CALORIMETRIA Calor É a transferência de energia de um corpo para outro, decorrente da diferença de temperatura entre eles. quente frio Unidades de calor 1 cal = 4,186 J (no SI) 1 kcal = 1000 cal Fluxo de calor 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: Unidades de Potência: J/s = watt (W) (no SI) ou cal/min ou cal/s.
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. CALORIMETRIA: Calor específico (cp) Água
Equação fundamental da calorimetria t i t f quente frio m m Fluxo de calor Q 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 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
Mudanças de fase Endotérmicas sublimação fusão vaporização Sólido Líquido Gasoso Exotérmicas solidificação sublimação condensação Endotérmicas absorvem calor. Exotérmicas cedem calor. 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).
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. 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 = m.l EXERCÍCIOS 1.Tem-se 300 g de um certo líquido à temperatura de 30 C. Fornecendo-se 600 cal diretamente a esse líquido, sua temperatura sobe para 35 C. Sabe-se que esse fenômeno é regido pela expressão Q = m.cp.(t f -T i ). Pede-se o valor do calor específico do líquido.
EXERCÍCIOS 2. (Unitau-SP) Um líquido está a -10 C. Se o calor específico desse líquido é 0,5 cal/g. C, uma fonte que fornece 50 cal/min deverá aquecer 100 g desse líquido até atingir 30 C em: a) 10 min b) 25 min c) 40 min d) 50 min Calor sensível e calor latente Figura 1: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança na sua temperatura (calor sens ível). 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 sens ível). Figura 4: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança no estado físico, sem que haja variação na temperatura (calor latente).
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: 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
- 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 EXERCÍCIOS 3. Sendo Ls = -80 cal/g o calor latente de solidificação da água, calcule quantas calorias devem perder 600 g de água líquida, a 20 C, até sua total solidificação. O calor específico da água é 1 cal/g. C. 4. Quantas calorias são necessárias para transformar 100 g de gelo, a -20 C, em água a 60 C? O gelo se funde a 0 C, tem calor específico 0,5 cal/g. C e seu calor latente de fusão é 80 cal/g. O calor específico da água é 1 cal/g. C. Construa a curva de aquecimento do sistema.
EXERCÍCIO RESOLVIDO 5. Temos inicialmente 200 gramas de gelo a -10 C. Determine a quantidade de calor que essa massa de gelo deve receber para se transformar em 200 g de água líquida a 20 C. Trace a curva de aquecimento do processo. (Dados: calor específico do gelo = 0,5 cal/g C; calor específico da água = 1 cal/g C; calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g.)
Curva de aquecimento do processo: 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
TERMOLOGIA: Equilíbrio Térmico T A T B T A temperatura de equilíbrio é menor que T A e maior que T B. T A > T > T B 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
Relação entre as escalas Celsius( o C) 100 o C Kelvin(K) 373,15 K Fahrenheit( o F) 212 o F Rankine(R) 671,67 R Temperatura qualquer TC TK TF TR Dividindo-se o denominador por 20: 0 o C 273,15 K 32 o F 491,67 R 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) 140 2. (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
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) 446 5. Na escala Rankine, considerando a pressão atmosférica, quanto vale 0 K? a)491,67r b) -100R c) 212R d) 0R e) 671,67R PROCESSOS DE 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
Convecção PROCESSOS DE 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: 2. Condução: Condução PROCESSOS DE 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 existe transferência de calor. O ferro é bom condutor: o calor se propaga rapidamente da extremidade B a extremidade A.
PROCESSOS DE 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, e quanto menor a espessura e. O fluxo é diretamente proporcional à área A e à diferença de temperatura, e inversamente proporcional à espessura e. PROCESSOS DE Lei de Fourier da Condução: Condução
3. Radiação: Radiação PROCESSOS DE 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. 3. Radiação: Radiação PROCESSOS DE 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: onde: E poder emissivo,w/m 2 ; T temperatura absoluta do corpo, K;
3. Radiação: Radiação PROCESSOS DE O fluxo de calor emitido por um corpo real é menor do que aquele emitido por um corpo negro e é dado por: 3.1. Irradiação: Radiação PROCESSOS DE É a taxa em que todas as radiações (do sol, de outras superfícies da vizinhança) incidem sobre uma área unitária da superfície.