FÍSICA – UNIDADE 1 – DO SOL AO AQUECIMENTO
2. A ENERGIA NO AQUECIMENTO /
ARREFECIMENTO DE SISTEMAS
Escola Secundária Maria Lamas – Torres Novas
Física e Química A – 10º Ano
Nelson Alves Correia
Objectivos
Distinguir os mecanismos de condução e de convecção.
Relacionar quantitativamente a condutividade térmica de um
material com a taxa temporal de transmissão de energia como
calor.
Distinguir materiais bons e maus condutores do calor com base
em valores tabelados de condutividade térmica.
Interpretar a 1ª Lei da Termodinâmica a partir da Lei Geral da
Conservação da Energia.
Compreender situações em que a variação da energia interna se
faz à custa de trabalho, calor ou radiação.
Objectivos
Interpretar a 2ª Lei da Termodinâmica.
Explicitar que os processos que ocorrem espontaneamente na
natureza se dão sempre num determinado sentido – o da
diminuição da energia útil do Universo (2ª Lei da Termodinâmica).
Calcular o rendimento de processos de aquecimento e
arrefecimento.
Estabelecer balanços energéticos em sistemas termodinâmicos.
Identificar e caracterizar máquinas térmicas.
Conteúdos
Mecanismos de Transferência de Calor: Condução e Convecção
Condutividade Térmica
1ª Lei da Termodinâmica
Tipos de Transformações
Entropia
2ª Lei da Termodinâmica
Máquinas Térmicas
Mecanismos de Transferência de Calor:
Condução e Convecção
A transferência de energia na forma de calor pode ser feita por
condução e convecção.
Os sistemas têm de estar em contacto e com temperaturas
diferentes. A energia transfere-se do sistema com temperatura
mais alta para o sistema a temperatura mais baixa, até se atingir
o equilíbrio térmico.
A condução ocorre nos sólidos.
A convecção ocorre nos fluidos (líquidos, gases e plasma).
Mecanismos de Transferência de Calor:
Condução e Convecção
Na condução não há transporte de matéria, mas apenas o
choque (colisões) entre partículas, em que as de maior energia
interna (energia cinética) transferem parte dessa energia às
partículas vizinhas de menor energia.
Esta transferência de energia ocorre ao longo de todo o sólido
ou entre sólidos que estejam em contacto. Praticamente não
ocorre nos líquidos e nos gases, porque as partículas estão
mais afastadas.
Mecanismos de Transferência de Calor:
Condução e Convecção
Ao aquecermos uma barra de ferro, a chama transfere energia
às partículas do metal. A sua agitação aumenta e chocam umas
com as outras, aumentando a sua energia interna cinética.
Estes choques transferem a energia de uma partícula para outra
partícula, ao longo do metal.
Mecanismos de Transferência de Calor:
Condução e Convecção
Na convecção, o calor é transferido de um local para outro de
um fluido, através do movimento de partículas, que estão a
diferentes temperaturas ou por aplicação de uma força externa.
O fluido quente sobe (é menos denso, porque as suas partículas
têm uma energia interna cinética maior e estão mais afastadas),
obrigando o fluido frio a descer (é mais denso, porque as suas
partículas têm uma energia interna cinética menor e estão mais
próximas), formando correntes de convecção.
Mecanismos de Transferência de Calor:
Condução e Convecção
A convecção ocorre nas estrelas, no interior dos planetas
(magma), nos oceanos, na atmosfera, quando se aquece a água
ou o ar com um radiador.
Mecanismos de Transferência de Calor:
Condução e Convecção
Condutividade Térmica
Bons condutores de calor – Materiais que recebem e libertam
energia na forma de calor mais rapidamente (ex: metais).
Maus condutores ou isoladores de calor – Materiais que
recebem e libertam energia na forma de calor mais lentamente
(ex: madeira, plástico, cortiça, líquidos e gases).
Condutividade térmica (K) – Capacidade ou rapidez que um
material tem de transferir energia na forma de calor.
Condutividade Térmica
Condutividade térmica (K) – Quantidade de energia transferida
como calor que passa, por segundo, através de uma barra de um
material com um metro de comprimento (L) e um metro quadrado
de secção (A), quando a diferença de temperatura entre as
extremidades da barra é de 1 ºC (∆) ou 1 K (∆T).
A unidade SI de condutividade térmica é W m-1 K-1, mas utiliza-se
muito o W m-1 ºC-1.
Condutividade Térmica
A condutividade térmica do cobre é 398 W m-1 ºC-1, a 27ºC.
Isto significa que, numa barra de cobre com um metro de
comprimento e um metro quadrado de secção, verifica-se
uma diferença de 1 ºC entre as suas extremidades, quando
são transferidos 398 J de energia, como calor em cada segundo.
Condutividade Térmica
Condutividade Térmica
Os materiais com uma condutividade térmica baixa são os
melhores isoladores térmicos para as casas:
Madeira e cortiça no revestimento interior das paredes;
Lã de vidro no revestimento do telhado.
As paredes duplas, vidros duplos e janelas calafetadas
também são uma boa forma de isolamento térmico das casas.
Assim, a energia transferida do exterior para o interior,
e do interior para o exterior da casa, diminui muito e
poupa-se energia no aquecimento e arrefecimento da casa.
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica – A energia total transferida na forma
de calor (Q), trabalho (W) e radiação (R), entre um sistema não
isolado e a sua vizinhança, é igual à variação da energia interna
(∆Ei) desse sistema:
∆Ei = Q + W + R
Ou desprezando a radiação:
∆Ei = Q + W
1ª Lei da Termodinâmica
Quando a energia interna aumenta (∆Ei > 0), porque o sistema
recebe energia, o seu valor é positivo.
Quando a energia interna diminui (∆Ei < 0), porque o sistema
perde energia, o seu valor é negativo.
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
Enquanto um ovo está a ser estrelado, recebe 100 J de energia
da frigideira e transfere para a sua vizinhança 80 J, por radiação.
Tipos de Transformações
Transformação isobárica – Ocorre a pressão constante:
∆Ei = W = - p x ∆V (ex: aquecimento – W > 0 – ou arrefecimento
– W < 0 – de um líquido ou gás num sistema aberto).
Transformação isocórica – Ocorre a volume constante:
W = 0 e ∆Ei = Q (ex: aquecimento e arrefecimento de um líquido
numa garrafa fechada).
Transformação isotérmica – Ocorre a temperatura constante:
∆Ei = 0 e W + Q = 0 Se W > 0 então Q < 0
(ex: compressão e expansão lenta de um gás, agitação mecânica).
Transformação adiabática – Não há transferência de energia
como calor: ∆Ei = W
(ex: compressão e expansão rápida de um gás)
Tipos de Transformações
Transformação irreversível – O sistema não pode voltar ao estado
inicial (ex: pedra a cair, prato a partir-se, furacões, tornados,
relâmpagos e apodrecimento da fruta). Estas transformações
ocorrem na natureza e são espontâneas.
A transferência de energia na forma de calor é uma transformação
irreversível, pois só ocorre do corpo quente para o frio, até os dois
corpos atingirem o equilíbrio térmico.
Tipos de Transformações
Transformação reversível – O sistema pode voltar ao estado inicial.
Para que estas transformações ocorram (não são espontâneas)
é necessário realizar trabalho e/ou fornecer energia na forma
de calor.
Para que a clara do ovo passe ao estado de clara batida em castelo
é necessário utilizar uma batedeira que realize trabalho sobre o
sistema. Passado algum tempo, a clara batida desfaz-se
e volta ao estado líquido, tal como se encontrava inicialmente.
Entropia
Entropia (S) – Medida da desordem de um sistema;
Medida da energia dissipada de um sistema, que não é utilizável
na realização de trabalho.
Nas transformações irreversíveis e espontâneas,
a desordem e a entropia dos sistemas aumentam (∆S > 0).
A entropia do Universo está a aumentar e a sua energia útil
está a diminuir.
Nas transformações reversíveis, a entropia do sistema diminui
(ΔS < 0) ou não varia (ΔS = 0 – ex: pêndulo em movimento).
2.ª Lei da Termodinâmica
É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema
a temperatura mais baixa para outro sistema a temperatura
mais alta.
Numa transformação irreversível e espontânea, a energia útil
do sistema diminui (parte da energia é dissipada) e a entropia
aumenta.
É impossível receber energia como calor e transformá-la
totalmente em trabalho (parte da energia é dissipada).
Máquinas Térmicas
As máquinas térmicas transformam calor em trabalho
(ex: motor de um automóvel, turbina e máquina a vapor).
Parte da energia fornecida à máquina na forma de calor (QQ)
é aproveitada para realizar trabalho (energia útil) e outra parte
é dissipada (QF) para a vizinhança como calor.
Máquinas Térmicas
Rendimento da máquina térmica – Percentagem de energia que
é aproveitada como trabalho. É sempre inferior a 100 %, porque
estas máquinas não transformam toda a energia recebida em
trabalho, dissipando uma parte para a sua vizinhança.
Máquinas Térmicas
Segundo a lei da conservação da energia:
QQ = |W| + |QF|
|W| = QQ - |QF|
Substituindo W em  = (W/QQ) x 100 temos:
Máquinas Térmicas
Máquinas Térmicas