2. Trocas de calor (capítulo 8*)
Temos sensações térmicas diferentes ao tocarmos o
metal e a madeira de uma mesma cadeira!!!
Eles não estariam em equilíbrio térmico, ou seja,
na mesma temperatura? Por que essas sensações são
diferentes? Por que alguns corpos parecem mais
quentes que outros?
Num cozido, a chance de você queimar a boca com a
batata é maior do que com a carne. Por quê? Não
estariam ambas à mesma temperatura?
* Coleção Física em Contextos, vol. 2.
Existem substâncias más condutoras de
calor (isolantes) e boas condutoras de calor.
3. Trocas de calor (continuação)
Aquecendo quantidades diferentes de massas
2 panelas idênticas, aquecidas em chamas idênticas.
Uma com 1 L (1 kg) de água e a outra com 5 L (5kg).
Em qual delas a água ferverá primeiro?
Em 5 L de água há muito mais moléculas!
Em 1 L, com menos moléculas, cada uma delas recebe mais
calor, atingindo maior grau de agitação.
Quanto maior a massa de um corpo, menor
é a variação da temperatura para um
mesmo aquecimento.
4. Trocas de calor (continuação)
Aquecendo substâncias diferentes
2 panelas idênticas sob chamas idênticas. Uma com 2 L de
água. A outra com 2 L de óleo. Após 3 min. estarão à mesma
temperatura?
NÃO!!!
A qtde de massa é a mesma, o calor fornecido é o
mesmo, mas as substâncias são diferentes.
As substâncias necessitam de diferentes qtdes de calor
para uma mesma variação de temperatura.
5. Trocas de calor (continuação)
Exemplo:
cóleo = 0,31 cal/g.ºC
cágua = 1 cal/g .ºC
O calor específico (c) é a quantidade de
calor necessária para aumentar em 1º C a
temperatura de 1 g da substância.
Ele indica como o calor recebido ou fornecido se
converte em vibração molecular.
6. Trocas de calor (continuação)
Descrição matemática da variação da temperatura com
o fornecimento ou a retirada de calor das
substâncias:
Q = m . c . ∆TQuantidade de calor
em calorias (cal)
Massa em gramas (g)
Calor específico em cal/g.ºC
Variação de
temperatura em ºC
Lembrando: CALOR é uma forma de energia ligada à
agitação de moléculas ou átomos que constituem toda
matéria. TEMPERATURA é a medida desta agitação.
10. Exercícios – p. 219
QUESTÃO 1:
Q (cal) Volume (L)
40000 ___ 0,5
X ___ 2
0,5 X = 40000 . 2
X = 80000
0,5
X = 160000 cal
11. Exercícios – p. 219
Questão 2
1º bloco: Q = 48000 cal , ∆T = 35 ºC
2º bloco: Q = 8000 cal, ∆T = 35 ºc
Se o 2º recebe menos calor e alcança a mesma
temperatura, então ele é MENOR.
E, dividindo 48000/8000 = 6. Assim, conclui-se que o
segundo bloco é 6 VEZES MENOR.
12. Exercícios – p. 219
QUESTÃO 3:
ÓLEO
Q (cal) T (ºC)
300 ___ 5
X ___ 20
5 X = 300 . 20
X = 6000
5
X = 1200 cal
ÁLCOOL
Q (cal) T (ºC)
600 ___ 5
X ___ 20
5 X = 600 . 20
X = 12000
5
X = 2400 cal
13. Exercícios – p. 219
QUESTÃO 4:
Então, o calor específico: c = 0,2 cal/g.ºC
Q (cal) m (g)
90 ___ 450
X ___ 1
450 X = 90 . 1
X = 90
450
X = 0,2 cal
14. Exercícios – p. 219
QUESTÃO 5:
c = 0,42 cal/g.ºC
a) b)
Q (cal) m (g)
0,42 ___ 1
X ___ 200
1. X = 0,42 . 200
X = 84
1
X = 84 cal
Q (cal) ∆T (ºC)
84 ___ 1
X ___ 10
1. X = 84. 10
X = 840
1
X = 840 cal
15. Exercícios – p. 219
QUESTÃO 6:
a) O corpo A é o melhor condutor de calor, pois, ao receber
a mesma quantidade de calor que B, aumentou mais a sua
temperatura.
16. Exercícios – p. 219
QUESTÃO 6:
b) cA = 0,5 cB
Pois, o corpo A teve o
dobro da variação de
temperatura do B.
∆T A = 50 ºC e
∆T B = 25 ºC
17. Exercícios – p. 224/225
QUESTÃO 1:
Q = m.c. ∆T
a) Q = 1 . 0,31 . 1 Q = 0,31 cal
b) Q = 25 . 0,31 . 1 Q = 7,75 cal
c) Q = 100 . 0,31 . (-20) Q = - 620 cal
18. Exercícios – p. 224/225
QUESTÃO 2: Q = m.c.∆T
Q = 250 . 0,12 . (220-20)
Q = 250 . 0,12 . 200
Q = 6000 cal
QUESTÃO 3: Q = m.c.∆T
c = Q
m. ∆T
c = 30
1 . 600
c = 0,05 cal/g.ºC
19. Exercícios – p. 224/225
QUESTÃO 4: Q = m.c.∆T
∆T = Q
m. c
∆T = 1250
50 . 0,25
∆T = 100 ºC
20. Exercícios – p. 224/225
QUESTÃO 5: Q = m.c.∆T
m = Q
c . ∆T
m = -5000
0,5 . (-35-(-10))
m = -5000
0,5 . (-25)
m = -5000
-12,5
m = 400 g
21. Exercícios – p. 224/225
QUESTÃO 6: Potência = 100 cal/min
Pot = E
∆t
E = Pot . ∆t
E = 100 . 25
E = 2500 cal
Q = m . c . ∆T
m = Q
c. ∆T
m = 2500
0,2 . (90-40)
m = 2500
0,2 . 50
m = 2500
10
m = 250 g
22. Trocas de calor (continuação)
Capacidade Térmica (C): quantidade de calor que um
corpo absorve ou cede para aumentar ou diminuir de 1º C
a sua temperatura.
C = m.c ou C = Q/ ∆T (Unidade de medida: cal/ºC)
Por que muitas pessoas preferem cozinhar em panelas de
ferro ao invés das panelas de alumínio? (Ver “Explorando a
Situação”, p.225)
As panelas de Fe demoram mais para esfriar os alimentos que as de Al.
Calores específicos:
cFe = 0,117 cal/g.ºC e cAl = 0,212 cal/g.ºC
O Fe é quase 3 x mais denso que o alumínio. Então: ∆T = Q
m.c
23. Trocas de calor (continuação)
1- Atividade para entregar dia 23/05,
individual: leitura e interpretação da seção "Por
dentro do conceito”. (P. 229)
2 - Exercícios de 1 a 4 (p.228). Entregar no final
da aula, em dupla.
Obs: vejam, antes, os exercícios resolvidos
na mesma página.
24. Trocas de calor (continuação)
Trocas de calor em sistemas térmicos
Calorímetro: recipiente termica-
mente isolado que permite efetuar
medidas de calorimetria.
Ex.: determinar os calores específicos
das substâncias.
Calorímetro ideal: tem capaci-
dade térmica desprezível; não troca
calor com as substâncias no seu interior (sistema adiabático).
|Qrecebido| = |Qcedido| ou
∑ Q recebido + ∑ Q cedido = 0 (zero)
26. Trocas de calor (continuação)
Exercícios resolvidos p. 231
27. Trocas de calor (continuação)
Atividade, entregar em dupla:
1- Exercícios 1 e 5 (p. 232).
2- Com base nas explicações do livro (p. 247/248)
explique, com suas palavras, e exemplifique as três
formas de condução de calor - condução,
convecção e radiação.
28. Trocas de calor (continuação)
Por que as substâncias mudam de estado? (p.232)
Em uma cozinha podemos encontrar:
um freezer a – 15ºC; água fervendo a 100ºC; lâmpada incandescente com
filamento até 3000 ºC; corpo humano a 36,5ºC.
Se submetermos a água a essas temperaturas:
a -15 ºC: congelada; a 0 ºC: em fusão; a 35 ºC: líquida;
a 100 ºC: fervendo; acima desse valor, seria vapor disperso na atmosfera.
a 3000 ºC as moléculas de hidrogênio e oxigênio estariam dissociadas.
Já o ferro:
sólido: até por volta de 1500 ºC.
fusão: por volta de 1500 ºC; vaporização: por volta de 2800 ºC.
29. Trocas de calor (continuação)
Mudança de estados físicos da matéria
Temperatura e Pressão influenciam nestas mudanças.
A temperatura faz com que as moléculas se movimentem com
maior ou menor velocidade;
A pressão deixa as moléculas mais próximas ou mais afastadas.
Referência: www.coladaweb.com
30. Trocas de calor (continuação)
O estado sólido
Partículas muito próximas umas das outras.
Tem forma própria; o volume é definido.
Sólidos se transformam em líquidos ou gasosos
quando aquecidos ou quando a pressão é reduzida.
O estado líquido
Partículas mais afastadas umas das outras do que
no estado sólido. Maior movimento das partículas,
tornando a matéria fluida.
Não tem forma própria; o volume é constante.
31. Trocas de calor (continuação)
O estado gasoso
Partículas bem mais afastadas umas das outras;
grande movimentação.
Não tem forma nem volume definidos.
32. Trocas de calor (continuação)
FUSÃO: passagem do estado sólido para o estado
líquido. A temperatura permanece constante.
(TEMPERATURA DE FUSÃO do gelo: 0ºC, à pressão
de 1 atm)
Ex.: gelo à - 8ºC, receberá calor do ambiente até
chegar à 0ºC. Começará a passar do estado sólido para
o líquido. Tanto o bloco de gelo quanto a água estarão
em 0ºC.
Quando todo o gelo estiver derretido, a temperatura da
água começará a subir, até atingir o equilíbrio térmico
com o meio ambiente.
33. Trocas de calor (continuação)
SOLIDIFICAÇÃO: passagem do estado líquido
para o sólido. A temperatura permanece constante.
(TEMPERATURA DE SOLIDIFICAÇÃO da água:
0ºC, à pressão de 1 atm)
A retirada de calor do corpo líquido, provoca
diminuição na temperatura até o ponto em que os
átomos passam a vibrar segundo uma estrutura
cristalina.
34. Trocas de calor (continuação)
VAPORIZAÇÃO: passagem do estado líquido para o gasoso por
EVAPORAÇÃO ou EBULIÇÃO.
EVAPORAÇÃO: ocorre a qualquer temperatura; processo lento. Ex.
roupas secando nos varais. Moléculas do líquido que escapam da
sua superfície com velocidade que dependente de 3 fatores:
1-quanto maior a temperatura do líquido, maior será a energia das
moléculas que estão próximas à superfície; maior será velocidade
de evaporação.
2-quanto maior for a superfície do líquido em contato com o ar
maior será a velocidade de evaporação. Ex.: líquido em um prato e
em uma garrafa.
3-quanto maior a umidade próxima a superfície do líquido, menor a
velocidade de evaporação; as moléculas que iriam se desprender
encontrarão já o espaço ocupado por outras. Ex: secagem de roupas
em dias úmidos X secos.
35. Trocas de calor (continuação)
EBULIÇÃO: ocorre a uma determinada temperatura,
característica de cada líquido. (TEMPERATURA DE
EBULIÇÃO que permanece constante durante o processo).
Ex: à pressão atmosférica de 1 atm, a água entra em ebulição
à 100ºC e permanece nela enquanto ferve.
36. Trocas de calor (continuação)
CONDENSAÇÃO: É a passagem do estado gasoso para o líquido
que ocorre quando se retira calor de uma substância.
SUBLIMAÇÃO: É a passagem do estado sólido direto para o
estado gasoso, sem passar pelo estado líquido. Ex: naftalina, CO2
sólido, cânfora.
CRISTALIZAÇÃO: É a passagem do estado gasoso direto para o
estado sólido, sem passar pelo estado líquido.
Ex: iodo cristalino aquecido evapora. Se colocado uma superfície
fria logo acima da evaporação o iodo se liga a superfície
formando pequenos cristais (sublimando).
37. Trocas de calor (continuação)
Atenção: a água tem um comportamento diferente
(anômalo) quando aquecida de 0 a 4ºC; seu volume
diminui nessa faixa de temperatura.
Após 4ºC ela comporta-se como as demais substâncias,
ou seja, o volume aumenta quando aquecida.
Lagos congelados: ao atingir 4 ºC, esta porção de água
alcança a sua maior densidade e desce ao fundo do lago. As
camadas superiores, menos densas, continuam sendo
resfriadas até a temperatura de congelamento (0 ºC).
Isto mantém as espécies marinhas vivas.
38. Trocas de calor (continuação)
Transmissão de calor: passagem da energia térmica (calor) de
um local para outro devido a diferença de temperatura entre os
corpos.
1- Condução: ocorre através das partículas
do corpo (meio material); sem este meio,
não há transmissão de calor por condução.
• na região de maior temperatura, as
partículas estão mais energizadas e
vibram com maior intensidade,
transmitindo energia para as vizinhas,
que, passam a vibrar com intensidade
maior, que passam para as seguintes, e
assim sucessivamente.
Ex.: O calor propaga-se através da parede
do forno de uma pizzaria.
39. Trocas de calor (continuação)
2- Convecção: movimento de massas
de fluidos (líquidos ou gases) de
densidades diferentes; não ocorre no
vácuo.
Ex.: aquecedor elétrico – deve ser
instalado na parte superior ou
inferior de uma sala?
- O ar quente (menos denso) sobe,
enquanto o ar frio (mais denso)
desce.
- Pode ser natural (ex. brisas
marítimas/terrestres); ou forçada
(ex. bombas/ventiladores/geladeira).
40. Trocas de calor (continuação)
3- Radiação: por meio de ondas
eletromagnéticas; ocorre no vácuo
também; a energia radiante propaga-
se até o outro, através do espaço que
os separa.
Ex.: a energia solar , a energia emitida
por uma lareira, por uma lâmpada de
filamento etc.
Ondas de rádio, infravermelha,
ultravioleta, luz visível, raios X, raios
gama, etc., pode converter-se em
energia térmica por absorção.
- Só as radiações infravermelhas são
chamadas de ondas de calor.
41. Transmissão de calor na garrafa térmica (vaso de Dewar)
Para que serve?
Como é construída?
- As paredes devem ser adiabáticas (sem
trocas de calor com o meio ambiente).
- Para evitar a saída/entrada de calor por
condução, há uma parede dupla de vidro
(péssimo condutor) entre as quais se faz o
vácuo.
- Para evitar a convecção, deve-se manter
sempre bem fechada a tampa da garrafa.
- Para evitar a radiação, as paredes são
espelhadas: os raios infravermelhos
refletem-se no espelho, retornando ao
meio de origem.
Mas não é perfeita! Atinge o equilíbrio
térmico com o meio ambiente.
43. Máquinas Térmicas (cap. 9, pág.261)
1. Máquinas na História
A necessidade de produção em grande escala gerou novas
formas de trabalho: troca força animal/humana por
máquinas. Desde a Antiguidade; intensificação na Idade
Média; revolução industrial, sec. XVIII, (máquinas a
vapor).
44. Máquinas Térmicas (cap. 9, pág.261)
2. Máquinas Térmicas: dispositivos que produzem trabalho a
partir do calor (térmica mecânica). Ex.: motor de
veículos, máquinas a vapor, etc.
- Máquinas a vapor
100 d.C.: eolípia de Heron de Alexandria.
Séc. XVI: máquinas para bombear água.
Séc. XVII: começam ser usadas
com algum sucesso (Thomas Savery;
Thomas Newcomen; James Watt).
Séc. XIX: Sadi Carnot faz o tratamento teórico/científico
(ciclo de Carnot).
45. Máquinas Térmicas (cap. 9, pág.261)
Ciclo nas máquinas a vapor
1.Na caldeira: transformação isobárica (pressão constante); o gás
realiza trabalho.
2. Na turbina: o gás expande de forma adiabática; diminui pressão
e temperatura.
3. No condensador: o vapor é resfriado; transformação isobárica
em que temperatura e volume diminuem.
4. Na bomba: aumenta a temperatura e pressão da água numa
transformação isovolumétrica (volume constante).
46. Máquinas Térmicas (cap. 9, pág.261)
São dispositivos que produzem trabalho a partir do
calor. Ex.: motores de veículos, máquinas a vapor,
História
1ª Lei da Termodinâmica
Rendimento das máquinas
Ciclo de Carnot
Mortor 4 tempos
2ª Lei da Termodinâmica: é impossível que,
espontaneamente, o calor flua de uma fonte fria para
uma fonte quente.