14/06/2012 23:06
TERMODINÂMICA
Prof. Marcelo Beling
14/06/2012 23:06
Definições – Energia Interna
Em escala microscópica, qualquer
material é composto por átomos
Esses átomos não são fixos: Em um
sólido ou em um líquido, eles vibram.
Em um gás, eles estão sempre com
um movimento de translação.
A energia interna de um corpo
é a soma da energia de cada um
dos átomos desse corpo.
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Definições – Temperatura
• Temperatura é uma medida da energia interna de um líquido, gás ou
sólido.
• Quanto maior a velocidade dos átomos, maior a temperatura do corpo
formado por eles.
T = 60º
T = 20º
T2
T1
T1 = T2
FLUXO DE
ENERGIA
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Definições - Calor
• “Calor é a energia em trânsito de um corpo de maior temperatura para um
corpo de menor temperatura”
Os corpos possuem calor?
Não! Calor não é uma propriedade que um corpo pode ter ou não. Calor é uma
forma na qual dois corpos trocam energia!
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Transferência de calor - Condução
É a forma na qual dois corpos diferentes que estão em contato trocam
calor.
Ocorre principalmente entre sólidos.
T1
FLUXO DE
ENERGIA
T2
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Sensação térmica
• A sensação térmica
depende da
temperatura, mas não
depende só dela.
• A sensação térmica
depende
principalmente da
RAPIDEZ na qual
você troca calor com o
meio.
• Essa rapidez depende
da diferença de
temperatura e da
CONDUTIVIDADE
TÉRMICA do material
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Transferência de calor - Convecção
• Necessita de um meio material
• Não ocorre no vácuo
• Só ocorre em gases e líquidos
• A chaleira não está em
equilíbrio térmico
• A temperatura é maior mais
próximo à chama
• Essa diferença de temperatura
gera uma “CORRENTE DE
CONVECÇÃO”
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Convecção – Brisa durante o dia
• Durante o dia, a
areia absorve mais
calor que o mar,
aumentando mais
sua temperatura
• Então, o ar que
está sobre a praia
está com maior
temperatura. Logo,
ele se expande.
• O ar que estava
sobre o mar se
desloca para a
praia.
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Convecção – Brisa durante a noite
• Durante a noite, a
praia esfria mais
rapidamente que
a areia
• O ar sobre o mar
está mais quente
que o mar sobre a
areia.
• O ar que está
sobre a praia se
desloca para o
mar.
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Convecção - Geladeira
• O congelador fica posicionado
na parte de cima.
• Por condução, ele absorve
calor do ar que está em
contato com ele.
• Por estar cedendo calor, essa
massa de ar diminui sua
temperatura
• Dessa forma, o ar mais frio
desce, e o ar menos frio sobe
para preencher o espaço que
ele deixou.
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Transferência de calor - Radiação
• Não necessita de um meio material
• É o único mecanismo de troca de calor que ocorre no
vácuo
• A troca de calor se dá por radiação infravermelha
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Formas de Transferência de Calor
• Condução:
• Ocorre principalmente entre sólidos
• Não ocorre no vácuo
• Convecção:
• Ocorre principalmente entre
líquidos e gases
• Não ocorre no vácuo
• Radiação:
• Ocorre no vácuo
T2
T1
T1 > T2
FLUXO DE
ENERGIA
14/06/2012 23:06
A Garrafa Térmica
A tampa impede a troca de
calor do meio por
condução, pois o conteúdo
da garrafa não entra em
contato com o meio externo
As paredes espelhadas fazem com
que a radiação infravermelha emitida
pelo líquido quente reflita e volte para
o interior da garrafa. Como a radiação
não sai da garrafa, não ocorre
transferência de calor por radiação
O ar rarefeito entre a parede
interna e a parede externa da
garrafa térmica faz com que não
haja troca de calor por convecção,
pois a troca de calor por convecção
necessita de um gás ou líquido,
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1) Ainda nos dias atuais, povos que vivem no deserto usam roupas de lã
branca como parte de seu vestuário para se protegerem do intenso calor, já
que a temperatura ambiente pode chegar a 50ºC durante o dia. Para nós,
brasileiros, que utilizamos a lã principalmente no inverno, a atitude dos povos
do deserto pode parecer estranha ou equivocada, contudo ela pode ser
explicada pelo fato de que:
a) a lã é um excelente isolante térmico, impedindo que o calor externo chegue
aos corpos das pessoas e a cor branca absorve toda a luz evitando que ela
aqueça ainda mais as pessoas.
b) a lã é naturalmente quente e, num ambiente a 50ºC, ela contribui para
resfriar um pouco os corpos das pessoas.
c) a lã é um excelente isolante térmico, impedindo que o calor externo chegue
aos corpos das pessoas e a cor branca reflete toda a luz diminuindo assim o
aquecimento da própria lã.
d) a lã é naturalmente quente, e o branco é uma “cor fria.” Esses fatos
combinados contribuem para o resfriamento dos corpos daquelas pessoas.
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02. (UNISA-SP) Uma panela com água está sendo aquecida num
fogão. O calor das chamas se transmite através da parede do fundo da
panela para a água que está em contato com essa parede e daí para o
restante da água. Na ordem desta descrição, o calor se transmitiu
predominantemente por:
a) radiação e convecção
b) radiação e condução
c) convecção e radiação
d) condução e convecção
e) condução e radiação
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03. (UFES) Para resfriar um líquido, é comum colocar a vasilha que o contém
dentro de um recipiente com gelo, conforme a figura. Para que o resfriamento
seja mais rápido, é conveniente que a vasilha seja metálica, em vez de ser de
vidro, porque o metal apresenta, em relação ao vidro, um maior valor de:
a) condutividade térmica
b) calor específico
c) coeficiente de dilatação térmica
d) energia interna
e) calor latente de fusão.
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Relações entre calor e temperatura
• Como varia a temperatura de um corpo quando ele
recebe ou cede calor?
• Como dois corpos diferentes reagem ao receberem a
mesma quantidade de calor?
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Calor x Temperatura
• 1 – Capacidade térmica: É a quantidade de calor
necessária para variar a temperatura de um objeto em
1ºC. Depende do material do objeto e de sua massa
• [C] = cal/g
• 2 – Calor Específico: É a quantidade de calor para variar
a temperatura de uma grama de um determinado material
em 1ºC. Depende só do material.
• [c] = cal/(g*ºC)
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Capacidade Térmica x Calor Específico
. Se transferirmos 200J de
calor para cada um dos
blocos, qual vai variar mais a
sua temperatura?
Ferro
Ferro
A
B
O Bloco A. Como eles
são feitos do mesmo
material, quanto maior a
massa, maior a
capacidade térmica.
Quanto maior a
capacidade térmica,
mais calor é necessário
para variar a
temperatura
14/06/2012 23:06
Capacidade Térmica x Calor Específico
• Ao se transferir 200J de
Mesma Massa!
Ferro
Cobre
calor para cada bloco,
qual deles irá variar mais
sua temperatura?
• O bloco de cobre. Como
os blocos tem a mesma
massa, devemos olhar os
calores específicos.
• Como o calor específico
do cobre é menor, o cobre
precisa de receber menos
calor para variar a sua
temperatura.
14/06/2012 23:06
Capacidade Térmica x Calor Específico
• Então:
• Quanto maior a massa, mais calor o corpo precisa
receber para variar sua temperatura.
• Quanto maior o calor específico, mais difícil é variar
temperatura do corpo, pois para isso ele precisa
receber mais calor para uma mesma variação de
temperatura.
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Exercício:
3. (PUC / MG) (CF-C6-H21) Um bloco de cobre de 3,0 kg
precisa de mais calor para ser aquecido que um bloco
idêntico de 1,0 kg, no mesmo intervalo de temperatura.
Afirma-se que:
a) A área do primeiro bloco é maior, dissipando calor mais
rapidamente.
b) O primeiro bloco tem maior capacidade térmica.
c) O primeiro bloco tem maior calor específico.
d) A condutividade térmica do segundo bloco é menor.
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Mudança de Estado Físico
• Estudamos que ao receber calor, os corpos variam sua
temperatura. Isso sempre acontece? Nem sempre!
• Ao trocar calor, podem ocorrer duas coisas com um
corpo:
• Variar a sua energia interna, e consequentemente sua
temperatura.
• Mudar seu estado físico.
14/06/2012 23:06
Mudança de Estado Físico
14/06/2012 23:06
Mudança de Estado Físico
• Como vimos anteriormente, ao trocar calor com o
ambiente, o corpo pode mudar ou seu estado físico ou
sua temperatura.
• A quantidade de calor que o corpo utiliza para variar sua
temperatura é denominada Quantidade de calor
sensível
• A quantidade de calor que o corpo utiliza para mudar seu
estado físico é denominada Quantidade de calor latente
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Quantidade de calor sensível
•
Quantidade de
calor sensível
Massa do
corpo
Calor específico
do material que
constitui o corpo
Variação de
temperatura
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Quantidade de calor latente
•
Quantidade de
calor transferido
Massa do corpo
Calor latente
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Exemplo: Mudança de fase da água
• Q1 : O calor absorvido pelo gelo é utilizado para variar sua temperatura:
Calor Sensível
• Q2: O calor absorvido é utilizado para o gelo mudar de estado físico:
Calor Latente
• Q3: O calor absorvido pela água é utilizado para variar sua temperatura:
Calor sensível
14/06/2012 23:06
Exemplo: Mudança de fase da água
Calor
Sensível
Calor
Latente
Calor
Sensível
Calor
Sensível
Calor
Latente
14/06/2012 23:06
(UFMG/2009) Num Laboratório de Física, faz-se uma experiência com dois objetos
de materiais diferentes, R e S, mas de mesma massa, ambos, inicialmente, no
estado sólido e à temperatura ambiente.
Em seguida, os dois objetos são aquecidos e, então, mede-se a temperatura de
cada um deles em função da quantidade de calor que lhes é fornecida. Os
resultados obtidos nessa medição estão representados neste gráfico:
Sejam LR e LS o calor latente R e
S, respectivamente, e cR e cS o
calor específico dos materiais, no
estado sólido, também
Respectivamente. Considerando-se
essas informações, é CORRETO
afirmar que
A) cR < cS e LR < LS .
B) cR < cS e LR > LS .
C) cR > cS e LR < LS .
D) cR > cS e LR > LS .
14/06/2012 23:06
Dilatação Térmica
• Quando aquecemos um corpo, aumentando sua energia térmica,
aumentamos o estado de agitação das moléculas que o compõem.
• Estas moléculas precisam de mais espaço e acabam se afastando uma
das outras aumentando o volume do corpo. Este fenômeno é conhecido
como dilatação térmica. A dilatação térmica ocorre não só quando
aquecemos um corpo, mas também quando o resfriamos.
14/06/2012 23:06
Dilatação Térmica
Um trilho de trem é composto por dois
segmentos de um metal, com placas de
madeira entre eles.
Os segmentos de metal dilatam quando
sua temperatura aumenta. Caso eles
não tenham para onde expandir, eles se
deformam!
14/06/2012 23:06
Dilatação Térmica
• Isso não é uma rachadura, e sim uma JUNTA DE DILATAÇÃO.
• Ela fornece um espaço para a ponte se expandir quando ela dilata, evitando
a deformação.
14/06/2012 23:06
Dilatação Linear
• Quando um corpo tem seu comprimento muito maior
que sua largura, o tipo de dilatação que ele sofre ao
variar de temperatura é a dilatação Linear
14/06/2012 23:06
Dilatação Linear
14/06/2012 23:06
Exemplo: Lâmina Bimetálica
• Uma lâmina bimetálica é constituída por um conjunto de
dois materiais com coeficientes de dilatação linear
diferentes.
14/06/2012 23:06
Dilatação Superficial
• Quando o corpo possui duas dimensões próximas (uma
folha de papel , que possui espessura pequena, mas
possui comprimento e largura maiores), ele está sujeito à
dilatação superficial
14/06/2012 23:06
Dilatação Superficial
14/06/2012 23:06
Exemplo: Dilatação de um disco
T = 30ºC
T = 50ºC
14/06/2012 23:06
Exemplo: Dilatação de um anel
T = 50ºC
T = 50ºC
T = 30ºC
14/06/2012 23:06
Exemplo: Dilatação de um anel
T = 30ºC
O Anel dilata como um todo! Se ele
dilata sua superfície externa, ele
também dilata sua superfície interna!
Dessa forma, o orifício também
aumenta!
T = 50ºC
14/06/2012 23:06
• (UFMG – 2006) João, chefe de uma oficina mecânica, precisa encaixar um
eixo de aço em um anel de latão, como mostrado nesta figura:
À temperatura ambiente, o diâmetro do eixo é maior que o do orifício do anel. Sabese que o coeficiente de dilatação térmica do latão é maior que o do aço. Diante disso,
são sugeridos a João alguns procedimentos, descritos nas alternativas abaixo, para
encaixar o eixo no anel. Assinale a alternativa que apresenta um procedimento que
NÃO permite esse encaixe.
A) Resfriar apenas o eixo.
B) Aquecer apenas o anel.
C) Resfriar o eixo e o anel.
D) Aquecer o eixo e o anel.
14/06/2012 23:06
21. (UFMG/97) O coeficiente de dilatação térmica do alumínio (Al) é,
aproximadamente, duas vezes o coeficiente de dilatação térmica do ferro (Fe).
A figura mostra duas peças onde um anel feito de um desses metais envolve um
disco feito do outro. Á temperatura ambiente, os discos estão presos aos anéis.
Se as duas peças forem aquecidas uniformemente, é correto afirmar que
a) apenas o disco de Al se soltará do anel de Fe.
b) apenas o disco de Fe se soltará do anel de Al.
c) os dois discos se soltarão dos respectivos anéis.
d) os discos não se soltarão dos anéis.
14/06/2012 23:06
Revisão:
1. (UFMG-96) Um ventilador ligado provoca a sensação de frescor nas pessoas.
A afirmativa que melhor descreve a explicação desse fenômeno é:
a) o ventilador altera o calor específico do ar.
b) o ventilador aumenta a pressão do ar sobre a pele das pessoas.
c) o ventilador diminui a temperatura do ar.
d) o ventilador retira o ar quente de perto das pessoas.
14/06/2012 23:06
Revisão:
8. (UFMG-96) Caminhando descalço dentro de casa, ao passar da sala, que
tem o chão coberto por tábuas de madeira, para a cozinha cujo piso é de
granito, tem-se a sensação de que o piso da cozinha está mais frio que o da
sala. Essa sensação é devido ao fato de:
a) a capacidade térmica do piso de granito ser menor que a das tábuas de
madeira.
b) a condutividade térmica do piso de granito ser maior que a das tábuas de
madeira.
c) a temperatura do piso da cozinha ser menor que a do chão da sala.
d) o calor específico do granito ser menor que o das tábuas de madeira.
14/06/2012 23:06
Revisão
17. (PUC RS 99) Se, ao fornecermos calor a um sistema, observarmos que a
temperatura permanece inalterada, podemos afirmar que o sistema:
a) é totalmente sólido.
b) é totalmente líquido.
c) está necessariamente em processo de fusão.
d) está necessariamente evaporando.
e) está sofrendo uma mudança de fase.
14/06/2012 23:06
Dilatação Anômala da Água
Estudamos que quando a
temperatura de um material
aumenta, suas dimensões
também aumentam, e que
quando a temperatura de um
corpo diminui, suas dimensões
também diminuem.
Com a água, ocorre um
fenômeno diferente, descrito
no gráfico ao lado.
De 0º até 4º, um aumento na
temperatura da água faz seu
volume diminuir!
14/06/2012 23:06
Dilatação anômala da Água
A dilatação anômala da água é responsável
pelo fato de que os lagos congelam na
superfície!
Quando a água está a 4º, no estado
líquido, seu volume é menor, logo, sua
densidade é maior. Se sua densidade é
maior, ela afunda, deixando a água
próxima a 0º na superfície.
A água a mais fria na superfície se
solidifica e forma uma crosta de gelo.