Aulas Multimídias Santa Cecília Profº Rafael Rodrigues Disciplina: Física Série: 1º Ano EM

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CALORIMETRIA

TEMPERATURA Todo corpo que esteja a uma temperatura acima do zero absoluto é constituído de partículas que estão em movimento: A temperatura de um corpo reflete a rapidez com se movem ou vibram as partículas em um gás, em um líquido ou em um sólido

Em um vaso de água: Todas as partículas que a compõem estão em contínuo movimento. As moléculas no vaso de água a 50 0 C apresentam energia cinética média maior que as moléculas no vaso de água a 25 0 C.

Temperatura mede a energia cinética das partículas que compõem o sistema e não depende do número de partículas que o constituem

ENERGIA INTERNA (U) A energia interna (microscópica) de um sistema tem duas componentes: A energia cinética (de vibração, rotação e/ou translação) das partículas do sistema, cujo valor médio está relacionado com a temperatura do sistema; A energia potencial, que está associada com as interações entre as partículas e com as ligações existentes. A energia interna de um sistema é o somatório das energias cinéticas e potenciais de todas as partículas que o constituem, dependendo, por isso: da temperatura que o sistema se encontra; da massa do sistema. energias Energia cinética microscópica Energia potencial, associada às ligações entre as moléculas e entre os átomos.

400 000 Joules aumenta de 1 0 C a temperatura do café contido em 1000 canecas. 400 Joules aumenta de 1 0 C a temperatura do café contido em uma caneca. Vamos elevar a temperatura de uma caneca de café da temperatura ambiente para 100 0 C. Depois vamos aumentar a temperatura de 1000 canecas de café da temperatura ambiente para 100 0 C. No final a temperatura será a mesma, mas a quantidade de energia necessária é muito diferente. 1000 canecas de café a uma temperatura de 100 0 C apresentam muito mais energia que 1 caneca de café a 100 0 C.. Dois corpos podem apresentar a mesma temperatura e possuírem energias internas diferentes

CALOR HAVERÁ TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA: A transferência de energia cessa quando os dois corpos ficam à mesma temperatura Nesta situação os dois corpos encontram-se em Equilíbrio Térmico

Calor é a forma macroscópica na qual a energia passa de um sistema físico para outro devido unicamente a uma diferença de temperatura. T 1 T 2 T 1 T 2 T 3 T 3 T 1 > T 2 Energia que flui corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura = calor Equilíbrio térmico Calor é a energia térmica em trânsito, entre dois corpos ou sistemas, decorrente apenas da existência de uma diferença de temperatura entre eles.

LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Se dois corpos, A e C estiverem, separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, B, então estarão em equilíbrio térmico entre si.

O EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR No princípio do século XIX, um físico inglês, chamado James Prescott Joule, estabeleceu a relação precisa entre calor e energia mecânica. Joule utilizou uma roda com paletas ( que estavam dentro de um cilindro com água), conectadas a um conjunto de polias, com pesos nas suas extremidades. Quando os pesos caem, as paletas giram. O giro das paletas faz com que a temperatura da água aumente. Com essa experiência Joule determinou que o equivalente mecânico do calor é: 1 cal = 4,186 J 1 caloria é a quantidade de energia que se deve fornecer a 1 grama de água para elevar sua temperatura de 14,5 0 C para 15,5 0 C.

PROPAGAÇÃO DO CALOR Mecanismos de transmissão de calor CONVECÇÃO: transferência de energia mediante a mistura de diferentes partes do material: se produz misturando e trocando matéria. CONDUÇÃO: transferência de energia de uma porção de matéria à matéria adjacente por contato direto, sem troca, mistura ou fluxo de qualquer material. RADIAÇÃO: transferência de energia através de ondas eletromagnéticas, emitidas por corpos de alta temperatura e absorvidas por corpos de baixa temperatura.

CONDUÇÃO É o mecanismo de propagação de calor que predomina em sólidos. CALOR http://www.gcsescience.com/pen5.htm Quando a extremidade da esquerda é aquecida, as partículas dessa região passam a vibrar mais. Chocando-se com as partículas vizinhas; o aumento de vibração é transmitido para todo o corpo. Como o metal é melhor condutor de calor que a madeira, ao tocarmos o metal perderemos mais calor que ao tocarmos a madeira. Assim, o metal dá a sensação de ser mais frio que a madeira.

CONVECÇÃO É o mecanismo de propagar calor que predomina em líquidos e gases. É um fenômeno de transporte de matéria e energia que tem sua origem na diferença de densidades. Quando um líquido ou um gás é aquecido ele aumenta de volume e sua densidade diminui. Se uma camada de material mais fria e mais densa se encontra acima do material quente, o material quente sobe e o material frio desce para ser aquecido. Água quente sobe Água fria desce CALOR CORRENTES DE CONVECÇÃO

A convecção ajuda a aquecer casas e esfriar motores de carro. mistura quente radiador Ar fria água quente mistura fria

Perto da orla costeira, a convecção é responsável pela brisa do mar. Como o calor específico da areia é menor que o calor específico da água, durante o dia, a areia fica muito mais quente que o oceano. A brisa do mar é criada quando o ar quente sobre a terra se eleva devido à convecção e é substituído por um ar mais frio do oceano. De noite, a areia e o oceano perdem calor, mas a areia esfria mais que o oceano. O oceano fica mais quente e uma brisa terrestre ocorre.

RADIAÇÃO É o mecanismo de propagar calor através de ondas eletromagnéticas que ocorre mesmo no vácuo.

GARRAFA TÉRMICA O vácuo diminui as trocas de calor por condução e convecção. As paredes espelhadas diminuem a as trocas de calor por radiação.

CAPACIDADE TÉRMICA (C) 1 kg água 2 kg água Quantidades diferentes de água, recebendo a mesma quantidade de calor, sofrem variações de temperaturas diferentes. Seria necessário fornecer duas vezes mais calor a 2 kg de água para causar a mesma variação de temperatura que foi causada em 1 kg de água. A capacidade térmica (C) de um corpo mede a quantidade de calor que deve ser fornecida ou retirada do corpo para causar uma certa variação de temperatura: onde: Q = quantidade de calor dada ou retirada. ΔT = variação de temperatura Unidade: cal/ 0 C

1 kg água 2 kg água Se quisermos causar em 2 kg de água a mesma variação de temperatura causada em 1 kg, devemos fornecer (ou retirar) duas vezes mais calor. Logo, a capacidade térmica de 2 kg de água é o dobro da de 1 kg. A grandeza capacidade térmica não é característica da substância. Quanto maior a quantidade de uma certa substância, maior sua capacidade térmica Quanto maior a capacidade térmica de um corpo, mais calor é necessário fornecer ou retirar do corpo para aumentar ou diminuir sua temperatura.

CALOR ESPECÍFICO (c) 1 kg água 2 kg água A capacidade térmica de 2 kg de água (m 2 ) é o dobro da capacidade térmica de 1 kg de água (m 1 ): C2 C1 C 2 = 2.C 1 e m 2 = 2.m 1 m2 m1 O quociente entre a capacidade térmica de um corpo e a massa do corpo é típico da substância que constitui o corpo. Esse quociente é chamado de calor específico do corpo (c): Unidade: cal/g. 0 C

O calor específico de uma substância é a quantidade de calor necessária para aumentar de 1 0 Celsius a temperatura de 1 g da substância. 20 C 21 C 1 g calor específico O calor específico é típico da substância. Quanto maior o calor específico da substância, mais calor é necessário fornecer para aumentar a temperatura ou mais calor é necessário retirar para diminuir a temperatura.

A temperatura do ouro sobe rapidamente, em comparação com a água porque seu calor específico é menor do que o calor específico da água

1 g de água a 10 0 C recebe 4J de calor Temperatura aumenta 11 0 C 1 g de ouro a 10 0 C recebe 4J de calor Temperatura aumenta 41 0 C O calor específico da água é maior que o do ouro. É necessário fornecer mais calor à água para que ela sofra a mesma variação de temperatura que o ouro.

Por que a água tem calor específico maior que os metais? ÁGUA METAL Moléculas da água apresentam ligações fortes uma com as outras. Os metais apresentam ligações mais fracas. É necessário mais energia para quebrar as ligações entre as moléculas da água.

Vamos fornecer 1 cal de calor a 1g de prata e a 1 grama de alumínio. A prata aquece mais. PRATA átomos mais pesados, menos átomos por grama ALUMÍNIO átomos mais leves, mais átomos por grama O calor específico do alumínio é maior que o da prata porque o alumínio tem mais átomos por grama que a prata. Prata energia é espalhada para menos átomos mais energia por átomo Alumínio energia é espalhada para mais átomos menos energia por átomo maior aumento de temperatura menor aumento de temperatura

Quantidade de Calor Sensível Q = m. c. ΔT Quantidade de calor sensível Quando a quantidade de calor provocar mudança de temperatura, ela é chamada de quantidade de calor sensível. Se o corpo recebe calor: Q > 0. Se o corpo cede calor: Q < 0.

MUDANÇAS DE FASE Sublimação Fusão Vaporização Sólido Solidificação Líquido o Liquefação Gasoso Sublimação OBS:. Os fenômenos de fusão e os de vaporização acontecem sempre devido ao recebimento de calor, enquanto a solidificação e a liquefação ocorrem devido à perda de calor.

Quantidade de calor latente Quantidade de energia térmica recebida ou cedida por um corpo, para exclusivamente mudar de estado físico. Q L = m.l L : Calor Latente L > 0 absorve calor durante a mudança L < 0 cede calor durante a mudança Indica a energia necessária para uma unidade de massa mudar de estado físico sem variar sua temperatura. Unidade (S.I) J/kg (prática) cal/g

CURVAS DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO As curvas de aquecimento ou resfriamento fornecem a variação de temperatura de um corpo em função da quantidade de calor recebida ou cedida pelo corpo. ΔT ΔT 3 ΔT 2 Líquido ΔT 1 Sólido + Líquido + Vapor Gasoso Sólido líquido Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q recebida

Observando o gráfico anterior, temos: Q 1 = m.c sólido. ΔT 1 Q 2 = m.l f Q 3 = m.c líquido. ΔT 2 Q 4 = m.l V Q 5 = m.c gasoso. ΔT 3 (Calor Sensível) (Calor Latente de Fusão) (Calor Sensível) (Calor Latente de Vaporização) (Calor Sensível) Q total = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5

POTÊNCIA É a grandeza que expressa a quantidade de energia fornecida por uma fonte a cada unidade de tempo. É a rapidez com a qual uma certa quantidade de energia é transformada. Q Unidades usuais Unidades do SI P t Q...cal...Joule (J) t...minuto (min)......segundo (s) P cal/min. Watt (W) = J/s

TROCAS DE CALOR Se vários corpos, no interior de um recipiente isolado termicamente, trocam calor, os de maior temperatura cedem calor aos de menor temperatura, até que se estabeleça o equilíbrio térmico. E de acordo com o princípio de conservação temos: Q Q Q... Q 0 1 2 3 n

SISTEMA ISOLADO Q Q 0 recebida cedida Q recebida Q cedida