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MATERIAL DE ESTUDO PARA AVALIAÇÃO DA III UNIDADE – FISICA – 2 ANOS CALOR: ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO O valor aceito atualmente para o equivalente mecânico: de calor é: 1 cal = 4,186 Calor é a energia térmica que se transfere entre corpos com temperaturas diferentes. As unidades de medida de calor, pelo fato de ser uma forma de energia, a unidade oficial de calor no SI é o joule (J). Caloria é a quantidade de calor que produz a variação de temperatura de 1 °C (rigorosamente de 14,5 °C a 15,5 °C) em 1 grama de água sob pressão normal. A unidade múltipla quilocaloria (kcal) também é muito usada na medida das quantidades de calor: 1 kcal = 1.000 cal = 10 3 cal Outra unidade de quantidade de calor bastante utilizada em manuais técnicos para exprimir as características de equipamentos e máquinas que envolvem a energia térmica, como aparelhos de ar-condicionado, fornos industriais etc., é a British Thermal Unit (BTU), que equivale a, aproximadamente, 252,4 calorias ou 1.055 joules. 1 BTU = 252,4 cal = 1.055 J Trocas de calor A troca de calor é um fenômeno que vivenciamos no dia a dia. Ao medir a temperatura de uma pessoa com um termômetro clínico, por exemplo, esse dispositivo troca calor com o corpo até atingir a mesma temperatura que ele. O forno, convencional ou de micro-ondas, o fogão e a geladeira são equipamentos que trocam calor com os alimentos, aquecendo-os ou resfriando-os. Equilíbrio térmico é o estado no qual dois ou mais corpos de um mesmo sistema mantêm a temperatura inalterada e em um mesmo valor comum. Para indicar o sentido em que ocorre troca de calor, estabelecemos que a quantidade de calor é uma grandeza algébrica. Seu sinal será positivo se a quantidade de calor for recebida pelo corpo e será negativo se a quantidade de calor for cedida, ou perdida, pelo corpo. Por exemplo, na situação descrita, vamos admitir que, até chegarem ao equilíbrio térmico, 30 calorias foram trocadas entre os corpos A e B. Assim, temos: QA = - 30 cal (O corpo A cedeu 30 calorias.) QB = + 30 cal (O corpo B recebeu 30 calorias.) Capacidade térmica de um corpo Define-se a capacidade térmica C de um corpo pela razão entre a quantidade de calor Q que ele troca e a consequente variação de temperatura Δ𝜃 sofrida: A capacidade térmica de um corpo pode ser medida em J/K, no SI, ou em cal/°C. Calor específico sensível de uma matéria Calor específico sensível (c) de um material é a quantidade de calor necessária para elevar ou baixar em 1 °C a temperatura de 1 grama desse material. A unidade usual de calor específico é cal/(g . °C). Entretanto, também podem ser usadas as unidades kcal/(kg . °C) e J/(kg . °C). Como as variações de temperatura nas escalas Celsius ou Kelvin têm valores iguais, essas unidades também podem ser indicadas por cal/(g . K), kcal/(kg . K) e J/(kg . K). A tabela a seguir apresenta os valores de calor específico para alguns materiais à temperatura de 20 °C A água, portanto, em virtude de seu elevado calor específico, funciona como regulador climático. Quantidade de calor trocada e quantidade de calor sensível Se tivermos uma massa m de certa quantidade de um material, cujo calor específico é c, sofrendo uma variação de temperatura ∆𝜃, a quantidade de calor Q trocada no processo pode ser calculada pela relação conhecida como equação fundamental da Calorimetria: De acordo com a fórmula, o sinal da quantidade de calor Q será determinado pelo sinal da variação de temperatura ∆𝜃. Assim: Δ𝜃 > 0 ⇒ 𝑄 > 0 . A temperatura aumenta porque o corpo recebe calor. Δ𝜃 < 0 ⇒ 𝑄 < 0 . A temperatura diminui porque o corpo perde calor. Da definição de capacidade térmica C, temos: A capacidade térmica de um corpo pode ser medida em J/K, no SI, ou em cal/°C. QUESTÕES PROPOSTAS - RESOLVA NO CADERNO 1. Em um laboratório de Física, uma amostra de 20 g de cobre recebeu 186 cal de calor de uma determinada fonte térmica. Sabendo que o calor específico do cobre é 0,093 cal/g°C, determine a variação de temperatura sofrida pela amostra. a) 50 °C b) 100°C c) 105°C d) 200°C e) 250° RESOLUÇÃO: DADOS: massa(m) = 20g Quantidade de calor(Q) = 186 cal Calor específico(c) = 0,093 cal/g°C Logo: Q = m.c. Δ𝑇 , pede Δ𝑇 =? Δ𝑇 = . Δ𝑇 = , Δ𝑇 = , Δ𝑇 = 100º𝐶 2. Determine a capacidade térmica de um corpo que recebeu 2000 calorias de calor de uma fonte térmica e sofreu uma variação de temperatura de 40 °C. a) 10 cal/°C b) 20 cal/°C c) 30 cal/°C d) 40 cal/°C e) 50 cal/°C RESOLUÇÃO: DADOS: Quantidade de calor(Q) = 2000 cal Variação de temperatura Δ𝑇= 40°C Logo: C= Δ𝑇 , pede C =? C = C = C = 50𝑐𝑎𝑙/ º𝐶 3. (UFU) 240 g de água (calor específico igual a 1 cal/g.°C) são aquecidos pela absorção de 200 W de potência na forma de calor. Considerando 1 cal = 4 J, o intervalo de tempo necessário para essa quantidade de água variar sua temperatura em 50 °C será de? a) 1 min b) 3 min c) 2 min d) 4min RESOLUÇÃO: DADOS: massa(m) = 240g de água. 1 cal = 4J Calor específico(c) = 1 cal/g°C Variação de temperatura Δ𝑇= 50°C Potência(P): 200 w Logo:𝑃 = Δ𝑡 , pede Δ𝑡 =? Δ𝑡 = . Δ𝑡 = Δ𝑡 = 240𝑥1𝑥50𝑥4 1,86 Δ𝑡 = Δ𝑡 = Δ𝑡 = 4 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠. 4. (UFV-MG) Uma potência de 2000 watts é usada durante 1,0 min para elevar a temperatura, de 10 °C para 60°C, de um sólido de massa 0,5 Kg. Considerando que não há mudança de fase durante a elevação da temperatura, o calor específico desse sólido, em unidade de J/(Kg. °C), é: a) 4,8 x 10 3 b) 3,4 x 10 3 c) 5,6 x 10 3 d) 1,2 x 10 3 e) 0,8 x 10 3 RESOLUÇÃO: DADOS: massa(m) = 0,5 Kg Potência(P): 2000 w Δ𝑡 = 1,0 min = 60𝑠 Calor específico(c) = 1 cal/g°C Variação de temperatura Δ𝑇= TF – TI Δ𝑇 = 60 − 10 = 50 °C Logo:𝑃 = Δ𝑡 , pede Δ𝑡 =? P = P = 2000 = 0,5𝑥𝒄x50 60 0,5𝑥𝒄x50 = 2000𝑥60 25c = 120000 c = 120000/25 c= 4800 J/ (Kg. °C) ou seja c = 4,8 x 10³ J/(Kg. °C) 5.Em uma experiência escolar com uma amostra de uma substância, 60 J de calor é fornecido a essa substância, após, a variação de temperatura é medida. Considerando o calor específico da substância ser de 0,5 J/g·K, determine a massa da substância se a variação de temperatura for de 30°C. a) 1 g b) 2 g c) 3 g d) 4 g e) 5 g DADOS: : Quantidade de calor(J) = 60 J massa(m) = 0,5 Kg Calor específico(c) = 0,5 J/(Kg. °C) Variação de temperatura Δ𝑇= 30 °C Logo: Q = m.c. Δ𝑇, pede m(massa) =? (𝑔) m x c x Δ𝑇 = 𝑄 m = m = , 𝑚 = m = 4 g TRANSMISSÃO DE CALOR CAP.: 05 – VOLUME 3 – MATÉRIA E ENERGIA 1. Introdução: Em muitas situações do cotidiano, presenciamos a troca de calor entre corpos ou entre sistemas. Ao colocar água para ferver numa panela (Fig. 1), por exemplo, poderíamos nos perguntar: como o calor flui da chama para a água? O calor pode ser transmitido de um corpo ou de um sistema para outro por três processos distintos: condução, convecção e irradiação. Na maioria das situações cotidianas, a transmissão de calor ocorre por meio de dois ou até dos três processos simultaneamente, mas com a predominância de um deles. 2. Fluxo de calor Em muitas situações práticas, é importante conhecer a “rapidez” com que o calor é transferido de um corpo para outro. A razão entre a quantidade de calor Q e o intervalo de tempo Δ𝑡 para a sua transferência é denominada fluxo de calor, representada por 𝜙(𝑓𝑖). 3. Condução térmica é o processo de transmissão do calor em que a energia térmica se propaga de uma partícula para outra do meio material. Podemos verificar isso na prática com uma experiência bem simples, exemplo: 1. Em um bastão de metal,fixe alguns pregos ou tachinhas com parafina, mantendo certa distância entre eles; caso contrário, será difícil observar o fenômeno da condução no experimento. Ao colocar uma das extremidades do bastão em contato com uma fonte de calor (chama), percebemos que a parafina derrete gradativamente a partir dessa extremidade, fazendo com que os pregos ou as tachinhas caiam um a um. O que ocorre é que as partículas do bastão em contato com a chama passam a vibrar com mais intensidade, e essa vibração mais intensa vai se transferindo de uma partícula para outra ao longo do comprimento do bastão (Fig. 2). Os materiais em que esse processo de transmissão do calor ocorre de forma mais acentuada são chamados de CONDUTORES TÉRMICOS, por exemplo, os METAIS. Já aqueles em que tal processo praticamente não ocorre são chamados de ISOLANTES TÉRMICOS, por exemplo, a MADEIRA E O ISOPOR. A lei que define esse processo de transmissão de calor foi determinada experimentalmente pelo matemático francês JEAN-BAPTISTE FOURIER (1768- 1830). De acordo com a lei de Fourier, a quantidade de calor Q que atravessa um material, com uma diferença de temperatura invariável, é diretamente proporcional à área da seção atravessada A, à diferença de temperatura entre as regiões separadas pelo material (T1 – T2, sendo T1 > T2) e ao intervalo de tempo de transmissão Δ𝑇 sendo inversamente proporcional à extensão, ou espessura, e atravessada. (Fig. 3) Figura 3. O calor flui espontaneamente da face de maior temperatura para a de menor temperatura 4. CONVECÇÃO TÉRMICA é o processo de transmissão do calor em que a energia térmica se propaga pela movimentação de MASSAS LÍQUIDAS OU GASOSAS, que alternam suas posições no meio devido à diferença de densidade. Exemplo 1: Quando você aquece um líquido numa chama, as camadas inferiores, à medida que se aquecem, ficam menos densas e sobem, enquanto as camadas superiores, menos quentes, descem, pois têm maior densidade. Dessa forma, vai ocorrendo a mistura das partes mais aquecidas com as menos aquecidas, e o conjunto acaba por esquentar como um todo. Se você colocar pequenas partículas, por exemplo, macarrão do tipo argolinha, no líquido que está sendo aquecido, poderá ver as partículas, ou seja, o macarrão, se movimentando, acompanhando as correntes de convecção que se formam durante o aquecimento (Fig. 4). Observe que esse processo de TRANSFERÊNCIA DE CALOR NÃO OCORRE NOS SÓLIDOS. ELE É EXCLUSIVO DOS LÍQUIDOS E GASES, genericamente denominados FLUIDOS. Figura 4 Representação esquemática de convecção térmica. As setas azuis indicam a água menos quente descendo. As setas amarelas indicam a água mais quente subindo. As brisas que ocorrem nas regiões litorâneas podem ser explicadas pela existência de correntes de convecção, associadas à diferença de aquecimento da terra e do mar no decorrer do dia. Durante o dia, a terra está mais quente que o mar, pois a água é um material que precisa absorver grandes quantidades de calor para ser aquecida, e isso está associado ao grande calor específico desse líquido. Então o ar mais quente, em contato com a terra, sobe por convecção e produz uma região de baixa pressão, aspirando o ar que está sobre o oceano. Sopra, então, A BRISA MARÍTIMA(A). À noite, o processo se inverte, e agora a água, sem o aquecimento do Sol, demora mais para esfriar, mantendo-se mais quente que a terra. Então, o ar sobre o mar sobe por convecção, produzindo uma região de baixa pressão, aspirando o ar que está sobre a terra. Sopra, assim, A BRISA TERRESTRE(B). As correntes de convecção também explicam a sustentação de planadores, asas-deltas e outros veículos aéreos sem propulsão. Os pássaros, por instinto, utilizam as correntes de convecção durante o voo. INVERSÃO TÉRMICA O ar mais próximo à superfície, que é mais quente, portanto, menos denso, pode ascender levando resíduos poluentes, principalmente das emissões dos automóveis e das indústrias, favorecendo a sua dispersão nas camadas mais altas (Fig. 6.A). Esse processo, simples e desejável, é denominado CONVECÇÃO ATMOSFÉRICA(A) Quando uma camada de ar quente estaciona, por longo tempo, sobre uma massa de ar frio, ocorre o fenômeno denominado INVERSÃO TÉRMICA(B), que impede A CONVECÇÃO. INVERSÃO TÉRMICA(B) A INVERSÃO TÉRMICA é uma condição meteorológica que pode ocorrer em qualquer altitude e em qualquer época do ano, porém, no inverno, ela acontece principalmente nas camadas mais baixas da atmosfera. Baixas temperaturas, céu limpo, ventos fracos e noites longas favorecem a ocorrência da inversão térmica. 5. IRRADIAÇÃO TÉRMICA A transmissão de energia pelas ondas eletromagnéticas, como ondas de rádio, micro-ondas, raios infravermelhos, luz visível, raios ultravioletas, raios X e raios gama, é denominada genericamente IRRADIAÇÃO OU RADIAÇÃO Ao contrário da CONDUÇÃO E DA CONVECÇÃO TÉRMICAS, ela não precisa de um meio material para ocorrer. . Por exemplo, O CALOR DO SOL chega até nós por meio das radiações eletromagnéticas emitidas por esse astro, que atravessam o vácuo existente entre ele e a Terra. Ao absorver a energia proveniente dessas radiações, o grau de agitação das partículas dos corpos aumenta e eles sofrem aumento de temperatura.