Aula 1 sobre calor e termodinâmica

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TRANSMISSÃO DE CALORTRANSMISSÃO DE CALOR
Maria Helena Paranhos Maria Helena Paranhos GazineuGazineu
Energia TEnergia Téérmicarmica
• As partículas constituintes de um corpo possuem energia 
de agitação.
• Energia térmica é a energia de agitação das partículas do 
corpo.
• Temperatura é uma medida do estado de agitação das 
partículas do corpo. 
• A temperatura não mede a quantidade de energia térmica 
do corpo. 
• Sendo assim, o fato de um corpo estar a uma temperatura 
superior a um outro não quer dizer que ele possua maior 
quantidade de energia térmica, mas sim que seu estado de 
agitação térmica está em um nível mais elevado que do 
outro.
CalorCalor
Calor é uma forma de 
energia em trânsito que 
passa, de maneira 
espontânea, do corpo de 
maior temperatura para 
o de menor temperatura.
Exemplo: em um recipiente contendo água na temperatura 
de 30ºC, foi introduzido um pedaço de aço a 120ºC. 
Com o passar do tempo, o aço vai esfriando e a água vai se 
aquecendo até que ambos passam a ter mesma 
temperatura. Nessa situação, dizemos que os dois estão em 
equilíbrio térmico.
Formas de Calor
• A quantidade de energia térmica recebida ou perdida por um 
corpo pode provocar uma variação de temperatura ou 
uma mudança de fase (estado de agregação molecular).
• Se ocorrer variação de temperatura, o calor responsável por 
isso chamar-se-á calor sensível.
• Se ocorrer mudança de fase, o calor chamar-se-á calor 
latente.
Unidades para medidas da quantidade de Calor
• Uma caloria é a 
quantidade de calor 
necessária para que 
um grama de água 
pura, sob pressão 
normal, tenha sua 
temperatura elevada 
de 14,5ºC para 
15,5ºC.
14,5oC 15,5oC
Unidades para medidas da quantidade de Calor
• A unidade de calor, no Sistema 
internacional de Unidades, é o Joule; 
admite-se, entretanto, o uso de calorias, 
que corresponde a 1/860 do watt-hora.
• 1 cal corresponde a 4,18J
Capacidade Térmica
• Razão entre a quantidade de calor (Q) que um corpo recebe, 
e a variação de temperatura ocorrida (Δθ ).
C = Q/ΔθΔθΔθΔθ
• Normalmente utilizamos, como unidade de medida, para 
capacidade térmica: 
cal /º C
• No sistema internacional de unidades, temos: 
J/K (Joule/Kelvin)
Capacidade Térmica
• Quanto maior a 
capacidade térmica de 
um corpo, maior será a 
quantidade de calor que 
devemos fornecer a ele 
para provocar uma 
determinada elevação 
em sua temperatura e, 
do mesmo modo, maior 
será a quantidade de 
calor que ele deve ceder 
para que sua 
temperatura sofra 
redução.
Exemplo: dois corpos A e B
CA = 500/50 = 10cal/ºC
CB = 500/100 = 5cal/ºC
Devemos fornecer 10cal para 
que o corpo A
eleve sua temperatura em 
1ºC e 5cal para provocar
o mesmo efeito no corpo B
Calor específico (c)
• Quantidade de calor que se necessita fornecer a 1 
grama de uma substância para que sua 
temperatura se eleve em 1ºC, sendo tal quociente 
chamado de calor específico. 
Podemos definir:
• O calor específico de uma substância representa a 
quantidade de calor necessária para que 1 grama 
da substância eleve a sua temperatura em 1ºC.
Calor específico (c)
Calor específico:
Quantidade de calor 
que se necessita 
fornecer a 1 grama 
de uma substância 
para que sua 
temperatura se eleve 
em 1ºC.
Q = m c ∆∆∆∆t
Calor específico (c)
Calor específico de algumas substâncias
Relação entre calor específico e capacidade 
térmica
A capacidade térmica do corpo pode ser definida por:
C = Q/Δθ
E o calor específico:
c = Q/ m Δθ
Com base nas duas relações concluímos que:
c = C / m
Calor Sensível
• Calor sensível: quantidade de calor necessária para que 
um corpo sofra apenas variação de temperatura, sem 
que ocorra mudança de fase..
• Equação fundamental da calorimetria: Q = mcΔθΔθΔθΔθ
• A quantidade de calor sensível pode ter sinal positivo ou 
negativo conforme o calor trocado pelo corpo:
Q > 0 → quantidade de calor recebido
Q < 0 → quantidade de calor cedido
Q = 0 → não há troca de calor
Trocas de Calor
• Através do balanço energético, conclui-se que, em 
módulo, a somatória dos calores cedidos é igual à
somatória dos calores recebidos.
• Se os sinais são levados em conta, tem-se:
Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = 0
ou:
ΣQ = 0
ExemploExemplo
• Um recipiente termicamente isolado contém 500g de 
água na qual se mergulha uma barra metálica 
homogênea de 250g. A temperatura inicial da água é
25,0°C e a da barra 80,0°C. 
Considerando o calor específico da água igual a 
1,00cal/g.°C, o do metal igual a 0,200cal/g.°C e 
desprezando a capacidade térmica do recipiente, 
determine a temperatura do equilíbrio térmico.
ExemploExemplo
• Chamaremos a água, contida no recipiente, de corpo (A) e a barra 
metálica de corpo(B). Já que as temperaturas iniciais são diferentes, 
a barra metálica, com temperatura inicial maior, vai ceder calor para 
a água. Como o recipiente é termicamente isolado todo calor cedido 
pela barra será recebido pela água. 
• Matematicamente teremos:
ΣQ = 0
QA + QB = 0
500 (1) (θ – 25) + 250 (0,2) (θ – 80) = 0
500θ – 12500 + 50θ – 4000 = 0
550θ = 16500
θ = 30oC
ExemploExemplo
• A temperatura do equilíbrio térmico (30ºC) está mais 
próxima da temperatura inicial da água (25ºC). 
• O motivo deve-se ao fato do calor específico da água 
(1cal/gºC) ser maior que o calor específico do material 
que constitui a barra metálica (0,2 cal/gºC). 
• Ou seja, a cada caloria cedida pela barra, a sua 
temperatura diminui em 5ºC e a temperatura da água 
aumenta, em somente, 1ºC.
ExemploExemplo
• O calor latente, de uma mudança de estado, é a 
quantidade de calor que a substância recebe ou cede, 
por unidade de massa, durante a transformação, 
mantendo-se constante a temperatura, desde que a 
pressão não se altere.
• Matematicamente, podemos expressá-lo por: L = Q/m
e Q = mL
Onde:
• Q = quantidade total de calor latente trocada no 
processo
• m = massa do corpo
• L = calor latente de mudança.
MudanMudançça de Fasea de Fase
Processos de mudança:
• Fusão: passagem de sólido para líquido;
• Solidificação: passagem de líquido para sólido;
• Vaporização: passagem de líquido para vapor;
• Condensação: passagem de vapor para líquido;
• Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor 
para sólido, processo também conhecido como 
cristalização.
MudanMudançça de Fasea de Fase
• Para água pura sob 
pressão constante 
teremos:
• Fusão do gelo (a 0ºC) 
L = 80 cal/g
• Solidificação da água (a 
0ºC) L = – 80 cal/g
• Vaporização da água (a 
100 ºC) L = 540 cal/g
• Condensação do vapor (a 
100 ºC) L = –540 cal/g
MudanMudançça de Fasea de Fase
• Conforme a maneira de se processar, a vaporização pode ser classificada 
como evaporação, ebulição ou calefação.
• Na evaporação, a mudança de fase ocorre apenas na superfície do 
líquido, mediante um processo lento, podendo ocorrer em qualquer 
temperatura. Esse processo ocorre pela fuga das moléculas mais 
energéticas do líquido e por isso acarreta um esfriamento do líquido.
• Na ebulição, a mudança de fase ocorre numa temperatura fixa, para 
uma dada pressão chamada de temperatura de ebulição. Esse processo 
ocorre em todo o líquido.
• Já na calefação, a mudança de fase ocorre após um aquecimento muito 
brusco como, por exemplo, uma porção de água que cai numa panela 
vazia e muito quente.
Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica
Conservação de energia ∆E = Q – W
Convenção de Sinais
Calor recebido pelo gás: Q > 0
Calor cedido pelo gás: Q < 0
Trabalho realizado pelo gás:
Expansão: W > 0
Compressão: W < 0
Enunciados da 2ª lei da Termodinâmica
• Clausius: É impossível um sistemaoperar de modo que o 
único efeito resultante seja a transferência de energia na 
forma de calor, de um corpo frio para um corpo quente. 
Exemplo: Refrigerador
• Reservatório Térmico: Classe especial de sistema 
fechado, que mantém constante sua temperatura, mesmo 
que energia esteja sendo recebida ou fornecida pelo sistema 
(RT).
• Ex.: Atmosfera; Grandes massas de água: oceanos, lagos; 
Grande bloco de cobre (relativo).
Enunciados da 2ª lei da Termodinâmica
• Kelvin-Planck: É impossível para qualquer sistema operar 
em um ciclo termodinâmico e fornecer trabalho líquido para 
sua vizinhança trocando energia na forma de calor com um 
único reservatório térmico.
Comentários a respeito dos enunciados
• Clausius: mais evidente e de acordo com as experiências 
de cada um e, assim, mais facilmente compreendido e 
aceito.
• Kelvin-Planck: Embora mais abstrato, propicia um meio 
eficiente de expressar importantes deduções relacionadas 
com sistemas operando em ciclos termodinâmicos.
Exercícios
• 01. Uma bexiga vazia tem volume desprezível; cheia, o seu volume 
pode atingir 4,0 × 10–3 m3. O trabalho realizado pelo ar para encher 
essa bexiga, à temperatura ambiente, realizado contra a pressão 
atmosférica, num lugar onde o seu valor é constante e vale 1,0 × 105 
Pa, é no mínimo de:
a) 4 J.
b) 40 J.
c) 400 J.
d) 4000 J.
e) 40000 J.
• 02. A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:
a) dilatação térmica.
b) conservação da massa.
c) conservação da quantidade de movimento.
d) conservação da energia.
e) irreversibilidade do tempo.
Exercícios
• 03. A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento DU da 
energia interna de um sistema é dado por DU = DQ – DW, onde DQ é o 
calor recebido pelo sistema, e DW é o trabalho que esse sistema realiza. 
Se um gás real sofre uma compressão adiabática, então,
a) DQ = DU.
b) DQ = DW.
c) DW = 0.
d) DQ = 0.
e) DU = 0.
• 04. Um corpo recebe 40 Joules de calor de um outro corpo e rejeita 10 
Joules para um ambiente. Simultaneamente, o corpo realiza um trabalho 
de 200 Joules. Estabeleça, baseado na primeira lei da termodinâmica, o 
que acontece com a temperatura do corpo em estudo.
Exercícios
• 05. É dado um sistema S ideal constituído por:
I. um cilindro;
II. um pistão; e
Uma massa invariável de gás, aprisionado pelo pistão no cilindro. 
Admita positiva toda energia fornecida a S e negativa a que é fornecida 
por S. Considere Q e T, respectivamente, calor e trabalho trocados por 
S. Nessas condições, é correto que, para S, qualquer que seja a 
transformação
a) isométrica, Q e T são nulos.
b) a soma T+ Q é igual a zero.
c) adiabática Q = 0 e T pode ser nulo.
d) isobárica, T+ Q = 0.
e) isotérmica, Q = 0 e T pode ser nulo.
Exercícios
• 06. Transfere-se calor a um sistema, num total de 200 
calorias. Verifica-se que o sistema se expande, realizando 
um trabalho de 150 joules, e que sua energia interna 
aumenta.
a) Considerando 1 cal = 4 J calcule a quantidade de energia 
transferida ao sistema, em joules.
b) Utilizando a primeira lei da termodinâmica, calcule a 
variação de energia interna desse sistema.