TEMPERATURA Os constituintes da matéria (moléculas, átomos etc.) movem-se continuamente em um movimento de agitação.
É possível associar a existência de uma energia à energia cinética média desses constituintes e à energia potencial média entre os mesmos, sendo essa chama de energia térmica ou energia interna. Temperatura é a grandeza física que mede o grau de agitação das moléculas ou átomos que formam determinado corpo, ou seja, é uma medida de sua energia interna.
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Imagine que um pequeno cubo de metal tem sua temperatura elevada, sendo posteriormente colocado em um recipiente com água à temperatura ambiente. Passado algum tempo, é possível perceber que o cubo tem sua temperatura reduzida enquanto a água se torna um pouco mais aquecida. Nesse caso, temos que tanto o cubo quanto a água no copo estão com a mesma temperatura, atingindo um estado denominado equilíbrio térmico:
O equilíbrio térmico é enunciado na lei zero da termodinâmica: Se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B, e este está em equilíbrio térmico com um corpo C, então A está em equilíbrio térmico com C.
CALOR Quando dois corpos com diferentes temperaturas são colocados em interação, sempre o que tem maior temperatura terá seu valor reduzido, enquanto o de menor temperatura terá sua quantidade elevada. Dessa forma, parte da energia térmica do primeiro corpo é transferida para o segundo. A energia térmica, enquanto é transferida, é denominada calor.
Calor é a quantidade de energia térmica transferida de um corpo para outro devido à diferença de temperatura entre ambos, sempre do corpo com maior temperatura para o corpo com menor temperatura.
Pode-se dizer que calor é a energia em trânsito. Sua unidade de medida no SI é o Joule [J], também sendo comumente utilizada a caloria [cal]. 1 cal = 4,18 J
ESCALAS TERMOMÉTRICAS As três escalas que serão mostradas medem exatamente a mesma quantidade de energia térmica que um corpo possui sua temperatura, porém apresentam valores distintos devido à diferença entre as unidades de medida adotadas 1. Escala Celsius [ o C]: utilizada em quase todos os países do mundo. 2. Escala Fahrenheit [ o F]: usada no Reino Unido, EUA e outros países de língua inglesa.
3. Escala Kelvin [K]: é a escala adotada pelo sistema internacional de medidas (SI). Também é chamada de escala absoluta, pois fornece uma medida que parte da menor temperatura teoricamente possível, o zero absoluto, que simbolizaria o estado em que as partículas que constituem determinado material atingiriam seu nível mínimo de energia térmica, tendo seu menor grau de mobilidade.
Conversão de temperaturas entre escalas termométricas: T 5 C T F 32 9 T K 273,15 5
EXEMPLO 1
DILATAÇÃO TÉRMICA O aumento da temperatura faz com que os contituintes de um corpo se movimentem mais, consequentemente ocupando maior espaço. Uma implicação dessa mobilidade maior é um aumento em seu tamanho, denominado dilatação térmica: De forma análoga, quando a temperatura de um corpo diminui seu tamanho também é reduzido, o que é chamado de contração térmica.
Dilatação Linear: mais perceptível em uma dimensão, o comprimento L: ΔL = L 0. α. ΔT Onde ΔL é a variação do comprimento, L 0 o comprimento inicial e ΔT a variação da temperatura
O coeficiente de dilatação linear α é uma propriedade de cada material, geralmente possuindo um valor maior para os metais, onde a dilatação térmica é mais contudente. A tabela abaixo traz alguns valores de α para algumas substâncias: Substância α ( C -1 ) Substância α ( C -1 ) Álcool etílico 333,33. 10-6 Ouro 13,33. 10-6 Mercúrio 60,66. 10-6 Ferro 12. 10-6 Gelo (0 C) 51. 10-6 Concreto 12. 10-6 Chumbo 29. 10-6 Aço 11. 10-6 Zinco 25. 10-6 Vidro comum 9. 10-6 Alumínio 23. 10-6 Tungstênio 4. 10-6 Latão 19. 10-6 Vidro pirex 3,2. 10-6 Prata 18. 10-6 Diamante 1,2. 10-6 Cobre 17. 10-6 Quartzo fundido 0,5. 10-6
Dilatação Superficial: notável em duas dimensões, a área S: ΔS= S 0. β. ΔT Onde ΔS é a variação da área, S 0 a área inicial e ΔT a variação da temperatura. β, o coeficiente de dilatação superficial, corresponde ao dobro do coeficiente de dilatação linear: β = 2α
Dilatação Volumétrica: ocorre em três dimensões, o volume V: ΔV= V 0. γ. ΔT Onde ΔV é a variação do volume, V 0 o volume inicial e ΔT a variação da temperatura. γ, o coeficiente de dilatação volumétrico, vale o triplo do coeficiente de dilatação linear: γ = 3α
Lâminas Bimetálicas:
EXEMPLO 2
ABSORÇÃO DE CALOR POR SÓLIDOS E LÍQUIDOS * Capacidade Térmica C: Constante de proporcionalidade entre o calor recebido ou cedido por um corpo e a variação de temperatura causada no mesmo: Q = C. T Unidade de medida de C no SI: Joule por Kelvin ~ [J/K] Unidades usuais: cal/k ou cal/ o C A capacidade térmica, apesar do nome, não implica que há um limite para que um corpo receba ou ceda calor.
* Calor Específico c: Quantidade de calor necessária para elevar uma unidade de massa de um corpo em uma unidade de temperatura. Dessa maneira, um corpo com maior calor específico precisa de maior quantidade de calor para que sua temperatura aumente. Substância c (cal/g. C) Substância c (cal/g. C) água 1,00 carbono 0,12 álcool etílico 0,60 ferro 0,11 gelo 0,55 zinco 0,093 vapor d água 0,50 latão 0,092 madeira 0,42 cobre 0,091 alumínio 0,22 prata 0,056 rochas 0,21 mercúrio 0,033 concreto 0,20 ouro 0,032 vidro 0,16 chumbo 0,031
* Calor Específico Molar: 1 mol = 6,02 x 10 23 unidades elementares (átomos, moléculas etc.)
MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO SUBLIMAÇÃO FUSÃO VAPORIZAÇÃO SÓLIDO LÍQUIDO GASOSO SOLIDIFICAÇÃO CONDENSAÇÃO CRISTALIZAÇÃO
As mudanças de estado físico ocorrem em razão do recebimento ou fornecimento de calor por uma substância. Isso faz com que sua temperatura se altere, causando uma dilatação ou contração de tal forma que o corpo não consegue suportar sua estrutura anterior, assim suas moléculas ganham ou perdem mais mobilidade.
Duas formas de quantidade de calor são pertinentes * Quantidade de Calor Sensível: Quantidade de calor relativa à mudança de temperatura: Q = mcδt Onde Q é a quantidade de calor, m a massa, c é o calor específico da substância e ΔT é a variação de temperatura.
* Quantiade de Calor Latente Quando o corpo está mudando de estado físico, ele pode ganhar ou perder calor sem que sua temperatura mude. Nesse caso há o calor latente. Q = ml Onde Q é a quantidade de calor, m a massa e L é o calor de transformação da substância. Por exemplo, para a água: Calor Latente de Vaporização: L v = 559 cal/g = 40,7 kj/mol = 2256 kj/kg Calor Latente de Fusão: 79,5 cal/g = 6,01 kj/mol = 333 kj/kg
As mudanças de estado físico dependem de outros fatores além da alteração de temperatura, como o tipo de substância e a pressão existente no ambiente.
SUBSTÂNCIA PONTO DE FUSÃO ( C) água 0 álcool -114 alumínio 659 cloreto de sódio 800 cobre 1 083 chumbo 327 enxofre 119 estanho 232 ferro 1 535 mercúrio -39 nitrogênio -210 ouro 1 063 oxigênio -219 prata 961
SUBSTÂNCIA PONTO DE EBULIÇÃO ( C) água 100 álcool 78 cobre 2 595 chumbo 1 744 enxofre 445 ferro 3 000 hidrogênio -253 mercúrio 357 nitrogênio -196 ouro 2 966 oxigênio -183 prata 2 212 zinco 918
Diagrama de fase do H 2 O
Diagrama de fase do CO2
EXEMPLO 3
EXEMPLO 4
REFERÊNCIAS Halliday, Resnick e Walker. Fundamentos de Física, volume 2, Gravitação, Ondas e Termodinânica. 9ª edição, editora LTC, Rio de Janeiro, 2010. As imagens e exemplos foram extraídas da fonte acima ou do banco de dados do google. Os gifs foram extraídos de giphy.com.