Termodinâmica
Calor e a Primeira Lei da
termodinâmica
Introdução
Calor
Se pegarmos uma lata de refrigerante e colocarmos sobre a mesa da
cozinha, sua temperatura aumentará até que o equilíbrio térmico seja
alcançado.
Por sua vez se pegarmos uma panela quente e a colocarmos sobre a mesa
a sua temperatura diminuirá até que o equilíbrio térmico também seja
alcançado.
Temos a seguinte situção:
a) a cozinha será considerada o ambiente.
b) A lata de refrigerante ou a panela quente o sistema.
Observação:
se 𝑇𝐴 ≠ 𝑇𝑆 , A temperatura do sistema irá mudar até que o equilíbrio
térmico seja alcançado.
A mudança de temperatura deve-se à troca de energia entre o ambiente e
o sistema. Esta energia é a energia interna (ou energia térmica).
A energia térmica corresponde à soma das energias cinética e potencial,
associadas aos movimentos aleatórios dos átomos, moléculas e outros
corpos que fazem parte do sistema. A energia interna transferida é
chamada de calor. Seu simbolo é Q.
Convenção:
a) O calor é positivo quando a energia interna é transferida do
ambiente (A) para para o sistema (S).
b) O calor é negativo quando a energia intena é transferida do sistema
(S) para o ambiente (A).
𝑇𝐴 > 𝑇𝑆
𝑇𝑆 > 𝑇𝐴
𝑸(−)
A
S
𝑸 (+)
A
S
Medindo o calor
Antes da descoberta de que o calor é energia transferida, ele era
medido em função da sua capacidade de aumentar a temperatura da
água., ou seja, uma “caloria’’ é a quantidade de ccalor necessário para
elevar a temperatura de 1g da água de 14,5 ˚C para 15,5 ˚C.
Obs:
Uma BTU, british thermal unit, é a quantidade calor necessária para
elevar 1 libra de água de 63˚F para 64 ˚F
Em 1948, a comunidade científica definiu que o calor deveria ser
expresso em unidades de energia. Assim 1 cal= 4,1860 J exatamente
e sem referência ao aquecimento da água.
1 𝐽 = 0,2389 𝑐𝑎𝑙 = 9,481 × 10−4 𝐵𝑡𝑢
Capacidade Calorífica
A capacidade calorífica de um corpo ou objeto é uma constante de
proporcionalidade entre o calor e a variação de temperatura que
esta mesma quantidade de calor produzida no corpo.
𝑄 = 𝐶 ∆𝑇 = 𝐶(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 )
Calor específico
A capacidade calorífica de um corpo, C, depende da quantidade de
nassa do corpo. Portanto é conveniente usarmos uma quantidade
calorífica específica ou C/m, que é referida a uma unidade de massa
do corpo.
𝑄 = 𝑐𝑚 ∆𝑇 ∴ 𝑐 = 𝐶/𝑚
Calores Específicos de algumas substâncias à Temperatura
Ambiente
Substância
Sólido
Calor específico
cal/g.˚C
Calor específico
molar
J/Kg.K
J/mol.K
Chumbo
0,0305
128
26,5
Prata
0,0564
236
24,8
Cobre
0,0564
386
24,5
Água doce
1,00
4,190
Água salgada
0,93
3,900
Latão
0,092
380
Vidro
0,20
840
Líquido
Outros materiais
Calor de transformação
Quando o calor é absorvido ou cedido por um sólido, líquido ou gás a
temperatura do corpo não necessariamente varia. Neste caso temos uma
transição de fase. O corpo muda o seu estado físico de uma fase para
outra.
Por exemplo o gelo ao derreter absorvendo calor, e a água ferver sem
mudança de temperatura. Neste caso temos o calor de transformação L.
𝑸 = 𝑳𝒎
Calores de transformação
T(fusão)
Calor de Fusão
T(ebulição)
Calor de Vaporização
Substância
(K)
(kJ/kg)
(K)
(kJ/kg)
Água
273
333
373
2256
Prata
1235
105
2323
2336
Mercúrio
234
11,4
630
296
A primeira Lei da Termodinâmica
O fluxo de calor é uma das maneiras pela qual um sistema pode ganhar
ou perder energia para o ambiente ou vizinhança. Mas existe também
uma outra maneira que é quando o sistema realiza trabalho sobre a
vizinhança mas não há fluxo de calor. Quando o sistema realiza
trabalho sobre a vizinhança dizemos que este trabalho é positivo.
Quando a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema dizemos que este
trabalho é negativo.
Assim:
a) ∆𝑈 = 𝑊 + → 𝑈𝑓 > 𝑈𝑖
b) ∆𝑈 = 𝑊 − → 𝑈𝑓 < 𝑈𝑖
Se considerarmos que simultaneamente nestes processos há troca de
calor entre a vizinhança e o sistema e trabalho pode ser realizado
temos:
∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊
Obs: a variação de energia interna não depende do tipo de processo
que ocorre entre o sistema e a vizinhança
Exemplos de Processos casos especiais
Primeira Lei da Termodinâmica: casos especiais
∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊
Processo
Restrição
Resultado
Adiabático
𝑄=0
∆𝐸 = −𝑊
Volume constante
𝑊=0
∆𝐸 = 𝑄
Ciclo fechado
∆𝐸 = 0
𝑄=𝑊
Expansão livre
Q=𝑊
∆𝐸 = 0
Processo Adiabático
Iso Volumétrico
Expansão livre
Tranferência de calor
Convecção
É o processo no qual o calor é levado de um lugar para outro através do
movimento de camadas de um fluido.
Condução de calor
No proceso de condução de calor não há movimento de material
tomando parte no processo de tranferência.
Radiação