Temperatura e calor

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Universidade do Estado do Amapá –UEAP
Unidade Acadêmica de Engenharia
Temperatura e Calor
Sérgio Orlando de Souza Batista
Macapá
Física II
 Calor é a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de
temperatura
TS > TA Q < 0 TS < TA Q > 0
TS = TA Q = 0
Temperatura e Calor Calor
Lata de Refrigerante 
(gelada)
Xícara de café 
(quente)
A absorção de calor por sólidos
e líquidos
 A capacidade térmica C de um objeto é a constante de proporcionalidade entre o calor Q
recebido ou cedido por um objeto e a variação de temperatura ∆T do objeto, ou seja,
Capacidade Térmica e calor 
específico
Q
C
T


Unidades de medidas:
[Q] – caloria (cal) ou Joule (J)
[C] – cal/ºC , cal/K ou J/K
[∆T] - ºC ou K
 O calor específico (c) de um objeto é definido como sendo a capacidade térmica por
unidade de massa
C
c
m
 Q cm T 
Para uma variação infinitesimal dT e uma correspondente quantidade de calor dQ, temos:
Unidades de medidas:
[c] – cal/g.ºC
[m] – grama (g)
dQ cmdT
A absorção de calor por sólidos
e líquidos
Capacidade Térmica e calor 
específico
 Alguns calores específicos e calores específicos molares à temperatura ambiente
A absorção de calor por sólidos
e líquidos
 Quando o calor é transferido para uma amostra sólida ou líquida, nem sempre a
temperatura da amostra aumenta. Em vez disso, a amostra pode mudar de fase (ou de
estado).
➢ Estado sólido: os átomos ou moléculas do material formam um estrutura rígida
através de sua atração mútua.
➢ Estado líquido: os átomos ou moléculas têm mais energia e maior mobilidade.
Formam aglomerados transitórios, mas o material não tem uma estrutura rígida e
pode escoar em um cano ou se acomodar à forma de um recipiente.
➢ Estado gasoso: os átomos ou moléculas têm uma energia ainda maior, não
interagem, a não ser através de choques de curta duração, e podem ocupar todo o
volume de um recipiente.
Calores de transformação
A absorção de calor por sólidos
e líquidos
 A quantidade de energia por unidade de massa que deve ser transferida na forma de calor
para que uma amostra mude totalmente de fase é chamada de calor de transformação (L)
Calores de transformação
sólido líquido gasoso
Fusão Ebulição/vaporização/calefação
solidificação Condensação
Requer energia
Exige a retirada de energia
Unidades de medidas:
[Q] – caloria (cal) ou Joule (J)
[m] – grama (g)
[L] – cal/g ou J/kg
Q mL 
A absorção de calor por sólidos
e líquidos
Calores de transformação
 Alguns calores de transformação
A absorção de calor por sólidos
e líquidos
Transição de fase da água
T = permanece constante à medida que o Q é fornecido.
T = varia à medida que o Q é fornecido.
A absorção de calor por sólidos
e líquidos
Troca de calor
 Quando vários corpos, em temperaturas diferentes, são colocados em contato, eles
trocam calor ate que suas temperaturas se igualem, ou seja, atingirem o equilíbrio
térmico. Nessa troca de calor alguns corpos cedem calor e outros absorvem calor.
0Q  1 2 3 ... 0nQ Q Q Q    
Mecanismos de transferência
de calor
 Existem três mecanismos de transferência de calor: Condução, Convecção e Radiação.
Condução, Convecção e Radiação
➢ Condução: é a transferência de energia através do material devido as vibrações dos
elétrons e átomos provocado pela alta temperatura. A transferência sempre se ocorre
no sentido da maior para a menor temperatura.
Considere uma placa de área A e de espessura
L, cujas faces são mantidas a temperaturas TQ e
TF por uma fonte quente e uma fonte fria.
Mecanismos de transferência
de calor
Condução, Convecção e Radiação
Quando uma quantidade de calor dQ é transferida através da placa em um tempo dt, a taxa
de transferência de calor é dada por dQ/dt, chamada de taxa de transferência de calor ou
corrente de calor, dado por
cond
dQ
P
dt

Experiência mostram que a taxa de transferência de calor é proporcional à área A e a
diferença de temperatura (TQ – TF), e inversamente proporcional ao comprimento da barra L.
( )Q F
cond
T TdQ
P kA
dt L

 
Unidade de medida:
[H] – cal/s
Onde k é a constante denominada condutividade térmica do material.
Mecanismos de transferência
de calor
Condução, Convecção e Radiação
O termo (TQ – TF)/L é denominada módulo do gradiente de temperatura.
Se a temperatura varia de modo não uniforme ao longo do comprimento da barra não
condutora, introduzimos uma coordenada x ao longo do comprimento e escrevemos o
gradiente de temperatura na forma geral dT/dx.
cond
dQ dT
P kA
dt dx
  
O sinal negativo mostra que o fluxo de calor ocorre sempre no sentido da diminuição da
temperatura.
 No isolamento térmico os engenheiros usam o conceito de Resistência térmica (R)
L
R
k

Unidade de medida:
[R] – m2.K/W
Mecanismos de transferência
de calor
Condução, Convecção e Radiação
Os cabos das panelas de pressão devem ser
feitos de material que possuem baixos
coeficientes de condutividade para
impedirem a chegada de calor na mão do
usuário.
Usamos agasalhos para evitar que o nosso
corpo perca calor para o ambiente e,
consequentemente evitaremos a sensação
de frio, para isso usamos um mau condutor
de calor . A lã é o melhor material.
Mecanismos de transferência
de calor
Condução, Convecção e Radiação
➢ Convecção: é a transferência de calor ocorrida pelo movimento da massa de uma
região do fluido para outra região.
Os aparelhos de ar condicionado
devem ficar na região superior. O ar
frio (mais denso) desce e o ar quente
(menos denso) sobe, formando assim
as correntes de convecção.
Os aquecedores devem ser
posicionados na região inferior. O ar
quente (menos denso) sobe e o ar
frio (mais denso) desce, formando
assim, as correntes de convecção.
Mecanismos de transferência
de calor
Condução, Convecção e Radiação
Devido ao seu alto calor específico (1cal/g.ºC), a água do mar sofre pequena variação de
temperatura. O continente sofre maior variação de temperatura que o mar.
Durante o dia, a superfície da Terra está
mais quente que o mar, então, o ar quente
do continente sobe e o ar do mar desloca-
se para o continente. Temos a brisa
marítima.
Durante a noite, a terra resfria-se
rapidamente e o mar torna-se mais quente
que a terra, então, o ar quente sobre o mar
sobe e o ar da terra desloca-se para o mar.
Temos a brisa terrestre.
Mecanismos de transferência
de calor
Condução, Convecção e Radiação
➢ Radiação: é a transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, como luz
visível, a radiação infravermelha e a radiação ultravioleta.
A taxa de radiação de energia de uma superfície é proporcional à área A e a T4, essa
taxa também depende da natureza da superfície, descrita pela grandeza ε, denominada
emissividade que é um numero sem dimensões compreendido entre 0 e 1.
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radP A T
Onde σ é a constante física fundamental denominada constante de Stefan-
Boltzmann
8 2 45,6704 10 / .x W m K 
Obrigado!
Agradecimentos
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Exemplo
Uma estudante de física deseja resfriar 0,25 kg de Coca-Cola diet (constituída em sua maior
parte, por água). Inicialmente a uma temperatura de 25ºC, adicionando gelo a – 20ºC. Qual a
quantidade de gelo que ela deve usar para que a temperatura final seja igual a 0ºC, sabendo
que todo gelo se funde e que o calor especifico do recipiente pode ser desprezado?
Dado: calor especifico da água = 4190 J/kg.K; calor especifico do gelo = 2100 J/kg.K e
calor de fusão do gelo = 3,34x105 J/kg.
Exemplo
Uma caixa de isopor usada para manter as bebidas frias em um piquenique, possui área total
(incluindo a tampa) igual a 0,80 m2, e a espessura de sua parede mede 2,0 cm. A caixa está
cheia de água, gelo e latas de Coca-Cola a 0ºC. Qual é a taxa de fluxo de calor para o
interior da caixa, se a temperatura da parede externa for 30ºC? Qual é a quantidade de gelo
que se liquefaz durante um dia?
Adote a condutividade térmica do isopor igual a 0,010 W/m.K e o calor de fusão do gelo
igual a 3,34x105 J/kg.Exemplo
Uma placa quadrada de aço, com lado igual a 10 cm, é aquecida em uma forja até uma
temperatura de 800ºC. Sabendo que a emissividade é igual a 0,60, qual é a taxa total de
energia transmitida por radiação?
Exercício
Que massa de água permanece no estado líquido depois que 50,2 kJ são transferidos na
forma de calor a partir de 260 g de água inicialmente no ponto de congelamento?
Dado: calor de fusão = 333 kJ/kg
Exercício
Que massa de vapor a 100ºC deve ser misturada com 150 g de gelo no ponto de fusão, em
um recipiente isolado termicamente, para produzir água a 50ºC?
Dado: calor especifico da água = 1 cal/g.ºC; calor de fusão do gelo = 79,7 cal/g; calor de
ebulição da água = 539 cal/g
Exercício
O calor específico de uma substância varia com a temperatura de acordo com a equação
c=0,20+0,14T+0,023T2, com T em ºC e c em cal/g.K. Determine a energia necessária para
aumentar a temperatura de 2,0 g dessa substância de 5,0ºC para 15ºC.
Exercício
Calcule o calor especifico de um metal a partir dos dados a seguir. Um recipiente feito do
metal tem uma massa de 3,6 kg e contém 14 kg de água. Um pedaço de 1,8 kg do metal,
inicialmente à temperatura de 180ºC, é mergulhado na água. O recipiente e a água estão
inicialmente a uma temperatura de 16,0ºC e a temperatura final do sistema (termicamente
isolado) é 18,0ºC.
Exercício
Considere a placa da figura abaixo. Suponha que L = 25,0 cm, A = 90,0 cm2 e que o material
é de cobre. Se TQ = 257ºF, TF = 50,0ºF e um regime estacionário é atingido, determine a taxa
de condução de calor através da placa.
Dado: kcobre = 401 W/m.K
Exercício
Se você se expusesse por alguns momentos ao espaço sideral longe do Sol e sem um traje
espacial (como fez um astronauta no filme 2001: Uma Odisséia no Espaço), sentiria o frio
do espaço, ao irradiar muito mais energia que a absorvida do ambiente. (a) com que traxa
você perderia energia? (b) quanta energia você perderia em 30 s? Suponha que sua
emissividade é 0,90 e uma área estimada de corpo humano de 2 m2.
Exercício
O teto de uma casa em uma cidade de clima frio deve ter uma resistência térmica R de 30
m2.K/W. Para isso, qual deve ser a espessura de um revestimento:
(a) de espuma de poliuretano?
(b) de prata?