Apostila Curso de Física 2Ano Módulo 02 Calorimetria

COLÉGIO ESTADUAL NILSON SOCORRO - 2007 CURSO DE FÍSICA

2º Ano Módulo 2

ÍNDICE EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR............................................................................2 Como aumentar a temperatura de um corpo?..............................................................2

MUDANÇAS DE FASE....................................................................... FASE........................................ ............................................................. ................................... .....2 Exercícios de classe......................................................................................................3 Atividades para casa.....................................................................................................4

AS MUDANÇAS DE FASE DA ÁGUA.................................................................................5 Por que, ao se solidificar, a água aumenta de volume?...............................................5 Pressão máxima de vapor e evaporação......................................................................5 Diagrama de fases: ponto triplo....................................................................................5 Gás e vapor: comportamentos diferentes?...................................................................6 Exercícios de classe......................................................................................................6 Leitura: “O ciclo da água na natureza”..........................................................................7

TRANSMISSÃO DE CALOR.................................................................................................8 Condução térmica.........................................................................................................8 Convecção térmica........................................................................................................8 Radiação térmica...........................................................................................................8 Atividades para casa.....................................................................................................9

O ESTADO GASOSO..........................................................................................................10 Como se explica a explosão de um balão metereológico metereológico ao atingir a altitude de aproximadamente 30 km?...........................................................................................10 O estado gasoso e suas transformações....................................................................10 Lei de Boyle-Mariotte Boyle-Mario tte – Transformação isotérmica.................................................... isotérmica...................... .............................. 10 Primeira Lei de Charles e Gay-Lussac Gay-Lussac – Transformação Transformação isobárica.............. isobárica..................... ............. ...... 10 Segunda Lei de Charles e Gay-Lussac – Tranformação isométrica ou isocórica......11 isocórica......11 Lei dos Gases Ideais...................................................................................................11 Teoria cinética dos gases............................................................................................12 Equação de Clapeyron................................................................................................12

BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................13

Elaborado por : Wagner Cardoso Data: Fevereiro / 2007

Versão 2.0

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EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR Como aumentar a temperatura de um corpo? A temperatura de um corpo pode ser aumentada de várias maneiras. Vejamos duas: ● colocá-lo em contato com outro corpo de temperatura superior até que se atinja o equilíbrio térmico; ● executar um trabalho mecânico sobre o corpo, ou seja, pelo equivalente mecânico do calor. Exemplos: quando esfregamos as mãos, elas ficam aquecidas; é possível descongelar bifes através de choques com o batedor de carne; observa-se um aquecimento em pregos quando eles recebem marteladas. O equivalente mecânico do calor – medido por Joule em 1843 – refere-se à relação entre caloria (unidade usual de calor) e joule (unidade de energia mecânica). A experiência de Joule constatou que 1 cal = 4,18 J.

MUDANÇAS DE FASE São três os estados básicos de agregação da matéria: sólido, líquido e gasoso. A esses estados da agregação denominamos de fases da substância. Características de cada uma das fases: Fase sólida – os sólidos têm volume e forma definidos, são dispostos em um arranjo espacial regular chamados retículos cristalinos, que se repete ao longo de toda a estrutura da substância. Fase líquida – os líquidos têm apenas o volume definido, assume a forma do recipiente que o contém. Fase gasosa – os gases não têm volume nem forma definidas. O processo de mudança de fase envolve trocas de calor, porém, durante o processo, a temperatura permanece constante. O gráfico abaixo ilustra o comportamento da temperatura, medida em graus Celsius, de uma certa quantidade de água.

O quadro a seguir resume essas mudanças de fase:

“O objetivo da educação é a virtude e o desejo de converter-se num bom cidadão. ” Platão Professor Wagner Cardoso

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Calor latente – cada substância, em cada mudança de fase, necessita de uma certa

quantidade de calor, cedido ou recebido, para que ocorra o processo. O calor latente é dado por: L

=

Q m

A unidade de calor latente é cal/g

Exercícios de classe 1. A figura mostra como varia a temperatura de 200 g de uma substância, inicialmente na fase líquida, em função do calor por ela absorvida. a) Qual é o calor específico da substância na fase líquida?

b) determine o substância.

calor

latente

de

vaporização

da

c) Qual é o calor específico da substância na fase de vapor?

2. A figura representa o esquema simplificado da experiência de Joule. O bloco tem massa de 10 kg e está a uma altura H = 120 m. Quando ele cai, produz o movimento das pás, mergulhadas em 1 kg de água. Supondo que toda a variação de energia potencial gravitacional do sistema foi transformada em calor, determine a variação de temperatura da água. Dados: g = 10 m/s2 e 1 cal = 4,18 J.


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Atividades para casa 1. Para que uma pedra de gelo de 3,0 kg (calor latente do gelo = 80 cal/g), inicialmente a 0 ºC, se transforme em água a 0 ºC, é necessário fornecer a ela uma quantidade de calor igual a: a) 240 cal b) 2.400 cal c) 24.000 cal d) 240.000 cal 2. Considerando que à variação da energia potencial gravitacional corresponde uma transformação integral em calor e que g = 10 m/s 2, 1 cal = 4,18 J e c agua = 103 cal/kg· ºC, determine a variação de temperatura da água de uma cachoeira de 50 m de altura no deslocamento desde o topo até a base da cachoeira.

3. Sabendo que a temperatura média do corpo humano é de 36,5 ºC, que quantidade de calor, em calorias, passa do corpo para a água quando uma pessoa ingere 0,5 L de água a 15,5 ºC?

4. (Fuvest-SP) O gráfico representa a variação da temperatura em função do tempo de um corpo sólido ao ser aquecido por uma fonte que libera energia a uma potência constante de 150 cal/min. Como a massa do corpo é de 100 g, seu calor específico, em cal/g · ºC, será: a) 0,75 b) 3,75 c) 7,50 d) 0,80 e) 1,50

5. Colocam-se em uma caneca 20 g de café a 80 ºC e 80 g de leite a 20 ºC. Considerando que o café e o leite possuem o mesmo calor específico, determine a temperatura de equilíbrio do café com o leite.

6. (UFAL) Mistura-se 1 L de água a 20 ºC com 2 L de água a 50 ºC. Admitindo-se que a troca de calor se deu apenas entre os líquidos, pode-se afirmar que a mistura resultante terá temperatura de:


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AS MUDANÇAS DE FASE DA ÁGUA Por que, ao se solidificar, a água aumenta de volume? A maioria das substâncias diminui de volume durante a solidificação e aumenta de volume durante a fusão. Mas com a água, o bismuto, o ferro e o silício ocorre o contrário, por causa da forma da rede cristalina na qual as moléculas se agrupam, formando espaços intermoleculares maiores que nos outros sólidos. Podemos comprovar isso colocando no congelador uma garrafa cheia de água ou refrigerante (que contém grande parte de água): na mudança de fase, o recipiente pode quebrar.

Pressão máxima de vapor e evaporação Por que quando uma pessoa assopra sobre a superfície de um líquido a evaporação aumenta? O sopro retira o vapor que está sobre o líquido, fazendo com que a pressão sobre as moléculas da superfície diminua e, assim, elas passem para o estado gasoso. Pressão máxima de vapor é a pressão exercida por seus vapores quando estes estão em equilíbrio dinâmico com o líquido. Imagine um líquido em um recipiente fechado, no qual existia vácuo inicialmente. O líquido começa a evaporar. Nesse momento, a velocidade de evaporação é maior que a velocidade de condensação. Após algum tempo, a velocidade de evaporação se iguala a velocidade de condensação, é o que chamamos de equilíbrio dinâmico. Diz-se que foi atingida a pressão máxima de vapor. Verifica-se experimentalmente que: ● a pressão máxima de vapor não depende do volume do recipiente; ●

●

nessa situação, o sistema mantém-se em equilíbrio dinâmico: o número de moléculas que escapam do líquido é igual ao número de moléculas que retornam ao seu estado liquido; a pressão máxima de vapor aumenta com a temperatura: a temperaturas elevadas, as moléculas adquirem velocidade maior, escapando da superfície do líquido em maior quantidade, provocando aumento de pressão.

Diagrama de fases: ponto triplo Qualquer substância, dependendo das condições de pressão e temperatura, pode apresentarse em qualquer estado físico. É possível, com dados experimentais, construir para cada substância um gráfico denominado diagrama de fase, cujo traçado é o seguinte: S: fase sólida L: fase líquida V: vapor não saturante T: ponto triplo C: ponto crítico


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Gás e vapor: comportamentos diferentes? Costuma-se denominar vapor a situação em que uma substância se encontra no estado gasoso abaixo da temperatura crítica C  ; e gás a situação em que essa substância se encontra a temperaturas superiores a crítica. No caso do gás carbônico, temos "vapor" para temperaturas abaixo da temperatura crítica, 31 ºC, quando é possível condensá-lo. A temperaturas superiores, torna-se impossível a condensação do CO 2.

Exercícios de classe 1. Ao lado temos o diagrama de fase de uma substância simples. a) A que estados físicos correspondem os pontos A, B e C? b) Qual a mudança de fase que ocorre quando a substância passa do estado A para o estado B? c) A partir de que temperatura a substância não pode mais se condensar? d) Para pressões abaixo de 5,2 atm a substância só pode ser encontrada em quais estados físicos? e) Qual a pressão e a temperatura em que a substância pode ser encontrada nas três fases? f) Supondo que a substância se encontra em equilíbrio nos estados físicos, o que precisaria ser feito para que ela passasse totalmente para o estado líquido?


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2º Ano Módulo 2

Leitura: “O ciclo da água na natureza” Na natureza, a água está continuamente sofrendo mudanças de fase. A esse processo se dá o nome de ciclo da água . A água líquida dos rios, lagos e mares, além da que provém da transpiração das plantas, evapora-se continuamente sob a ação do calor do Sol. Os vapores formados sobem e condensam-se nas camadas superiores da atmosfera, que são mais frias. As gotículas de água resultantes ficam em suspensão no ar, originando as nuvens. Em certas condições, essa água líquida se precipita na forma de chuva, completando então o ciclo. Em algumas situações, porém, pode haver variações nesse ciclo. O vapor de água existente no ar, por exemplo, pode se condensar sem formar nuvem. Há regiões em que essa condensação, quando cai a temperatura, forma o nevoeiro ou neblina – que, assim como as nuvens, é constituído por gotículas de água em suspensão no ar. É comum também a formação do orvalho, em que os vapores de água se condensam sobre superfícies que estão em temperaturas mais baixas, como as superfícies dos vegetais. Quando a temperatura cai muito, o estado sólido da água pode fazer parte do ciclo. A chuva de pedra ou granizo é constituída por pedaços de gelo provenientes de nuvens nas quais houve solidificação das gotículas de água, em razão da temperatura extremamente baixa. A neve é um “nevoeiro sólido”, com a formação da água sólida cristalizada no sistema hexagonal (cristalização lenta), originando flocos. Quando o orvalho se solidifica, por causa do grande abaixamento de temperatura, transforma-se em geada.


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COLÉGIO ESTADUAL NILSON SOCORRO - 2007 FÍSICA: TRANSMISSÃO DE CALOR

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TRANSMISSÃO DE CALOR A transferência de calor – energia térmica em trânsito provocada por uma diferença de temperatura – pode ser feita por meio de três processos distintos: a condução, a convecção e a irradiação.

Condução térmica Por que o alumínio é muito empregado na confecção de panelas? Experimente segurar uma colher ou outro objeto metálico comprido com a outra extremidade colocada na chama de um fogão. Depois de algum tempo, a temperatura da parte que está em sua mão ficará tão alta que você não conseguirá mais segurá-la. Isso acontece por causa da condução, ou seja, da transmissão de calor através das moléculas que compõem o metal ou qualquer outro material. Cada material possui um coeficiente de condutividade térmica diferente, nos utensílios de cozinha encontramos bons exemplos. O alumínio, com alto coeficiente, é muito empregado na confecção de panelas.

Convecção térmica Os fluidos – líquidos e gases – são maus condutores de calor. Numa piscina, por exemplo, podemos perceber regiões mais quentes e regiões mais frias, devido à baixa condutividade da água. Sob a ação da gravidade, os corpos menos densos tendem a flutuar sobre os mais densos. Quando aquecemos um fluido, a sua densidade diminui, e esse fluido tende a subir contra o campo gravitacional, visto que o fluido mais denso tende a ocupar as posições mais baixas. Nos refrigeradores, o trocador de calor (serpentina do congelador) deve ficar na parte de cima. O ar mais frio gerado por ele tende espontaneamente a descer, mantendo a circulação na geladeira.

Radiação térmica Processo de transferência de calor feito por ondas eletromagnéticas, também denominado de ondas de calor ou calor radiante. Enquanto a condução e a convecção somente ocorrem em meios materiais, a irradiação, a irradiação acontece tanto em meios materiais como no vácuo (ausência de matéria). Todos os corpos emitem energia radiante devido à sua temperatura. O principal emissor de calor, para nós, é o Sol. Com uma temperatura da ordem de 6000 K, o Sol emite calor luminoso (calor acompanhado de luz). As lâmpadas incandescentes também emitem calor luminoso, enquanto os fornos e os ferros de passar roupa emitem calor obscuro. Radiador ideal. O corpo capaz de absorver toda a energia radiante que nele incide é denominado corpo negro ou radiador ideal. Assim os corpos negros são os que melhor absorvem a radiação.


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COLÉGIO ESTADUAL NILSON SOCORRO - 2007 FÍSICA: TRANSMISSÃO DE CALOR

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Atividades para casa 1. Quais os processos de transmissão de calor? 2. Descreva a propagação de calor por condução.

3. Por que os aquecedores são colocados na parte inferior dos ambientes e os aparelhos de ar condicionado na parte superior?

4. Explique por que a lã e a pele são bons isolantes térmicos.

5. Qual o significado físico do coeficiente de condutividade térmica?

6. De que maneira o calor do Sol chega até nós?

7. Qual o tipo de roupa mais adequada para os dias de verão? Explique.

8. O que é corpo negro?

9. Por que os aquecedores a energia solar são pintados de preto fosco?

10. Por que o sistema de refrigeração fica no alto da geladeira? 11. Como pode ser reduzida a perda de calor de uma residência no inverno?

12. Leia esse texto: A garrafa térmica não permite a transmissão de calor por nenhum dos três processos, isolando com isso o líquido colocado em seu interior. Para evitar a radiação, a parede interna é espelhada nos dois lados. O vácuo existente entre as paredes evita a condução e a convecção. Dessa forma a temperatura do líquido em seu interior não se altera por um longo período. Mas, como a vedação não é perfeita, com o tempo o líquido vai se esfriando ao entrar em equilíbrio térmico com o meio exterior. A garrafa térmica pode ser usada para manter a temperatura de líquidos quentes ou frios? Por que?


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COLÉGIO ESTADUAL NILSON SOCORRO - 2007 FÍSICA: O ESTADO GASOSO

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O ESTADO GASOSO Como se explica a explosão de um balão metereológico ao atingir a altitude de aproximadamente 30 km? Os balões metereológicos levam um pequeno aparelho que transmite informações sobre altitude, umidade relativa do ar e temperatura. Ao atingir a altitude de aproximadamente 30 km, o balão explode e o aparelho cai com o auxílio de um pára-quedas, trazendo as informações obtidas. A explosão ocorre porque a pressão do ar atmosférico circundante diminui à medida que o balão sobe, provocando aumento do seu volume até o limite suportável pelo material.

O estado gasoso e suas transformações Um gás sofre transformação de estado quando se modificam pelo menos duas entre as variáveis pressão (P), volume (V) e temperatura ( T). Essa transformação ocorre dentro da própria massa gasosa, não se confundindo com mudança de estado físico.

Lei de Boyle-Mariotte – Transformação isotérmica A primeira caracterização do estado gasoso foi obtida, independente em 1662 pelo físico e químico irlandês Robert Boyle (1697-1691) e em 1676 pelo físico e biólogo francês Edmê Mariotte (1620-1684). A pressão e o volume de um gás, mantido em temperatura constante, são inversamente proporcionais. A lei de Boyle-Mariotte pode ser expressa assim: P 1 V 1= P 2 V 2

{ P : pressão absolutado gás quandoo volume é V { P : pressão absolutado gás quandoo volume é V 1

1

2

2

Essa relação só se aplica a gases mantidos a baixas pressões. Observe a representação gráfica dessa lei:

Primeira Lei de Charles e Gay-Lussac – Transformação isobárica A primeira verificação experimental dessa transformação foi realizada em 1781 pelo matemático e físico francês Jacques Alexandre C Charles (1746-1824). Vinte e um anos mais tarde, o físico e químico francês Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) chegou ao mesmo resultado. “O objetivo da educação é a virtude e o desejo de converter-se num bom cidadão. ” Platão Professor Wagner Cardoso

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Sob pressão constante, o volume e a temperatura absoluta de um gás são diretamente proporcionais. V 1

Essa lei pode ser expressa da seguinte forma:

T 1

=

V 2 T 2

A sua representação gráfica é:

Segunda Lei de Charles e Gay-Lussac – Tranformação isométrica ou isocórica A volume constante, a pressão e a temperatura absoluta de um gás são diretamente proporcionais. Essa lei pode ser expressa da seguinte forma:

P 1 T 1

=

P 2 T 2

E a sua representação gráfica é:

Lei dos Gases Ideais As leis de Boyle-Mariotte e de Charles e Gay-Lussac podem ser combinadas numa relação simples, denominada Lei dos Gases Ideais. P 1 V 1 T 1

=

P 2 V 2 T 2

P : pressãodo gás V : volumedo gás T : temperaturaabsoluta do gás


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Teoria cinética dos gases No século XIX, o físico e matemático escocês J. C. Maxwell (1831-1879) e o físico austríaco Ludwig Boltzman já acreditavam que no gás as moléculas se apresentam mais distanciadas do que nos outros estados físicos da matéria e que praticamente elas não interagem entre si, a não ser durante as colisões. O movimento das moléculas de um gás varia quando varia a temperatura e está relacionado com a energia cinética média (e c) das moléculas. A relação entre a energia cinética média das moléculas de um gás e sua temperatura absoluta é dada por: ec

3 =

2

kT

Equação de Clapeyron Em homenagem ao engenheiro e físico francês Paul-Émile Clapeyron (1799-1844) a equação dos gases ideais recebeu o nome de equação de Clapeyron. Para estudá-la, precisamos conhecer o conceito de mol: quantidade de matéria que contém um número invariável (6,023 · 1023) de partículas (átomos, moléculas, elétrons ou íons).


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Exercícios de classe 1. Certa massa de um gás ocupa o volume de 15 L a 27 ºC e exerce a pressão de 2 atm. Calcule a pressão exercida quando a temperatura passar a 47 ºC e o volume a 32 L.

2. Certa massa de um gás submetido à pressão de 6 atm ocupa o volume de 3 L. Reduzindose isotermicamente a pressão para 4 atm, qual será o volume ocupado?

3. Numa transformação isobárica, o volume de certa massa de um gás perfeito altera-se de 2 L para 8 L. Se a temperatura inicial do gás era de 177 ºC, qual a temperatura final, expressa em graus Celsius?

4. (UFES) Um gás está inicialmente à temperatura T 0, pressão p0 e volume V0. É submetido a um processo que o leva à pressão 2 p 0 e à temperatura 4 T0. O volume final VF é igual a: a) V0 b) 2 V0 c)

V0 2

d) 4 V0 e) 8 V0 5. (Cesgranrio) Uma certa quantidade de um gás perfeito ocupa um volume de 10 dm3 quando à pressão de 4 atm e à temperatura de 37 ºC. Calcule a que temperatura devemos levar o gás considerado, a fim de que ele ocupe um volume de 12 dm 3 à pressão de 3 atm.

6. (Fatec-SP) Nas condições p 1 = 1 atm, T 1 = 300 K, certo corpo de gás perfeito ocupa o volume V1 = 12 L. Eleva-se a pressão a p 2 = 3 atm, a temperatura a T2 = 600 K. Qual o volume V2 do gás?

7. (Fuvest) O pneu de um carro estacionado tem pressão de 2 atmosferas quando a temperatura é 90 ºC. Depois de o veículo correr em alta velocidade, a temperatura do pneu sobe a 37 ºC e seu volume aumenta de 10%. Qual a nova pressão do pneu?


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COLÉGIO ESTADUAL NILSON SOCORRO - 2007 FÍSICA: BIBLIOGRAFIA

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BIBLIOGRAFIA Paraná. Física – Série Novo ensino Médio. Vol. Único 6ª edição. Editora Ática, 2004 Wilson Carron. Física – Coleção Base. Vol. Único 2ª edição. Editora Moderna, 2004 Sampaio & Calçada. Física. Vol. Único. Editora Atual, 2003


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Apostila Curso de Física 2Ano Módulo 02 Calorimetria

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