Fases Força de atração entre os átomos Energia devido às vibrações Temperatura Forma Volume Sólida Fortes Pequena Baixa Definida Definido Líquida Moderadas Moderada Média Variável Definido Gasosa fracas grande Alta Indefinida Indefinido

8 Mudanças de fase Endotérmicas sublimação fusão vaporização Sólido Líquido Gasoso Exotérmicas solidificação sublimação condensação Endotérmicas absorvem calor. Exotérmicas cedem calor.

9 Tipos de Vaporização Evaporação: É um processo lento que se verifica apenas na superfície do líquido, seja qual for sua temperatura. Ex: Pote de barro, álcool na pele, etc. Ebulição: É um processo tumultuoso que ocorre na temperatura de ebulição e que se verifica em toda massa líquida. Depende da pressão. Ex: água fervendo. Calefação: É um processo rápido que ocorre numa temperatura superior a de ebulição. Ex: jogar água numa chapa de fogão bem aquecida (acima de 100 o C).

10 Calor sensível e calor latente Sensível: É o calor que quando fornecido a uma substância ou cedido por ela, provoca apenas variação na sua temperatura. Q quantidade de calor sensível trocada m massa da substância Q = m.cp. T T Tf Ti var iação de temperatura cp calor específico da substância Latente: É o calor que quando fornecido a uma substância ou cedido por ela, provoca uma mudança no seu estado físico (mudança de fase) sem que varie a sua temperatura. Q quantidade de calor latente trocada Q = m.l m massa da substância L calor latente específico

11 Calor sensível e calor latente Figura 1: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança na sua temperatura (calor sensível). Figura 2: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança no estado físico, sem que haja variação na temperatura (calor latente). Figura 3: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança na sua temperatura (calor sensível). Figura 4: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança no estado físico, sem que haja variação na temperatura (calor latente).

12 Curvas de aquecimento e resfriamento Vamos supor que tenhamos, num recipiente, certa massa de gelo inicialmente a -20 C, sob pressão atm. Se levarmos esse sistema ao fogo (figura abaixo), acompanhando como varia a temperatura no decorrer do tempo, veremos que o processo todo pode ser dividido em cinco etapas distintas:

13 Vaporização da água líquida da 100 C aquecimento do vapor acima de 100 C (supondoo confinado a um recipiente) - aquecimento da água líquida de 0 C a 100 C - fusão do gelo a 0 C - aquecimento do gelo de -20 C a 0 C

14 - resfriamento do vapor de 110 C a 100 C - condensação do vapor a 100 C - resfriamento da água líquida de 100 C a 0 C solidificação da água a 0 C resfriamento do gelo abaixo de 0 C

15 TERMOLOGIA: Temperatura É a medida da agitação das moléculas de um corpo. É uma descrição quantitativa para verificar se um corpo é quente ou frio. Corpo quente: maior agitação Corpo frio: menor agitação

16 TERMOLOGIA: Equilíbrio Térmico T A T T B A temperatura de equilíbrio é menor que T A e maior que T B. T A > T > T B

17 TERMOLOGIA: Escalas termométricas Celsius(ºC) 100ºC Ponto de ebulição da água Kelvin(K) 373,15 K Fahrenheit( o F) 212ºF Rankine(R) 671,67 R Ponto de fusão do gelo 0ºC 273,15 K 32ºF 491,67 R Zero Absoluto - 273,15ºC 0 K - 459,67ºF 0R

18 Relação entre as escalas TC TK Celsius( o C) 100 o C Kelvin(K) 373,15 K TF Fahrenheit( o F) 212 o F TR Rankine(R) 671,67 R Temperatura qualquer TC TK TF TR Dividindo-se o denominador por 20: TC 5 0 o C 273,15 K 32 o F TK TF ,67 R TR

19 EXERCÍCIOS 1. (F.M.Pouso Alegre-MG) O termômetro Celsius marca 0 na temperatura do gelo fundente e 100 na temperatura de ebulição da água, sob pressão atmosférica. O termômetro Fahrenheit marca 32 e 212, respectivamente, nessas temperaturas. Quando o termômetro Celsius marcar 40 C, o Fahrenheit marcará: a)8,0 b) 72 c) 104 d) 132 e) (Unimep-SP) Numa das regiões mais frias do mundo, o termômetro indica -76 F. Qual será o valor dessa temperatura na escala Kelvin? a) -333,15 b) 213,15 c) -213,15 d) -103 e) 333,15 3. (U.F. Uberlândia MG) A temperatura normal do corpo humano é, em média, de 36ºC. Se uma pessoa está com 39ºC, qual a sua variação de temperatura na escala Kelvin? a) 36K b) 312K c) 234K d) 39K e) 3K

20 EXERCÍCIOS 4. Numa cidade baiana o termômetro marca 30ºC. Em graus Rankine essa temperatura vale, aproximadamente: a) 303 b) 86 c) 546 d) 492 e) Na escala Rankine, considerando a pressão atmosférica, quanto vale 0 K? a) 491,67R b) -100R c) 212R d) 0R e) 671,67R

21 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 1. Convecção: No processo de convecção quando resfriamos uma parte do fluido, ele diminui de volume, torna-se mais denso e desce. ar frio Ao mesmo tempo, seu lugar vai sendo ocupado pelas camadas menos densas, ou seja, mais quentes, que estão abaixo dela. Assim na convecção existe transferência de calor e de massa. Convecção

22 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 1.1. A lei de resfriamento de Newton Considerando a transferência de calor que ocorre no contato de um fluido em movimento e uma superfície de área A, quando os dois se encontram a temperaturas diferentes, a equação que descreve a taxa de transferência de calor convectiva é conhecida como a lei do resfriamento de Newton e é dada por: h A T T superfície fluido onde: Φ fluxo de calor convectivo, W; h coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m 2.K; onde: A área, m 2. Convecção

23 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 2. Condução: Condução Na condução o processo de transferência de energia se dá através da vibração das moléculas. Essa vibração ocorre sem deslocamento das mesmas. Uma molécula transmite vibração para outra, na medida que são submetidas à variação de temperatura. Assim na condução só existe transferência de calor. O ferro é bom condutor: o calor se propaga rapidamente da extremidade B a extremidade A.

24 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 2.1. Lei da Condução: Condução A quantidade de calor que atravessa uma superfície pelo intervalo de tempo depende da área da parede A, da espessura e, da diferença de temperatura (T2 T1) e da natureza do material que constitui a parede. Para um dado material, a taxa de transferência de calor é tanto maior quanto maior a área A, quanto maior a diferença de temperatura T, e quanto menor a espessura e. O fluxo é diretamente proporcional à área A e à diferença de temperatura T, e inversamente proporcional à espessura e. A T T 2 e 1

25 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Lei de Fourier da Condução: A T T k 2 1 e onde: Φ fluxo de calor condutivo, W; k constante de proporcionalidade e depende da natureza do material, sendo denominada coeficiente de condutividade térmica. Seu valor é elevado para os bons condutores como os metais, e baixo para os isolantes térmicos. Unidade: W/m.K; A área em m 2; e espessura da parede, em m. Condução

26 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Radiação 3. Radiação: A radiação térmica é a energia emitida por toda matéria que se encontra a uma temperatura não-nula. A radiação é transportada por meio de ondas eletromagnéticas. Enquanto a transferência de calor por condução ou convecção necessita de um meio material, a radiação não necessita dele. Se propaga com mais eficiência no vácuo.

27 3. Radiação: Radiação A taxa pela qual a energia radiante é emitida por uma superfície (corpo negro) é chamada por poder emissivo (E), que é expresso pela lei de Stefan-Boltzmann: E T 4 sup onde: E poder emissivo,w/m 2 ; T temperatura absoluta do corpo, K; PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 5, W m2 K4 (constante de proporcionalidade de Stefan-Boltzmann)

28 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 3. Radiação: Radiação O fluxo de calor emitido por um corpo real é menor do que aquele emitido por um corpo negro e é dado por: 4 E T sup onde: ɛ emissividade do corpo e pode ter valores entre 0 e 1. Essa propriedade fornece uma medida da capacidade de emissão de energia de uma superfície com relação ao corpo negro. Depende do material da superfície e de seu acabamento.

29 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 3.1. Irradiação: Radiação É a taxa em que todas as radiações (do sol, de outras superfícies da vizinhança) incidem sobre uma área unitária da superfície.

30 FIM