APOSTILA FISICA 2 - moderna

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Ana Kerma Araujo
FÍSICAFÍSICAFÍSICA
PARA O ENEM
TERMODINÂMICATERMODINÂMICATERMODINÂMICATERMODINÂMICA
SUMÁRIO
3. Conceitos Iniciais
4. Escalas termométricas
5. Dilatação Térmica
7. Absorção de calor por sólidos e líquidos
9. Propagação de calor
11. 1 ª Lei da Termodinâmica
12. Equação de Clapeyron
13. 2 ª Lei da Termodinâmica
14. Ciclo de uma Máquina Térmica
15. Exercícios para fixação de aprendizagem
TERMODINÂMICA 
Conceitos Iniciais
Temperatura: Grandeza física que mede o grau de
agitação térmica, ou energia cinética, dos átomos e
moléculas que constituem um corpo.
Quanto maior for a agitação dessas
partículas, maior será a
temperatura.
Calor: Esse termo se qualifica como a energia
transferida de um sistema para o ambiente ou do
ambiente para um sistema por causa de uma
diferença de uma temperatura. Sendo medido em
Joules(J), calorias(Cal)
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Lei zero da termodinâmica: Essa lei estabelece o
conceito de temperatura e é essencial para a
compreensão dos princípios básicos da
termodinâmica e para a medição precisa da
temperatura em uma variedade de contextos. Seu
pressuposto afirma que se dois corpos estão em
equilíbrio térmico com um terceiro corpo, então
eles estão em equilíbrio térmico entre si. 
K = C + 273K = C + 273K = C + 273
Escalas Termométricas
Relação Celsius, Kelvin e Fahrenheit
Como podemos converter?
Celsius // Fahrenheit
Celsius // Kelvin
Celsius // Fahrenheit// Kelvin
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Dilatação Térmica
O fenômeno no qual um material, como metal, plástico, 
ou até mesmo água, quando exposto a uma certa
temperatura, é notável uma variação em suas
características físicas, como expansão e contração. é
denominado dilatação térmica. 
Podendo ser:
Dilatação Linear
 Ocorrendo apenas uma direção, em um objeto
unidimensional, como uma barra ou um fio. 
 Quando esse objeto é aquecido, ele se
expande em comprimento.
Essa variação é expressa pela fórmula
ΔL é a mudança no comprimento do material,
Δθ é a variação de temperatura,
L0 é o comprimento inicial do material,
α (alfa) é o coeficiente de dilatação linear, que é
uma propriedade específica de cada material.
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Dilatação Superficial
 Ocorrendo em duas dimensões, em objetos
bidimensionais, como por exemplo, em uma folha metálica
ou uma placa. 
 Quando esses objetos são aquecidos, eles se expandem
em área, mas não necessariamente em espessura.
 Sendo expressa por:
 Em linhas gerais, quanto maior a variação de temperatura e a
área inicial do material, maior será a dilatação superficial
ΔA é a mudança na área do material,
Δθ é a variação de temperatura,
A0 é a área inicial do material,
β (beta) é o coeficiente de dilatação superficial,
 que é uma propriedade específica de cada material.
Dilatação Volumétrica
Ocorrendo em três dimensões, afetando o volume de um
objeto quando aquecido ou resfriado. Isso significa que o
objeto se expande ou contrai em todas as direções.
Sendo expressa por:
ΔV é a mudança no volume do material,
Δθ é a variação de temperatura,
V0 é o volume inicial do material,
γ (gama) é o coeficiente de dilatação volumétrica,
uma propriedade específica de cada material
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Representação de um cubo após uma variação de
temperatura, ocasionando numa expansa de seu
volume inicial.
Absorção de Calor por Sólidos e
Líquidos
Capacidade Térmica
É a constante de proporcionalidade entre o calor
Q recebido ou cedido pelo objeto e a variação de
temperatura T do objeto, ou seja,
Q = C.ΔT
Objetos que sofrem mudanças de temperatura mais
significativas frente a uma dada transferência de
calor, apresentam capacidades térmicas baixas.
ΔT = Tf - Ti
Q = Quantidade de calor
C= Capacidade Térmica
Unidade de medida: Cal/Cº
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Calor Específico
Dois objetos eitos de mesmo material têm uma
capacidade térmica que é proporcional à massa.
Q = m.C.ΔT
“Capacidade Térmica por unidade de massa’’
Unidade de medida: Cal/Cº
Calor Específico Molar
1 mol = 6,02.10^23
Calor de Transformação
Na física moderna, o conceito de "calor de
transformação" pode ser associado a processos
termodinâmicos em que ocorrem mudanças de
fase, como a fusão (mudança do estado sólido para
o líquido) e a solidificação (mudança do estado
líquido para o sólido), ou ainda processos de
vaporização (mudança do estado líquido para o
gasoso) e condensação (mudança do estado gasoso
para o líquido).
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Quando o calor é transferido para uma amostra
sólida ou líquida, nem sempre a temperatura da
amostra aumenta. Em vez disso, a maioria pode
mudar fase(ou de estado)
Propagação de calor
Condução
Necessita de um meio material, não transporta matéria.
Ex: Aquecimento de uma barra de metal.
É descrita a partir da Lei de Fourrier
φ é o fluxo de calor
k é a condutividade térmica do material (uma medida da
capacidade do material em conduzir calor),
A é a área de seção transversal através da qual o calor está sendo
transferido,
ΔT é o gradiente de temperatura ao longo do material.
L é a espessura do objeto 
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Convecção
Descreve o processo de transferência de calor que ocorre
em fluidos (líquidos e gases) e é impulsionado por
diferenças de temperatura. Esse processo é caracterizado
pelo movimento físico do próprio fluido, que transporta
energia térmica de uma região para outra.
 Ex: Ar condicionado ; Cozimento de alimentos
(transporte de matéria)
Radiação
Diferentemente da condução e da convecção, que
requerem um meio material para a transferência de
calor, a radiação térmica pode ocorrer através do vácuo,
ou seja, no espaço vazio, pois não depende da presença
de um meio material para se propagar.
Ocorrendo na forma de ondas eletromagnéticas, que
podem ser absorvidas, refletidas ou transmitidas por
diferentes materiais.
 Ex: Ondas de calor; luz do Sol;
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1ªLei da Termodinâmica
Princípio da Conservação de Energia
 A energia total de um sistema isolado (ou seja, que não
troca matéria com o ambiente) permanece constante ao
longo do tempo. Afirmando que a energia de um meio
não pode ser criada nem destruída, apenas transformada
de uma forma para outra. 
 Isso significa que a quantidade total de energia em um
sistema isolado - que pode incluir energia térmica,
energia cinética, energia potencial e outras formas de
energia, permanece constante, mesmo que essas
diferentes formas de energia possam ser convertidas
uma na outra durante processos físicos ou químicos
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Equação De Clapeyron
 No estudo da termodinâmica, essa importante relação
descreve o comportamento de gases ideais e permite
analisar suas propriedades em diferentes condições. 
 Ressaltando sua utilidade ao estudar o comportamento
dos gases, essa equação permite fazer previsões sobre
como as mudanças de pressão, volume, temperatura e
quantidade de substância afetam uns aos outros,
mantendo todas as outras variáveis constantes.
Algumas finalidades gerais da Equação de Clapeyron
Predição de Comportamento
Determinação de Variáveis Desconhecidas
Cálculos de Transformações Gasosas
Estudo de Processos Termodinâmicos
A equação geral dos gases ideais
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2ª Lei da Termodinâmica
 Considerada uma das leis mais importantes para
relacionar calor com o nosso cotidiano, tendo uma ampla
aplicação no nosso dia a dia, influenciando desde o
funcionamento de dispositivos tecnológicos até
processos naturais e industriais.
 Seu estudo foi usado como base para o avanço
tecnológico e o entendimento para soluções práticas que
temos atualmente, e como o aproveitamento útil dessa
energia é importante para o nosso consumo. 
Algumas Aplicações da 2ª Lei da Termodinâmica
Máquinas Térmicas
Refrigeração e Ar Condicionado
Processos Químicos e Biológicos
Produção de Energia
Transporte e Propulsão
Economia de Energia e Sustentabilidade
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 Processo que um fluido de trabalho (como vapor
d'água, ar ou outro gás) passa repetidamente para
converter calor em trabalho mecânico e vice-versa,
sem que ocorra variação de energia interna. 
 Existem vários tipos de ciclos de máquinas térmicas,
cada um com suas próprias características e
aplicações específicas. Um dos ciclos mais conhecidosé o Ciclo de Carnot, que é um modelo idealizado e
serve como base para comparar o desempenho de
outras máquinas térmicas.
 é um ciclo reversível, o que significa que pode operar
em ambas as direções, absorvendo calor para realizar
trabalho (como em um motor) ou realizando trabalho
para transferir calor (como em uma máquina
frigorífica)
Ciclo de uma Máquina Térmica
Ciclo de Carnot
Etapas do ciclo de Carnot
Compressão Adiabática
Expansão Isotérmica
Expansão Adiabática
Compressão Isotérmica
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Exercícios para Fixação de
Aprendizagem
01. (Enem 2016 PPL) Até 1824 acreditava-se que as máquinas
térmicas, cujos exemplos são as máquinas a vapor e os atuais
motores a combustão. poderiam ter um funcionamento ideal. Sadi
Carnot demonstrou a impossibilidade de uma máquina térmica,
funcionando em ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e
outra fria), obter 100% de rendimento.
Tal limitação ocorre porque essas máquinas
A. Realizam trabalho mecânico.
B.Produzem aumento da entropia.
C.Utilizam transformações adiabáticas.
D.Contrariam a lei da conservação de energia.
E.Funcionam com temperatura igual à da fonte quente.
02. (Enem 2011) Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma
quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada
no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o
aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia
convertida ou transformada na combustão não pode ser ultilizada para a
realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia
em outra forma.
CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado).
De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem
durante o funcionamento do motor são decorrentes de a
A. Liberação de calor dentro do motor ser impossível.
B. Realização de trabalho pelo motor ser incontrolável.
C. Conversão integral de calor em trabalho ser impossível.
D.Transformação de energia térmica em cinética ser impossível.
E. Utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.
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02. (Enem 2012) Aumentar a eficiência na queima de combustı́vel
dos motores a combustão e reduzir suas emissões de poluentes é a
meta de qualquer fabricante de motores. É também o foco de uma
pesquisa brasileira que envolve experimentos com plasma, o
quarto estado da matéria e que está presente no processo de
ignição. A interação da faı́sca emitida pela vela de ignição com as
moléculas de combustı́vel gera o plasma que provoca a explosão
liberadora de energia que, por sua vez, faz o motor funcionar.
Disponı́vel em: www.inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 22 jul.
2010 (adaptado).
No entanto, a busca da eficiência referenciada no texto apresenta
como fator limitante
A. O tipo de combustı́vel, fóssil, que utilizam. Sendo um insumo não
renovável, em algum momento estará esgotado.
B. Um dos princı́pios da termodinâmica, segundo o qual o
rendimento de uma máquina térmica nunca atinge o ideal.
C. O funcionamento cı́clico de todos os motores. A repetição
contı́nua dos movimentos exige que parte da energia seja
transferida ao próximo ciclo.
D. As forças de atrito inevitável entre as peças. Tais forças
provocam desgastes contı́nuos que com o tempo levam qualquer
material à fadiga e ruptura.
E. A temperatura em que eles trabalham. Para atingir o plasma, é
necessária uma temperatura maior que a de fusão do aço com que
se fazem os motores.
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12. (Enem 2009) É possı́vel, com 1 litro de gasolina, usando todo o
calor produzido por sua combustão direta, aquecer 200 litros de
água de 20oC a 55oC. Pode-se efetuar esse mesmo aquecimento
por um gerador de eletricidade, que consome 1 litro de gasolina
por hora e fornece 110 V a um resistor de 11Ω, imerso na água,
durante um certo intervalo de tempo. Todo o calor liberado pelo
resistor é transferido à água. Considerando que o calor especı́fico
da água é igual a 4,19J.g−1.oC−1, aproximadamente qual a
quantidade de gasolina consumida para o aquecimento de água
obtido pelo gerador, quando comparado ao obtido a partir da
combustão?
A. A quantidade de gasolina consumida é igual para os dois casos.
B. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes
maior que a consumida na combustão.
C. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes
menor que a consumida na combustão.
D. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes
maior que a consumida na combustão.
E. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes
menor que a consumida na combustão.
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	FÍSICA
	PARA O ENEM
	SUMÁRIO
	TERMODINÂMICA
	Conceitos Iniciais
	Temperatura: Grandeza física que mede o grau de agitação térmica, ou energia cinética, dos átomos e moléculas que constituem um corpo.
	Calor: Esse termo se qualifica como a energia transferida de um sistema para o ambiente ou do ambiente para um sistema por causa de uma diferença de uma temperatura. Sendo medido em Joules(J), calorias(Cal)
	Lei zero da termodinâmica: Essa lei estabelece o conceito de temperatura e é essencial para a compreensão dos princípios básicos da termodinâmica e para a medição precisa da temperatura em uma variedade de contextos. Seu pressuposto afirma que se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, então eles estão em equilíbrio térmico entre si.
	Escalas Termométricas
	Relação Celsius, Kelvin e Fahrenheit
	Como podemos converter?
	K = C + 273
	Dilatação Térmica
	O fenômeno no qual um material, como metal, plástico, ou até mesmo água, quando exposto a uma certa temperatura, é notável uma variação em suas características físicas, como expansão e contração. é denominado dilatação térmica.
	Podendo ser:
	Dilatação Linear
	Ocorrendo apenas uma direção, em um objeto unidimensional, como uma barra ou um fio.
	Quando esse objeto é aquecido, ele se expande em comprimento.
	Essa variação é expressa pela fórmula
	Dilatação Superficial
	Ocorrendo em duas dimensões, em objetos bidimensionais, como por exemplo, em uma folha metálica ou uma placa.
	Quando esses objetos são aquecidos, eles se expandem em área, mas não necessariamente em espessura.
	Sendo expressa por:
	Em linhas gerais, quanto maior a variação de temperatura e a área inicial do material, maior será a dilatação superficial
	Dilatação Volumétrica
	Ocorrendo em três dimensões, afetando o volume de um objeto quando aquecido ou resfriado. Isso significa que o objeto se expande ou contrai em todas as direções.
	Sendo expressa por:
	Representação de um cubo após uma variação de temperatura, ocasionando numa expansa de seu volume inicial.
	Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos
	Capacidade Térmica
	É a constante de proporcionalidade entre o calor Q recebido ou cedido pelo objeto e a variação de temperatura T do objeto, ou seja,
	Q = C.ΔT
	Objetos que sofrem mudanças de temperatura mais significativas frente a uma dada transferência de calor, apresentam capacidades térmicas baixas.
	Unidade de medida: Cal/Cº
	Calor Específico
	Q = m.C.ΔT
	Calor Específico Molar
	Calor de Transformação
	Quando o calor é transferido para uma amostra sólida ou líquida, nem sempre a temperatura da amostra aumenta. Em vez disso, a maioria pode mudar fase(ou de estado)
	Propagação de calor
	Condução
	Necessita de um meio material, não transporta matéria.
	Ex: Aquecimento de uma barra de metal.
	É descrita a partir da Lei de Fourrier
	Convecção
	Radiação
	1ªLei da Termodinâmica
	Princípio da Conservação de Energia
	Equação De Clapeyron
	A equação geral dos gases ideais
	Algumas finalidades gerais da Equação de Clapeyron
	2ª Lei da Termodinâmica
	Algumas Aplicações da 2ª Lei da Termodinâmica
	Ciclo de uma Máquina Térmica
	Ciclo de Carnot
	Etapas do ciclo de Carnot
	Exercícios para Fixação de Aprendizagem
	02. (Enem 2012) Aumentar a eficiência na queima de combustı́vel dos motores a combustão e reduzir suas emissões de poluentes é a meta de qualquer fabricante de motores. É também o foco de uma pesquisa brasileira que envolve experimentos com plasma, o quarto estado da matéria e que estápresente no processo de ignição. A interação da faı́sca emitida pela vela de ignição com as moléculas de combustı́vel gera o plasma que provoca a explosão liberadora de energia que, por sua vez, faz o motor funcionar.
	Disponı́vel em: www.inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 22 jul. 2010 (adaptado).
	No entanto, a busca da eficiência referenciada no texto apresenta como fator limitante
	A. O tipo de combustı́vel, fóssil, que utilizam. Sendo um insumo não renovável, em algum momento estará esgotado.
	B. Um dos princı́pios da termodinâmica, segundo o qual o rendimento de uma máquina térmica nunca atinge o ideal.
	C. O funcionamento cı́clico de todos os motores. A repetição contı́nua dos movimentos exige que parte da energia seja transferida ao próximo ciclo.
	D. As forças de atrito inevitável entre as peças. Tais forças provocam desgastes contı́nuos que com o tempo levam qualquer material à fadiga e ruptura.
	E. A temperatura em que eles trabalham. Para atingir o plasma, é necessária uma temperatura maior que a de fusão do aço com que se fazem os motores.
	12. (Enem 2009) É possı́vel, com 1 litro de gasolina, usando todo o calor produzido por sua combustão direta, aquecer 200 litros de água de 20oC a 55oC. Pode-se efetuar esse mesmo aquecimento por um gerador de eletricidade, que consome 1 litro de gasolina por hora e fornece 110 V a um resistor de 11Ω, imerso na água, durante um certo intervalo de tempo. Todo o calor liberado pelo resistor é transferido à água. Considerando que o calor especı́fico da água é igual a 4,19J.g−1.oC−1, aproximadamente qual a quantidade de gasolina consumida para o aquecimento de água obtido pelo gerador, quando comparado ao obtido a partir da combustão?
	A. A quantidade de gasolina consumida é igual para os dois casos.
	B. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes maior que a consumida na combustão.
	C. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes menor que a consumida na combustão.
	D. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes maior que a consumida na combustão.
	E. A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes menor que a consumida na combustão.