CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE TERMOLOGIA Temperatura é a grandeza física que mede o grau de agitação molecular de um corpo. Equilíbrio térmico dois ou mais corpos estão em equilíbrio térmico quando as suas temperaturas são iguais. Lei zero da termodinâmica t ermodinâmica quando um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e o corpo B está em em equilíbrio térmico com um corpo C, então A e C também estão em equilíbrio térmico entre si. ESCALAS TERMOMÉTRICAS E SUAS RELAÇÕES Celsius, Fahrenheit e Kelvin convencionaram os seguintes pontos fixos para suas escalas.
Relação entre as variações de temperaturas C F K C F K 5 9 5 100 100 180 180 100 Relaç Relação ão entr entre e as tempe tempera ratur turas as C F 32 3 2 K 273 9 5 5
Atenção! Não existe temperatura menor que: o
o
0K 273 C 459, 4 F
1
CALORIMETRIA Energia térmica é o somatório das energias de todas as moléculas que existem num corpo. Calor é a energia térmica que transita de um corpo para outro devido à diferença de temperatura entre eles. Sem a necessidade de um agente externo, esse processo ocorre de um corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Calor sensível O calor transferido a um corpo é sensível quando este corpo muda de temperatura. Q m.c. C m.c Q C.
c: calor específico (cal/g oC) m: massa da substância (g) : variação de temperatura ( oC) C: capacidade térmica (cal/ oC)
Atenção! O equivalente em água de um corpo é numericamente igual à capacidade térmica do corpo. Calor latente O calor transferido a um corpo é latente quando este corpo muda de estado. Durante a mudança de estado a temperatura da substância não varia. Q = m.L m: massa que muda de estado (g) L: calor latente (cal/g)
Trocas de calor em sistemas termicamente isolados. Quando dois ou mais corpos, com temperaturas diferentes, são colocados dentre de um sistema termicamente isolado ou adiabático eles trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. O somatório das quantidades de calor trocados entre os corpos é nulo.
Q
trocados
0
Potência média térmica É a grandeza física que mede a quantidade de calor por unidade de tempo. Pm
2
Q
t
PROPAGAÇÃO DE CALOR Condução A condução é a propagação de calor na qual a energia térmica é transferida através da colisão entre as moléculas do meio.
A condução ocorrer em qualquer meio material, sendo mais intensa nos meios sólidos do que nos fluidos. Logo os fluidos são maus condutores de calor, ou seja, são isolantes térmicos. Entre os próprios sólidos existem os maus condutores de calor, por exemplo; a madeira conduz muito menos calor que qualquer metal.
Fluxo médio de calor Devido a diferença de temperatura entre dois pontos de uma barra, há um fluxo de calor (ou corrente térmica) no sentido da temperatura maior para a temperatura menor. Por definição o fluxo de calor ou a potência térmica medi a quantidade de calor Q que passa por uma determinada secção por unidade de tempo t.
Q
t
(cal/s)
Lei Fourier Inicialmente as diversas secções da barra apresentam temperatura variável. Entretanto, decorrido certo tempo, essas secções assumem temperaturas constantes, mas diferentes entre si. Nessa situação, atingiu-se um equilíbrio e o fluxo de calor dá-se em regime permanente ou estacionário. Esse caso, o fluxo de calor é o mesmo em qualquer secção da barra. Desse modo, o fluxo obedece a seguinte lei:
k
A
K: coeficiente de condutibilidade térmica. Sendo uma constante característica do material condutor. Sendo os maiores valores do K pertencem aos m etais. 3
L: comprimento entre as secções onde se estabeleceu a variação de temperatura. : módulo da diferença entre as temperaturas. A: área da seção por onde passa o calor.
Atenção! Define-se resistência térmica R como sendo: R
k
Convecção A convecção é a propagação de calor na qual a energia térmica é transferia através do deslocamento de massas. Quando uma camada de fluido é aquecida ela se torna menos densa e sobe. Em quanto que a camada de fluido superior por está mais fria torna-se mais densa e por isso desce.
Essas camadas que sobem e descem formam as correntes de convecção. A convecção só ocorre nos fluidos.
Irradiação A irradiação é a propagação de calor na qual a energia térmica é transferia através de ondas eletromagnéticas. Por isso, não depende necessariamente de um meio material para ocorrer. Logo, a irradiação pode ocorrer no vácuo.
Fluxo de energia irradiado por um corpo S Ti
4
Fluxo de energia absorvida por um corpo 4
S Ta
4
: constante de
Stefan-Boltzmann
: emissividade
T A: temperatura ambiente TC: temperatura do corpo
Atenção! No caso de um corpo negro
1
Efeito estufa. O efeito estufa é um fenômeno natural que ocorre em qualquer lugar que tenha atmosfera, que é o caso da Terra. A atmosfera terrestre é composta de vários gases um deles é o ozônio que filtra as radiações que chegam no nosso planeta. Os outros gases ditos “estufa” presentes na atmosfera do nosso planeta amenizam as pe rdas de calor da Terra para o espaço por irradiação de ondas infravermelhas ou ondas de calor e uma boa parte desse calor é devolvida por eles para ela, mantendo assim a temperatura do nosso planeta. O problema é que a quantidade desses gases está aumentando consideravelmente o que contribui para o aumento do efeito estufa e consequentemente o aquecimento global do planeta. Efeito Estufa
5
Estufa artificial
Garrafa térmica ou vaso de Dewar A garrafa térmica é um dispositivo cuja finalidade principal é manter praticamente constante a temperatura de um determinado conteúdo colado dentro dela. Para tanto as paredes são praticamente adiabáticas, isto é, reduzem consideravelmente as trocas de calor entre o seu conteúdo e o meio externo por condução, convecção e irradiação .
6
O conteúdo de uma garrafa térmica é isolado do meio ambiente devido: 1. as paredes serem feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua as trocas de calor por condução.
2. as paredes internas são duplas, separadas pó numa região de ar rarefeito (o ideal seria vácuo) cuja função é atenuar a condução e a convecção de calor entre as paredes. 3. o vidro de são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando assim as trocas de calor por irradiação. 4. A tampa ameniza a convecção.
QUESTÕES DA EFOMM Questão 01 (EFOMM) Uma certa quantidade de gelo, no seu ponto de fusão, é misturado com 30 g de vapor d’água no intuito de produzir água líquida a 50ºC. Considerando L vaporização = 539 cal/g e c = 1,00 cal/g.K , a energia necessária, para que isso aconteça, é igual a A) 14680 cal. B) 15430 cal. C) 16460 cal. D) 17670 cal. E) 18000 cal. Questão 02 (EFOMM) Dois recipientes A e B, termicamente isolados e idênticos, contêm, respectivamente, 2,0 litros e 1,0 litro de água à temperatura inicial de 20°C. Utilizando, durante 80 segundos, um aquecedor elétrico de potência constante, aquece-se a água do recipiente A até a temperatura de 60°C. A seguir, transfere-se 1,0 litro de água de A para B, que passa a conter 2,0 litros de água na temperatura T. Esse mesmo volume de água na temperatura T poderia ser obtido apenas com o recipiente A se, a partir das mesmas condições iniciais, utilizássemos o mesmo aquecedor ligado durante um tempo aproximado de Dado: massa específica da água = 1,0 kg/L A) 15 B) 30 C) 40 D) 55 E) 60 Questão 03. (EFOMM) No interior de um calorímetro, totalmente preenchido por 0,40 kg de certa substância, há um termômetro e um resistor elétrico, todos inicialmente em equilíbrio térmico, na temperatura de 40°C. No instante t = 0, o resistor foi conectado a uma bateria, passando a dissipar 80 watts. 7
A leitura do termômetro permitiu a construção do gráfico da temperatura T da substância em função do tempo t, mostrado na figura. Considerando que toda a energia dissipada pelo resistor é absorvida pela substância, o calor específico da substância, em J/g°C, é igual a A) 3,0 B) 3,5 C) 4,0 D) 4,5 E) 5,0
Questão 04. (EFOMM) Observe a figura a seguir
Dois corpos A e B são aquecidos separadamente por fontes de calor idênticas. A massa do corpo A é 200g e a do corpo B é 800 g. Analisando o gráfico, que mostra a temperatura do corpo em função do tempo de ação da fonte, verifica-se que o calor específico do corpo A (C A) e o calor específico do corpo B (C B) obedecem a relação 8
A)
cB
B)
cB
C)
cB
D)
cB
E)
cB
3 16 5 16 7 16 9 16 11 16
cA cA cA cA cA
Questão 05. (EFOMM) Em relação aos conceitos de calor e de temperatura, é correto afirmar que A) o calor é energia em trânsito e a temperatura é a medida do calor. B) a temperatura e o calor são medidas da agitação molecular. C) o calor é a variação da temperatura, e a temperatura é o grau da agitação molecular. D) a temperatura é a variação do calor, e o calor é a energia em trânsito. E) o calor é energia em trânsito e a temperatura é a medida da agitação molecular. Questão 06. (EFOMM) O calor específico da água, que é bem conhecido, vale 1,0 cal/g°C. Sobre essa constante, no que diz respeito à água, é correto dizer que A) para resfriar 1 g de água em 1°C, sem que haja mudança de fase, é necessário retirar dessa porção 1 cal de quantidade de calor latente. B) para resfriar 1 g de água em 1ºC, sem que haja mudança de fase, é necessário retirar dessa porção 1 cal de quantidade de calor sensível. C) para fundir 1 g de água, sem que haja mudança de temperatura, é necessário retirar dessa porção 1 cal de quantidade de calor sensível. D) para fundir 1 g de água, sem que haja mudança de temperatura, é necessário retirar dessa porção 1 cal de quantidade de calor latente. E) nada nos é informado sobre as características térmicas da água. Questão 07. (EFOMM) Seja um calorímetro de capacidade térmica 18 cal / oC em equilíbrio térmico com 60 gramas de água (cágua = 1 cal /g oC) a 12 oC; se nele for inserido um pedaço de 350 g de ferro (cferro = 0,12 cal/g oC) a 220 oC, a temperatura (oC ) de equilíbrio do conjunto será de A) 32,4 B) 45,8 C) 58,6 D) 71,4 E) 84,8 Questão 08. (EFOMM) Dois recipientes iguais A e B contêm, respectivamente, 2 litros e 1 litro de água à temperatura de 20º C. Utilizando um aquecedor elétrico de potência constante e mantendo-o ligado durante 9
80 segundos, aquece-se a água do recipiente A até a temperatura de 60º C. A seguir, transfere-se 1 litro de água de A para B, que passa a conter 2 litros de água à temperatura T. Essa mesma situação final, para o recipiente B, poderia ser alcançada colocando-se 2 litros de água a 20º C em B e, a seguir, ligando-se o mesmo aquecedor elétrico em B, mantendo-o ligado durante um tempo aproximado de A) 40 s. B) 60 s. C) 80 s. D) 100 s. E) 120 s.
Questão 09. (EFOMM) Certa rede de “Fast Food” oferece sorvete de creme com cobertura de chocolate; verifique os
seguintes dados:
Sorvete Chocolate Temperatura Inicial → Ts = - 5ºC Temperatura Inicial → Tci = 68ºC Massa → Ms = 160 g Temperatura de Solidificação → Tcs = 38ºC Calor Sensível → cs = 0,4 cal/gºC Calor Sensível (líquido) = 1,2.10- cal/gºC Calor Sensível (sólido) = 0,7.10 - cal/gºC Calor Latente de Solidificação = -22 cal/g Calcule a massa, em g, de chocolate da cobertura (sólida) para uma temperatura de –1ºC (equilíbrio térmico). A) 6 B) 7 C) 8 D) 9 E) 10 Questão 10. (EFOMM) Um esquimó vive em um iglu, ao nível do mar e ele deseja ferver água para fazer um café. Para tal, ele sai e corta um bloco de 800g de gelo a –15ºC. Calcule a quantidade de calor total a ser gasta até que a água ferva. Dados: Calor específico da água – cágua = 1 cal/gºC Calor latente de fusão do gelo – Lfusão do gelo = 80 cal/g Calor específico do gelo – cgelo = 0,5 cal/gºC A) 90.000 cal. B) 100.000 cal. C) 130.000 cal. D) 150.000 cal. E) 160.000 cal. Questão 11. (EFOMM) Na caldeira da praça de máquinas de um navio, encontra-se instalado um termômetro graduado na escala Celsius. O oficial de máquinas observou que, no intervalo de tempo de 5 minutos, 10
houve uma variação de 100 ºC na leitura da temperatura da caldeira. Se nessa mesma caldeira, em vez de um termômetro graduado na escala Celsius, estivesse instalado um termômetro na escala Kelvin, a variação de temperatura ocorrida seria de: A) 410K B) 373K C) 273K D) 120K E) 100K
Questão 12. (EFOMM) As garrafas térmicas são frascos de paredes duplas entre as quais é feito vácuo. As faces dessas paredes que estão frente a frente são prateadas. O vácuo entre as paredes tem a função de evitar: A) somente a condução. B) somente a irradiação. C) a condução e a convecção. D) somente a convecção. E) a condução e a irradiação. Questão 13. (EFOMM) Um corpo de massa 300 g é aquecido através de uma fonte cuja potência é constante e igual a 400 calorias por minuto. O gráfico acima ilustra a variação de temperatura num determinado intervalo de tempo.
O calor específico da substância que constitui o corpo é, em cal/gºC, igual a A) 1,0 B) 0,8 C) 0,5 D) 0,3 E) 0,2
Questão 14. (EFOMM) Considere uma escala arbitrária de temperatura “Y”, na qual, ao ponto de ebulição da água seja atribuído o valor +160 o e ao ponto de congelamento da água, o valor –20o. Determine a, aproximadamente, quantos graus CELSIUS correspondem “-4 oY”. A) –13,4 oC B) –0,44 oC C) –2,1 oC
11
D) 32,5 oC E) 8,9 oC
Questão 15. (EFOMM) Duas escalas termométricas X e Y relacionam-se de acordo com o diagrama a baixo.
O valor correspondente a leitura de 0o de Y na escala X é: A) -20 oX B) -30 oX C) -10 oX D) X = Y E) 20 oX
Questão 16. (EFOMM) Na determinação do calor específico de um metal, aqueceu-se uma amostra de 50 gramas desse metal a 98 oC e a amostra aquecida foi rapidamente transferida a um calorímetro de cobre bem isolado. O calor específico do cobre é de 9,3.10 -2 cal/g oC e a massa de cobre no calorímetro é de 150 gramas. No interior do calorímetro há 200 gramas de água (c = 1,0 cal/g oC). A temperatura do calorímetro antes de receber a amostra aquecida era de 21,0 oC. Após receber a amostra e restabelecido o equilíbrio a temperatura atingiu 24,6 oC. O calor específico do metal em questão é: A) cerca de duas vezes maior que o do cobre. B) cerca de metade que o calor específico do cobre. C) superior a 1 cal/g oC D) inferior a 0,1 cal/g oC E) aproximadamente igual ao da água Questão 17. (EFOMM) Analise cada uma das afirmativas : I. Num refrigerador, o congelador fica localizado na parte superior por causa das correntes convectivas que facilitam a troca de calor; II. A energia térmica de convecção não necessita de um meio para se propagar sendo transmitidas por ondas eletromagnéticas; III. O forno de micro ondas é baseado em ondas eletromagnéticas de alta frequência que quando penetram no alimento ativam as moléculas de água dos alimentos, causando vibrações insensíveis. O atrito de uma molécula com a outra gera calor, cozinhando os alimentos; 12
IV. A formação das brisas, nas regiões litorâneas, em parte se deve ao fato de o calor específico da terra ser bem menor que o da água. V. O motivo pelo qual espelha-se as faces da ampola de vidro de uma garrafa térmica é para ser evitada a convecção de calor. São verdadeiras: A) Nenhuma B) somente a II e a V C) I, II e IV D) II , III e V E) I, III e IV
13
