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Introdução à termodinâmica: calor Introdução aos conceitos termodinâmicos de temperatura e dilatação. Prof. Gabriel Burlandy Mota de Melo 1. Itens iniciais Propósito Compreender os conceitos de calor e suas formas de propagação, assim como a primeira, a segunda e a terceira lei da termodinâmica, além das concepções envolvidas no funcionamento de máquinas térmicas e refrigeradores. Objetivos Definir os conceitos de calor, calor sensível e calor latente, além da capacidade térmica e das formas de transmissão de calor. Reconhecer as três leis da termodinâmica. Identificar a teoria termodinâmica por trás do funcionamento de máquinas térmicas e refrigeradores. Preparação Antes de iniciar, tenha em mãos papel, caneta e uma calculadora científica, ou use a calculadora de seu celular ou computador. Introdução Bem-vindos ao estudo introdutório à física de calor. Assista ao vídeo a seguir para iniciar. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. • • • 1. Conceitos de calor e capacidade térmica Calor A energia se manifesta ao nosso redor de muitas formas distintas. Ela, no entanto, precisa retornar ao meio ambiente — e, em geral, retorna de forma degradada. O calor é a forma mais degradada da energia que conhecemos; por isso, ele merece uma atenção especial. Vamos, então, definir seu significado, destacando ainda como sua compreensão ajudou a humanidade a progredir tecnologicamente. Definição de calor Calor é o termo utilizado em física para definir a transferência de energia que ocorre devido à diferença de temperatura entre dois ou mais corpos. Apesar de ser energia, ele possui um sentido: o calor flui espontaneamente do corpo de maior temperatura, ou seja, o mais quente, para o de menor temperatura, ou seja, o mais frio. A energia se transfere espontaneamente sempre do corpo quente para o frio. Essa transferência energética ocorre até que o equilíbrio térmico seja atingido. Há duas formas de transferi-la de um sistema físico para outro. A primeira é por meio da realização de trabalho; a segunda, por meio do calor. Na física, representamos o calor pela letra Q. Por se tratar de energia, sua unidade no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Joule (J). No entanto, é muito mais comum o calor ser expresso em calorias (cal). Uma caloria possui um valor aproximado de 4,18 Joules: Essa relação é muito importante para que saibamos realizar a conversão de uma unidade para outra. Vamos demonstrar como é possível converter as unidades de energia. Para aquecer certa quantidade de água, são necessários 2.300 cal. Qual o valor dessa energia no SI? Para conhecer esse valor, deve-se fazer uma conversão de calorias para Joules. Nesse caso, basta utilizar uma simples regra de três. Confira. Ou seja, 2.300 cal equivalem a 9.614 J. Podemos verificar, grosso modo, que, em uma conversão de calorias para Joules, ocorre o seguinte: multiplica-se o valor dado em calorias por 4,18. Isso significa que, para converter de Joules para calorias, basta dividir o valor em Joules por 4,18. A imagem a seguir indica um esquema que ajuda a visualizar essa conversão. Esquema de conversão. Façamos agora uma conversão inversa. Exemplo Como converter 8.500 J para calorias? Podemos observar que basta dividir o valor 8.500 J por 4,18: Ou seja, 8.500 J equivalem a 2.033,49 cal. Calor e transferência de energia A transferência de energia na forma de calor pode ocorrer de duas maneiras. Vamos conhecê-las. Calor sensível Trata-se da troca de energia entre corpos na forma de calor de tal maneira que haja uma mudança de temperatura sem ocorrer uma modificação no estado físico da matéria. O corpo, portanto, não sofre fusão, evaporação, sublimação etc. Matematicamente, o calor sensível é calculado como: Em (1), m é a massa do corpo. Quando a unidade de energia é o Joule, m é dado em quilogramas (kg); porém, quando essa unidade se refere a calorias, m é dado em gramas (g). Já c corresponde ao calor específico do corpo, que é uma constante e depende do material aquecido ou resfriado. Saiba mais O livro Handbook of physics contém uma tabela com o calor específico de todos os materiais conhecidos. No SI, a unidade e medida do calor específico é o Joule por quilograma Kelvin . Contudo, se a energia for dada em calorias, esse calor terá unidades de calorias por grama graus Celsius . Já significa a variação de temperatura. Se a energia estiver em Joules, as temperaturas deverão estar em Kelvin (K), mas, se estiverem em função das calorias, precisarão constar em Celsius . Matematicamente, a variação de temperatura é determinada pela diferença entre a temperatura final e a inicial : Conseguiremos compreender melhor esse conceito acompanhando a solução de mais um exemplo. Exemplo Um litro de água está sendo aquecido pela chama de um fogão até o ponto de ferver. A densidade dela é de 1 g/cm³; seu calor específico, 1 cal/g °C. Considerando que a água é levada à chama com uma temperatura de 20 °C, determine a quantidade de energia que deve ser fornecida à água para que ela possa ferver. Para reforçar seu aprendizado, veremos, neste vídeo, qual a quantidade de energia necessária para ferver água. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Atenção Um corpo resfriando, ou seja, que diminui sua temperatura cede energia para o meio ambiente. Dessa forma, o que se obtém como resultado é uma quantidade de energia negativa. O sinal negativo, nesse caso, significa que o corpo está cedendo (perdendo) energia, e não que a está ganhando. Calor latente É a unidade de medida física relacionada à quantidade de energia que, em forma de calor, um corpo deve receber ou ceder para mudar de fase. Nessas mudanças de fase, pode-se, por exemplo, passar do estado sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice-versa etc. Matematicamente, o calor latente é dado por: Em (3), a massa é dada em gramas ou quilogramas nas mesmas circunstâncias discutidas em (1). Já o L é chamado de calor latente: trata-se da energia necessária para um grama do material mudar de fase. Sua unidade no SI é o Joule por quilograma . Contudo, em função da unidade de energia cal, ela é expressa por . Exemplo 1 Um litro de água se encontra a . O calor latente de evaporação é igual a . Qual é a quantidade de energia necessária para evaporar toda essa massa de água? Note que temos de determinar a massa da água, mas essa determinação já foi feita no exemplo. Desse modo, sabemos que um litro de água corresponde à massa de 1 kg de água. Aplicando a equação, temos: Ou em calorias: Nosso resultado indica que é necessária uma energia de 2.256 kJ ou 539,71 kcal para evaporar 1 kg de água. No entanto, se a reação física fosse inversa, ou seja, o vapor d'água condensado em líquido, consideraríamos o calor latente da água como - . Nesse caso, veríamos que o vapor precisaria perder de energia para poder condensar. Exemplo 2 Vejamos agora outro exemplo um pouco mais complexo. Determinaremos a energia necessária a fim de que uma pedra de gelo de 0,5 kg a -4 °C se transforme em um vapor d’água a 100 °C. Primeiramente, vamos aos dados: Agora precisamos raciocinar: como ocorre esse aquecimento de -4 °C a 100 °C? Tal resposta pode ser dividida em quatro etapas: A temperatura de 0,5 kg de gelo (500 g) aumenta de -4 °C a 0 °C, ponto em que muda de fase (sólido para líquido). Nessa primeira etapa, portanto, obtemos calor sensível: 2. Agora que está a 0 °C, o gelo derreterá; logo, mudará da fase sólida para a líquida. Assim, chegamos à segunda etapa, a do calor latente: 1. 3. Nesta etapa, temos 500 g de água, pois todo o gelo derreteu. Com isso, essa água será aquecida de 0 °C a 100 °C, o que nos remete ao calor sensível: 4. O que resta é a água a 100 °C evaporar. Para isso, é necessário mudar de fase, ou seja, passar do líquido para o vapor. Desse modo, temos calor latente: No entanto, todas as demais energiascalculadas até agora estão em calorias; dessa forma, precisamos converter a energia para calorias: Já podemos determinar a energia total que a massa de gelo de 0,5 kg teve de absorver para se tornar um vapor d’água a 100 °C. Basta, para isso, somar a energia das quatro etapas: Ou, multiplicando por 4,18, temos: As quatro etapas calculadas podem ser apresentadas na forma de um gráfico, o que facilita a visualização das fases de transformação do gelo em vapor: Etapas de transformação. No gráfico, podemos observar que, em e , onde calculamos calor latente, existe um patamar horizontal. Isso demonstra que a transformação de fase ocorre sem haver mudança na temperatura. Capacidade térmica Representada pela letra C (maiúscula), a capacidade térmica indica a quantidade de energia que deve ser absorvida ou cedida por um corpo para alterar a sua temperatura em 1 °C. A capacidade térmica é determinada pela razão entre a energia e a variação da temperatura. Matematicamente, representamos isso como: Sua unidade de medida é o Joule por Kelvin (J/K) no SI ou calorias por graus Celsius (cal/°C). Outra forma de determinar a capacidade térmica de um corpo é por meio do produto entre sua massa e seu calor específico: Com a informação de (5), podemos reescrever (1), que foi visto acima, como: Note que (6) é equivalente a (4). A capacidade térmica também pode ser observada no gráfico anterior como o coeficiente angular da reta que representa o calor sensível. Veja o caso a seguir. Considere que quatro gramas de água estão em um calorímetro de capacidade térmica igual a 0,8 cal/°C. Sabendo que o calor específico da água é igual a 1 cal/g °C, encontre a quantidade de energia necessária para fazer o conjunto calorímetro- água sofrer um aumento de temperatura de 98 °C. Nesse caso, tanto o calorímetro quanto a água aquecem; desse modo, precisamos determinar o aquecimento de ambos. Primeiramente, utilizaremos a equação (6) para determinarmos a energia necessária a fim de gerar o aquecimento do calorímetro: Em seguida, empregaremos a equação (1) para determinarmos a quantidade de energia necessária para aquecer a massa de 4 g de água: No total, a energia necessária para aquecer o sistema é: Troca de calor em um calorímetro (conservação da energia térmica) Utilizaremos agora tanto as teorias relativas ao calor sensível e ao latente quanto a de capacidade calorífica para compreendermos como ocorre a troca de calor entre os corpos no interior de um calorímetro. Isto é, em um recipiente que impede sua troca com o meio externo. Nessa situação, vemos que: Na sequência, veremos um caso que exemplifica o conceito. Exemplo Em um calorímetro de capacidade térmica de 0,3 cal/°C com 200 g de água a 20 °C, é posto um objeto metálico de 1 g a uma temperatura de 212 °C. Esse objeto possui capacidade térmica de 0,15 cal/°C. Considerando o calor específico da água como 1 cal/g °C, qual é a temperatura de equilíbrio do sistema? Ao misturarmos algo quente com outro frio, obtemos o equilíbrio térmico em uma temperatura intermediária entre o quente e o frio. Nesse caso, vamos encontrar uma que esteja entre 20 °C e 212 °C. O calorímetro também participa da troca de calor, então, dessa maneira, temos: 1. Calorímetro: 2. Água aquecendo até a temperatura de equilíbrio: 3. Cubo de metal resfriando até a temperatura de equilíbrio: Como não há troca de energia com o meio externo, esses materiais trocam de energia entre si; então, diante disso, a troca de energia total é nula, pois essa energia continua sendo a mesma. Dessa forma, podemos matematicamente afirmar que: A temperatura do equilíbrio se dá em 20,14 °C. Podemos apontar ainda que, a uma temperatura de 212 °C, 1 g desse metal aumenta em 0,14 °C o conjunto calorímetro + 200 g de água, que, inicialmente, se encontra a 20 °C. Propagação do calor A propagação de calor do corpo quente para o frio pode ocorrer de três formas distintas: Condução A transferência ocorre por contato direto entre os dois corpos. Colocamos uma pedra de gelo em um copo de água a uma temperatura ambiente. Como a água e o gelo estão em contato direto, a água transfere energia (na forma de calor) para o gelo até que o equilíbrio térmico seja estabelecido. Convecção É a transferência de energia por meio de um fluido. No cozimento de alimentos, por exemplo, o fogo aquece o fundo de uma panela. Ela transfere o calor para a água, agitando suas moléculas. Essa agitação, por sua vez, transfere energia na forma de calor para o alimento, cozendo-o. Então, nesse caso, temos a transferência de energia na forma de calor do fogo para o alimento, através do fluido que é a água. Isso é a convecção. Radiação Transferência de energia na forma de calor que ocorre tanto no vácuo como em meio material, porém, não precisa de meio material para se propagar. Essa propagação ocorre por meio de emissão de fótons. Mão na massa Questão 1 Um pedaço de metal de capacidade térmica igual a 0,05cal/°C é aquecido de 5°C a 21°C. A energia necessária para isso é igual a: A 0,92cal B 0,80cal C 0,78cal D 0,55cal A alternativa B está correta. Da equação(6) vista acima, temos que: Questão 2 Assinale a quantidade de energia que deve ser retirada de 100g de água a 0°C para que ela possa virar gelo, a 0°C, se o calor de fusão dela é 540cal/g: A 54.000cal B – 54.000cal C 27.000cal D -27.000cal A alternativa B está correta. Para a água virar gelo, deve haver uma mudança de fase. Ocorre, portanto, um processo de calor latente: O sinal negativo é associado ao fato de a água estar perdendo energia na forma de calor. Questão 3 Determinado material sofre um aumento de temperatura de 400°C ao receber uma quantidade de energia equivalente a 235.789cal. Sua capacidade térmica é igual a: A B C D A alternativa A está correta. Assista ao vídeo que aborda a determinação de capacidade térmica, apresentando a resolução comentada desta questão. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Questão 4 Certa massa de água recebeu 200.000cal e se aqueceu em 4°C. Se o calor específico dela é de 1cal/g°C, sua capacidade térmica é igual a: A B C D A alternativa D está correta. Sabemos que o calor sensível é dado por: A capacidade térmica é dada por: Questão 5 Dois líquidos imiscíveis foram colocados em um calorímetro de capacidade térmica desprezível. O líquido 1 tem massa de 8 g e temperatura de 140°C; o 2, massa de 8 g e temperatura de 200°C. Podemos afirmar que a temperatura de equilíbrio desse sistema se dá em: A B C D A alternativa B está correta. Temos que: Simplificando por 8, encontramos: Questão 6 Em um recipiente com 400ml de chá a 80°C, são adicionados 10ml de água gelada a 5°C. O recipiente possui capacidade térmica desprezível. Assinale a alternativa que representa a temperatura de equilíbrio do sistema. Dados: • Densidade da água igual à do chá: 1kg/L ou 1g/ml; • Calor específico da água(igual ao do chá): 1 cal / g° C ou 4200 J / kg.K; • 1 cal = 4, 18 J. A 78,17°C B 74,38°C C 69,35°C D 60,38°C A alternativa A está correta. Assista ao vídeo que aborda o encontro da temperatura de equilíbrio, apresentando a resolução comentada desta questão. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Teoria na prática Utilizaremos agora as informações sobre conservação da energia térmica para determinarmos a quantidade de gelo que se transforma na seguinte situação: Em um calorímetro ideal de capacidade térmica desprezível com uma pedra de 200g de gelo a -4°C, são adicionados 150g de água a 10°C. Considerando o calor específico do gelo 0,5cal/g°C e o da água, 1cal/g°C, assim como o calor latente de fusão igual a 540cal/g, determine a quantidade de gelo que derrete durante a troca de calor até que seja atingido o equilíbrio térmico em 0°C. Chave de resposta Primeiramente, determinaremos quanta energia é gasta para aquecer o gelo de -4°C para 0°C: Em seguida,apontaremos quanta energia foi retirada da água a fim de que ela resfriasse de 10°C para 0°C: Por fim, calcularemos a quantidade de energia necessária para fazer certa massa de gelo se transformar e virar água: Basta agora somar as energias e igualar a zero: Assim, nas condições descritas, verificamos que, ao se alcançar o equilíbrio térmico em 0°C, 2,04g de gelo se transformam em água em 0°C. Com isso, ao final, temos 197,96g de gelo e 152,04g de água. Verificando o aprendizado Questão 1 Compondo um chuveiro elétrico, uma resistência elétrica fornece uma energia de 2.500J por segundo para um volume de 600ml de água (que também passa pelo chuveiro por segundo). Se a água entra com temperatura de 20° C, com qual temperatura ela deixa o chuveiro ? Para responder, tenha em conta que c = 1 cal / g° C. A 20°C B 21°C C 22°C D 23°C A alternativa B está correta. Como os 600ml, que correspondem a 600g de água, passam por segundo, eles absorvem 2.500J por segundo. Todavia, é necessário converter a energia de Joules para calorias. Assim: Podemos determinar a temperatura com a qual a água deixa o chuveiro por meio da teoria de calor sensível. Com isso: Questão 2 Certa massa de água recebeu 50.000cal e se aqueceu em 1°C. Se seu calor específico é de 1cal/g°C, a capacidade térmica dela é igual a: A B C D A alternativa D está correta. Sabemos que o calor sensível é dado por: Já a capacidade térmica é dada por: 2. Leis da termodinâmica Introdução A termodinâmica, assim como qualquer parte da física, é regida por leis. Elas explicam, com exatidão e clareza, como ocorre, por exemplo, a variação de temperatura em um corpo e de que maneira o calor se comporta. Por meio dessas leis, é possível construir máquinas térmicas que realizam trabalho mecânico, ou outras que produzem tal trabalho, com o objetivo de gerar calor. Vamos, então, conhecer tais leis e entender como esse tipo de conhecimento iluminou o caminho evolutivo da humanidade. Primeira lei da termodinâmica Também conhecida como princípio de Joule, a primeira lei da termodinâmica é a versão termodinâmica da lei de conservação da energia mecânica, pois ela assume que diversas formas de trabalho podem ser convertidas em outras formas de energia. De acordo com seus preceitos, a energia transferida na forma de calor (Q) é igual à soma da variação da energia interna (∆U) do sistema termodinâmico analisado com o trabalho (W) por ele sofrido ou realizado. Podemos observar isso nesta fórmula: Saiba mais A primeira lei da termodinâmica foi estabelecida por Rudolf Clausius (1822-1888). O físico e matemático alemão é considerado um dos fundadores deste ramo da ciência: a termodinâmica. Quando o calor Q é medido em calorias, a energia interna e o trabalho também devem estar na unidade de calorias; no entanto, se Q estiver em Joules, a energia interna e o trabalho também deverão estar. Entendemos que o calor de um corpo é obtido pela soma de duas parcelas de energia, mas o que significa essa energia interna? Ela é a soma de toda a energia mecânica das partículas que compõem o sistema, ou seja, trata-se do somatório de todas as parcelas de energia cinética das partículas com a energia potencial delas. A energia interna é considerada uma propriedade do sistema, pois depende somente dos estados inicial e final do processo termodinâmico. Tendo isso em vista, podemos fazer duas afirmações: Pela primeira lei da termodinâmica demonstrada na equação (8), ainda podemos fazer a seguinte afirmação: quanto maior for a energia interna de um sistema, maior será sua capacidade de realizar um trabalho. No entanto, trata-se de uma convenção a indicar que: Quando o sistema expande e realiza trabalho, W > 0; porém, nesse caso, ele está perdendo energia para o meio ambiente. Quando se contrai e recebe trabalho, W 0, o sistema está ganhando calor. Perda de calor Quando Q é negativo, ou seja, Qinterna e, por sua vez, a entropia dela, pois as moléculas da água passaram a ficar mais agitadas. Como o calorímetro é ideal, essa energia dada para a água nunca será cedida ao meio ambiente. O fato de a temperatura dela não poder diminuir garante que a entropia do sistema não vai baixar. 2. Em vez de em um calorímetro, a água está agora contida em um copo de vidro sobre uma mesa. Ao aquecer de para , a entropia vai aumentar. No entanto, como existe uma troca de calor com o meio ambiente, a água começa, com o tempo, a diminuir sua temperatura gradativamente até retornar àquela registrada inicialmente . Essa redução da temperatura diminui a energia interna do sistema, o que também diminui a entropia do sistema. Observaremos agora outro exemplo com uma aplicação da teoria da segunda lei da termodinâmica. Exemplo 2 Isolado do meio externo, determinado sistema físico sofre uma variação de energia interna de 5.000.000 J, equilibrando-se em uma temperatura de 795 K. • • Qual é a sua variação de entropia? De acordo com a equação (10), notamos que: Substituindo os valores, temos o seguinte: Terceira lei da termodinâmica Desenvolvida pelo químico Walther Nernst, a terceira lei da termodinâmica postula que a entropia de um sistema no zero absoluto (0K) é constante. Essa afirmação se justifica pelo fato de que qualquer sistema termodinâmico a 0K (-273 °C) existe em seu estado fundamental. A explicação para isso é que, a 0K, não existe vibração molecular. Dessa forma, não há energia interna. Sem ela, não se registra desordem — e, sem desordem, a entropia é nula. Matematicamente, a terceira lei da termodinâmica é descrita como: Todo corpo possui uma vibração molecular. Essa vibração é dependente da temperatura; com isso, quanto maior for a temperatura, maior será a vibração molecular e, por consequência, a desordem das moléculas. Contudo, o contrário também é valido: quanto menor for a temperatura, menores serão o desarranjo molecular e a entropia. A terceira lei da termodinâmica prevê que a entropia só é nula quando a vibração molecular também é nula. Isso só pode ser alcançado na temperatura de zero absoluto, que corresponde ao zero Kelvin (0K). Em 0K, as moléculas assumem um arranjo perfeito. A imagem a seguir ilustra o comportamento da entropia com a diminuição da temperatura: Mão na massa Questão 1 Um sistema não isolado está cedendo energia para o meio ambiente na forma de calor. Dessa maneira, podemos afirmar que A sua temperatura está aumentando. B sua entropia está diminuindo. C sua entropia se mantém constante. D sua temperatura se mantém constante. A alternativa B está correta. Como o sistema está diminuindo sua temperatura, também diminui a energia interna dele. Suas moléculas estão se agitando menos; com isso, a desordem está diminuindo, assim como a entropia do sistema. Questão 2 Sobre um processo termodinâmico que ocorre de forma isolada e sua entropia, classifique as afirmativas a seguir como verdadeiras (V) ou falsas (F). ( ) Em um processo isolado, a entropia do sistema diminui com o tempo. ( ) Em um processo isolado, a temperatura do sistema aumenta com o passar do tempo. ( ) Em um processo isolado em que não há ganho de energia por fonte externa, a entropia se mantém. Assinale a seguir a alternativa que apresenta a correta veracidade das afirmações. A V – V – V B F – F – F C F – F – V D V – F – V A alternativa C está correta. Assista ao vídeo que aborda a teoria da Entropia e também apresenta a resolução desta questão. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Questão 3 Um gás sofre uma transformação isotérmica, porém se expande, saindo de seu recipiente para o meio externo. Diante disso, podemos afirmar que o gás A sofre trabalho sobre o meio externo. B libera calor e se contrai. C absorve calor e realiza trabalho sobre o meio externo, realizando um trabalho negativo. D absorve calor e realiza trabalho sobre o meio externo, realizando um trabalho positivo. A alternativa D está correta. Em uma reação isotérmica, toda energia absorvida na forma de calor é utilizada para a realização do trabalho. Ao realizar o trabalho, o gás se expande. Isso faz com que tenha um trabalho positivo, pois seu volume final é maior que o inicial. Sua expansão demonstra que esse gás está realizando trabalho sobre o meio ambiente. Questão 4 Em uma transformação adiabática, um gás se expande em 0,5 m³ a uma pressão de 3 atm. Sua variação de energia interna é igual a: A B C D A alternativa A está correta. Assista ao vídeo que aborda a transformação adiabática e a variação de energia interna, e também apresenta a resolução desta questão. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Questão 5 Em uma transformação isocórica, um gás de massa 5 g e calor específico igual a 0,1 cal/g °C altera sua temperatura em 256 °C positivamente. A variação de energia interna dele é igual a: A 535,04 J B 525,24 J C -535,04 J D -525,24 J A alternativa A está correta. Em uma transformação isocórica, W = 0. Assim: Como não há mudança de fase do gás, podemos determinar o calor pela teoria de calor sensível: A energia interna é descrita como: Dessa forma, a variação da energia interna é igual a: Convertendo para Joules e multiplicando por 4,18, temos: Questão 6 Em uma transformação isobárica, um sistema perde 2.000 cal para o meio ambiente e sofre uma variação de volume de 0,2 m³ a uma pressão de 105 Pa. Nesse caso, a variação da energia interna é igual a: A 22.180 J B 24.600 J C 26.580 J D 28.360 J A alternativa D está correta. Em uma transformação isobárica, temos que: Todavia, como ocorre uma perda de calor para o meio ambiente, há redução de volume; com isso, o trabalho é: A energia também deve ser convertida de calorias para Joules. Então, multiplicando por 4,18, encontramos: Dessa forma, a variação de energia interna é igual a: Teoria na prática Vimos que o trabalho realizado por um gás é obtido pelo produto entre a pressão e a variação de seu volume ( ). No entanto, tal equação tem funcionalidade apenas para os casos em que a pressão é constante. Há muitos sistemas termodinâmicos em que o gás realiza um trabalho em uma condição na qual a pressão não é constante. Nesse caso, para determinar o trabalho, é necessário montar um gráfico denominado diagrama PV (pressão por volume). Seu trabalho é determinado pelo cálculo da área da forma geométrica gerada pelas curvas de transformações térmicas. Tendo isso em vista, consideraremos a seguinte situação: Determinado gás possui 3 m³ de volume e está a uma pressão de 12 Pa. De repente, ele sofre uma transformação: seu estado final passa a ser de um volume de 10 m³ e pressão de 6 Pa. Indique o trabalho realizado por esse gás. Chave de resposta Primeiramente, precisamos montar o gráfico PV da seguinte maneira: Em seguida, determinaremos a figura geométrica, a qual, ao se verificar a área sobre a curva, é montada da seguinte forma: Podemos observar que a área sobre a curva montou um trapézio de base maior 12 Pa, base menor 6 Pa e altura 7 m³. Então, para o cálculo do trabalho, calcularemos a área desse trapézio: Nesse caso, em que a transformação termodinâmica promove uma mudança de volume e pressão, o trabalho do gás foi determinado pela área sobre a curva do trabalho plotada em um gráfico PV. Verificando o aprendizado Questão 1 Em uma transformação adiabática, um gás se expande em 5 m³ a uma pressão de 1 atm. Sua variação de energia interna é igual a: A B C D A alternativa A está correta. Em uma transformação adiabática, Q = 0. Logo: Como o trabalho de um gás é dado por: A energia interna é descrita como: A pressão tem de ser expressa em Pascal: Assim, a variação da energia interna é igual a: Questão 2 Em uma transformação isocórica, um gás de massa 75 g e calor específico equivalente a 12,0 cal/g °C altera sua temperatura positivamente em 56 °C. A variação de energia internadele é igual a: A 51.535,04 cal B 50.400 cal C -51.535,04 cal D -50.400 cal A alternativa B está correta. Em uma transformação isocórica, temos que W = 0. Logo: Como não há mudança de fase do gás, podemos determinar o calor pela teoria de calor sensível: A energia interna é descrita como: Dessa forma, a variação da energia interna é igual a: 3. Termodinâmica das máquinas térmicas e refrigeradores Máquinas térmicas Uma máquina térmica trabalha absorvendo calor do meio ambiente à sua volta e convertendo-o em trabalho útil. Porém, para que tal conversão seja realizada, essa máquina depende de uma substância de trabalho (em geral, um fluido). Um exemplo simplório disso é o funcionamento de uma máquina que funciona a vapor d’água. vapor d’água O vapor d’água é a substância de trabalho que, ao se expandir, realiza um trabalho mecânico sobre uma roda e a faz girar. Máquina com funcionamento a vapor d´água. Outro exemplo cotidiano é a máquina térmica que faz um automóvel se mover, ou seja, o motor de um automóvel. Nesse tipo de motor, o líquido de trabalho é a mistura entre aquele utilizado para a combustão, como gasolina, etanol, GNV e diesel, e o ar. Uma máquina térmica precisa funcionar continuamente, sempre convertendo calor em trabalho mecânico (trabalho útil). Para que isso seja possível, tal máquina deve trabalhar em um ciclo fechado no qual ocorrem diversos processos termodinâmicos chamados de tempos. Máquina de Carnot: ciclo de Carnot, o ciclo ideal Para aprofundar nosso conhecimento sobre as máquinas térmicas, é necessário recorrer à ciência da termodinâmica e verificar como suas leis podem nos ajudar a compreender mais sobre o funcionamento delas. Funcionamento Existem diversos tipos de motores; logo, há muitos tipos de máquinas térmicas. A máquina térmica de Carnot se baseia no ciclo de transformação termodinâmico de Carnot. máquina térmica de Carnot O ciclo de Carnot foi desenvolvido antes do desenvolvimento das duas leis da Termodinâmica. É importante mencionar que a máquina de Carnot é uma máquina ideal, o que significa que nenhuma máquina térmica consegue alcançar a sua eficiência. Esse ciclo mostra que a máquina térmica de Carnot é a mais eficiente para a conversão de calor em trabalho útil. Na imagem a seguir, podemos observar um esquema representativo do funcionamento dessa máquina. Esquema de funcionamento de uma máquina. A máquina de Carnot funciona com duas fontes: Dica Chamar uma fonte de quente e outra de fria é uma convenção apenas para afirmar que TQ > TF e, por sua vez, que QQ > QF. Devemos explicar agora o que ocorre na imagem anterior: a fonte quente aquece o fluido, fornecendo-lhe calor; logo, esse fluido se expande e se movimenta. Ao se expandir, realiza um trabalho. No entanto, para que sua expansão ocorra e ele realize o trabalho, é necessário haver uma fonte fria; caso contrário, o sistema entra em equilíbrio térmico e o fluido para de se movimentar. De temperatura quente (TQ) Fornece ao fluido de trabalho uma quantidade de calor (QQ). De temperatura fria (TF) Retira calor (QF) desse fluido. Durante a expansão do fluido e, consequentemente, sua movimentação, ele transfere parte do calor absorvido na fonte quente para a máquina, realizando um trabalho mecânico e fazendo-a se movimentar (como ilustra a imagem). A energia absorvida na fonte quente não é integralmente aproveitada para realizar o trabalho. Desse modo, em tal situação, a restante é retirada do fluido pela fonte fria. Ao despejá-la nessa fonte, o fluido de trabalho reinicia o ciclo para que o trabalho mecânico seja realizado constantemente. A energia que transcorre pelo fluido na fonte quente é a energia total que o fluido recebe. Assim, assumindo que não há perda de calor para o meio ambiente, podemos estabelecer que a retirada de energia nessa fonte é igual à soma entre o trabalho realizado pela máquina e a energia despejada na fonte fria: Observemos agora outra imagem. Ela apresenta um diagrama pressão por volume (PV) do ciclo de Carnot. O sentido das transformações termodinâmicas do ciclo está indicado pelas setas. Podemos perceber que esse ciclo é percorrido no sentido horário. Diagrama PV do ciclo de Carnot. A figura acima também apresenta o funcionamento de um cilindro ideal, que, fabricado de material isolante, contém um fluido. Esse cilindro nos ajuda a compreender o funcionamento mecânico do ciclo de Carnot. Para isso, consideraremos que: O fluido é um gás ideal. O cilindro se encontra entre uma fonte quente e uma fria. No ponto 1 da figura, a fonte quente cede energia para o fluido de trabalho, havendo uma transformação isotérmica pelo fato de a temperatura da fonte quente ser constante. Completada a transformação, o fluido atinge o ponto 2 do diagrama PV. Nesse ponto, ele sofre uma transformação de expansão adiabática e, em seguida, realiza o trabalho sobre o cilindro, empurrando o êmbolo até a altura máxima que ele pode assumir no local (realiza trabalho mecânico sobre o cilindro, W). O fluido atinge o ponto 3 do diagrama e perde energia para a fonte fria. Como a temperatura dessa fonte é constante, o fluido sofre uma compressão isotérmica e atinge o ponto 4 do diagrama. • • No último ponto, o êmbolo realiza um trabalho adiabático sobre o fluido, comprimindo-o. Isso faz o ciclo retornar para o ponto 1 e, daí em diante, repetir-se indefinidamente. No ciclo termodinâmico da imagem anterior, o trabalho pode ser medido pelo cálculo da área no interior da curva formada pelo ciclo. Dica O processo é equivalente ao que foi feito na teoria na prática no tópico leis da termodinâmica. Determinação da eficiência Em qualquer tipo de máquina, o maior interesse é converter o máximo possível de energia em trabalho útil. Essa conversão é chamada de rendimento . Matematicamente, o rendimento é determinado pela razão entre o trabalho realizado pela máquina (W) e a quantidade de energia total cedida a ela, o que, no caso de uma máquina térmica, corresponde ao calor fornecido pela fonte quente QQ. Diante disso, matematicamente temos: Mensurar o trabalho realizado é uma tarefa difícil. Por isso, precisaremos reescrever a equação (13) para podermos deixar o rendimento em função de parâmetros conhecidos: Temperatura quente Temperatura fria Em seguida, tiraremos da equação (12) que . Substituindo em (13), obtemos o seguinte: Reescrevendo (14), temos: Simplificando: Nesse tipo de transformação, não há mudança de fase. Desse modo, podemos escrever QF e QQ em função da teoria de calor sensível: Note que as equações do calor sensível foram descritas em função de TF e TQ – e não de DTF e DTQ. Afinal, as transformações são isotérmicas. Simplificando (16), verificamos que: Da equação (17), deduzimos que, conhecendo as temperaturas das fontes fria e quente, é possível determinar o rendimento dessa máquina térmica. Atenção Para esse cálculo, a temperatura deve ser convertida para Kelvin. Caso contrário, o rendimento calculado será fictício. Podemos escrever a equação (17) na forma porcentual da seguinte maneira: Como TFflui de uma fonte quente para uma fria. Porém, é possível fazê-lo fluir da fonte fria para a quente utilizando uma máquina térmica chamada refrigerador (como uma geladeira ou um ar-condicionado, por exemplo). Para transferir calor do ambiente frio para o quente, o refrigerador utiliza o trabalho mecânico, contando, em geral, com o auxílio de um motor que possui um líquido de trabalho com um fluido pressurizado. Esse fluido tem como principal propriedade a capacidade de alterar seu estado físico — de gasoso para líquido — durante seu ciclo. A imagem a seguir apresenta um esquema do funcionamento de um refrigerador. Observe que ele funciona de maneira oposta à de uma máquina térmica. Isso demonstra que retira energia da fonte fria e a deposita na quente quando o ciclo recebe trabalho do motor (ou compressor). Esquema do funcionamento de um refrigerador. A eficiência do refrigerador é determinada pelo seu coeficiente de desempenho (K), o qual, por sua vez, é calculado pela razão entre a energia retirada da fonte fria (QF) e a consumida (W) no processo de refrigeração. Matematicamente, temos isto: No caso de um refrigerador ideal, ou seja, um refrigerador de Carnot, verificamos a seguinte representação: Fazendo W = QQ - QF, observamos: Fazendo Q = mcT, obtemos: Simplificando: Teoria na prática Na indústria, o desempenho de um ar-condicionado doméstico é de e o desempenho de uma geladeira doméstica é de . Imaginemos que um refrigerador se encontra em um local onde a temperatura da fonte quente é de . Para que sua eficiência seja de 2,5, qual deve ser a temperatura da fonte fria? Consideraremos um refrigerador de Carnot para essa solução. Chave de resposta Assista ao vídeo que aborda a determinação da temperatura ideal para rendimento e também apresenta a resolução desta questão. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Mão na massa Questão 1 Uma máquina térmica recebe 4.000 J de energia da fonte quente, mas utiliza somente 2% dela. A energia transmitida para a fonte fria é igual a: A 1.990 J B 2.300 J C 2.594 J D 3.920 J A alternativa D está correta. Se apenas 2% são utilizados, 98% são transmitidos para a fonte fria. Desse modo: Questão 2 Uma máquina realiza um trabalho de 2.000 J e transfere 4.330 J para a fonte fria. O total de calor recebido pela fonte quente é igual a: A 6.330 J B 4.920 J C 3.280 J D 2.111 J A alternativa A está correta. Assista ao vídeo que aborda o cálculo do calor total de uma máquina térmica e também apresenta a resolução desta questão. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Questão 3 Um refrigerador retira calor de um ambiente a 25 °C para outro, cuja temperatura é 32 °C. Sua eficiência é de: A 42,57 B 50,97 C 69,69 D 71,77 A alternativa A está correta. A eficiência é dada por: A todos os valores de temperatura, foi adicionado o valor 273 pelo fato de ser necessário converter a temperatura de Celsius para Kelvin. Questão 4 Uma máquina térmica tem sua fonte fria igual a 10 °C. Qual deve ser a temperatura da fonte quente para que seu rendimento seja de 5%? A 24,9 °C B 24,18 °C C 51,18 °C D 51,36 °C A alternativa A está correta. O rendimento é dado por: Substituindo: Convertendo tal temperatura para Celsius, temos: Questão 5 O rendimento de uma máquina de Carnot é de 10%. Diante disso, assinale a seguir a alternativa que representa TF. A 90% de TQ B 30% de TQ C 70% de TQ D 60% de TQ A alternativa A está correta. Assista ao vídeo que aborda a relação entre TQ e TF e também apresenta a resolução desta questão. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Questão 6 Uma máquina térmica tem rendimento de 0,36. Sua fonte quente fornece 28.000 cal de energia. A energia perdida para a fonte fria é igual a: A 15.201 cal B 17.920 cal C 16.551 cal D 17.800 cal A alternativa B está correta. Confira a resolução: Verificando o aprendizado Questão 1 Uma máquina de Carnot opera com uma eficiência de 20%. Assinale a seguir a alternativa que represente a diferença de temperatura entre TQ e TF. A 20% de TQ B 30% de TF C 70% de TQ D 70% de TF A alternativa A está correta. Temos: Substituindo, temos: A diferença entre a fonte quente e a fria é dada por: Questão 2 Uma máquina térmica de Carnot tem um rendimento de 0,28. Se fosse um refrigerador, qual seria seu rendimento? A 3,51 B 3,53 C 3,55 D 3,57 A alternativa D está correta. O rendimento de Carnot é o inverso da sua eficiência. Dessa forma: 4. Conclusão Considerações finais Vimos que, na forma de calor, a energia pode ser transferida de um corpo para outro, dependendo apenas da diferença de temperatura entre eles. Verificamos ainda que há dois tipos de calor: o sensível, no qual o corpo muda sua temperatura, embora preserve o estado físico da matéria, e o latente, em que essa variação cessa e a mudança de estado acontece. Observamos também leis termodinâmicas que descrevem não só como a troca de calor ocorre, mas também como gera impactos nos corpos envolvidos. Por fim, explicamos como a humanidade utilizou esse conhecimento para produzir máquinas térmicas e refrigeradores com o objetivo de gerar uma melhoria da qualidade de vida na sociedade. Podcast Agora, o especialista Gabriel Burlandy Mota de Melo faz um resumo sobre o tema. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para ouvir o áudio. Explore+ Aprofunde o seu conhecimento sobre os conceitos de conservação da energia térmica em PELLEGRINI, C. de C. A busca pelo copo ideal: um estudo de otimização em transferência de calor. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 41, n. 3, 23 maio 2019. Saiba mais sobre as máquinas térmicas em OLIVEIRA, P. M. C.; DECHOUM, K. Facilitando a compreensão da segunda lei da termodinâmica. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25, n. 4, nov./ dez. 2003. Aprofunde a sua visão sobre a segunda lei da termodinâmica em FREITAS, L. R. D.; PEREIRA, L. F. C. Variação da entropia total para um corpo em contato com reservatórios térmicos: o caminho da reversibilidade. Revista Brasileira de ensino de Física, v. 41, n. 4, 23 maio 2019. Referências BRUNETTI, F. Motores de combustão interna. São Paulo: Blücher, 2012. CUTNELL, J. D.; JOHNSON, K. W. Física. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. v. 1. • • • Introdução à termodinâmica: calor 1. Itens iniciais Propósito Objetivos Preparação Introdução Conteúdo interativo 1. Conceitos de calor e capacidade térmica Calor Definição de calor A energia se transfere espontaneamente sempre do corpo quente para o frio. Podemos verificar, grosso modo, que, em uma conversão de calorias para Joules, ocorre o seguinte: multiplica-se o valor dado em calorias por 4,18. Exemplo Calor e transferência de energia Calor sensível Saiba mais Exemplo Conteúdo interativo Atenção Calor latente Exemplo 1 Exemplo 2 Capacidade térmica A capacidade térmica é determinada pela razão entre a energia e a variação da temperatura. Note que (6) é equivalente a (4). Troca de calor em um calorímetro (conservação da energia térmica) Exemplo Propagação do calor Condução Convecção Radiação Mão na massa Um pedaço de metal de capacidade térmica igual a 0,05cal/°C é aquecido de 5°C a 21°C. A energia necessária para isso é igual a: Assinale a quantidade de energia que deve ser retirada de 100g de água a 0°C para que ela possa virar gelo, a 0°C, se o calor de fusão dela é 540cal/g: Determinado material sofre um aumento de temperatura de 400°C ao receber uma quantidade de energia equivalente a 235.789cal. Sua capacidade térmica é igual a: Conteúdo interativo Certa massa de água recebeu 200.000cal e se aqueceu em 4°C. Se o calor específico dela é de 1cal/g°C,sua capacidade térmica é igual a: Dois líquidos imiscíveis foram colocados em um calorímetro de capacidade térmica desprezível. O líquido 1 tem massa de 8 g e temperatura de 140°C; o 2, massa de 8 g e temperatura de 200°C.Podemos afirmar que a temperatura de equilíbrio desse sistema se dá em: Em um recipiente com 400ml de chá a 80°C, são adicionados 10ml de água gelada a 5°C. O recipiente possui capacidade térmica desprezível. Assinale a alternativa que representa a temperatura de equilíbrio do sistema.Dados:• Densidade da água igual à do chá: 1kg/L ou 1g/ml;• Calor específico da água(igual ao do chá): 1 cal / g° C ou 4200 J / kg.K;• 1 cal = 4, 18 J. Conteúdo interativo Teoria na prática Verificando o aprendizado Compondo um chuveiro elétrico, uma resistência elétrica fornece uma energia de 2.500J por segundo para um volume de 600ml de água (que também passa pelo chuveiro por segundo).Se a água entra com temperatura de 20° C, com qual temperatura ela deixa o chuveiro ? Para responder, tenha em conta que c = 1 cal / g° C. Certa massa de água recebeu 50.000cal e se aqueceu em 1°C. Se seu calor específico é de 1cal/g°C, a capacidade térmica dela é igual a: 2. Leis da termodinâmica Introdução Primeira lei da termodinâmica Saiba mais Entendemos que o calor de um corpo é obtido pela soma de duas parcelas de energia, mas o que significa essa energia interna? Exemplo Conteúdo interativo Segunda lei da termodinâmica: o conceito de entropia Isso significa que, para um sistema isolado, a entropia nunca diminui. A entropia é uma grandeza termodinâmica que mede o grau de liberdade molecular do sistema físico observado. Exemplo 1 Exemplo 2 Terceira lei da termodinâmica A explicação para isso é que, a 0K, não existe vibração molecular. Dessa forma, não há energia interna. Sem ela, não se registra desordem — e, sem desordem, a entropia é nula. A terceira lei da termodinâmica prevê que a entropia só é nula quando a vibração molecular também é nula. Mão na massa Um sistema não isolado está cedendo energia para o meio ambiente na forma de calor. Dessa maneira, podemos afirmar que Sobre um processo termodinâmico que ocorre de forma isolada e sua entropia, classifique as afirmativas a seguir como verdadeiras (V) ou falsas (F).( ) Em um processo isolado, a entropia do sistema diminui com o tempo.( ) Em um processo isolado, a temperatura do sistema aumenta com o passar do tempo.( ) Em um processo isolado em que não há ganho de energia por fonte externa, a entropia se mantém.Assinale a seguir a alternativa que apresenta a correta veracidade das afirmações. Conteúdo interativo Um gás sofre uma transformação isotérmica, porém se expande, saindo de seu recipiente para o meio externo. Diante disso, podemos afirmar que o gás Em uma transformação adiabática, um gás se expande em 0,5 m³ a uma pressão de 3 atm. Sua variação de energia interna é igual a: Conteúdo interativo Em uma transformação isocórica, um gás de massa 5 g e calor específico igual a 0,1 cal/g °C altera sua temperatura em 256 °C positivamente. A variação de energia interna dele é igual a: Em uma transformação isobárica, um sistema perde 2.000 cal para o meio ambiente e sofre uma variação de volume de 0,2 m³ a uma pressão de 105 Pa. Nesse caso, a variação da energia interna é igual a: Teoria na prática Verificando o aprendizado Em uma transformação isocórica, um gás de massa 75 g e calor específico equivalente a 12,0 cal/g °C altera sua temperatura positivamente em 56 °C. A variação de energia interna dele é igual a: 3. Termodinâmica das máquinas térmicas e refrigeradores Máquinas térmicas Máquina de Carnot: ciclo de Carnot, o ciclo ideal Funcionamento Dica Dica Determinação da eficiência Temperatura quente Temperatura fria Atenção Exemplo Refrigeradores Teoria na prática Conteúdo interativo Mão na massa Uma máquina térmica recebe 4.000 J de energia da fonte quente, mas utiliza somente 2% dela. A energia transmitida para a fonte fria é igual a: Uma máquina realiza um trabalho de 2.000 J e transfere 4.330 J para a fonte fria. O total de calor recebido pela fonte quente é igual a: Conteúdo interativo Um refrigerador retira calor de um ambiente a 25 °C para outro, cuja temperatura é 32 °C. Sua eficiência é de: Uma máquina térmica tem sua fonte fria igual a 10 °C. Qual deve ser a temperatura da fonte quente para que seu rendimento seja de 5%? O rendimento de uma máquina de Carnot é de 10%. Diante disso, assinale a seguir a alternativa que representa TF. Conteúdo interativo Uma máquina térmica tem rendimento de 0,36. Sua fonte quente fornece 28.000 cal de energia. A energia perdida para a fonte fria é igual a: Verificando o aprendizado Uma máquina de Carnot opera com uma eficiência de 20%. Assinale a seguir a alternativa que represente a diferença de temperatura entre TQ e TF. Uma máquina térmica de Carnot tem um rendimento de 0,28. Se fosse um refrigerador, qual seria seu rendimento? 4. Conclusão Considerações finais Podcast Conteúdo interativo Explore+ Referências