Buscar

Aula 3 Calor e a primeira Lei da Termodinâmica

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você viu 3, do total de 7 páginas

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você viu 6, do total de 7 páginas

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Prévia do material em texto

Aula 3 
Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 
 
Energia Interna é toda a energia que pertence ao sistema quando o mesmo está em 
estado estacionário (nem em translação, nem em rotação), incluindo energia nuclear, 
energia química, energia térmica e energia de deformação (para uma mola 
comprimida ou esticada). 
Energia Térmica é uma parte da energia interna que varia quando varia a temperatura 
do sistema. 
Transferência de Energia Térmica é causada pela diferença de temperatura entre o 
sistema e sua vizinhança. 
Calor, na prática significa tanto a energia térmica, como a sua transferência. 
A transferência de energia térmica é uma forma de transferência de energia 
que é realizada como consequência de uma diferença de temperatura. A energia 
interna de uma substância é uma função de seu estado e, geralmente, aumenta com o 
aumento de temperatura. 
 É importante frisar que pode ocorrer transferência de energia entre dois 
sistemas, mesmo quando não há transferência de energia térmica. Por exemplo, 
quando um gás é comprimido por um pistão, o gás é aquecido e sua energia térmica 
aumenta, mas não há transferência de energia térmica. 
 Se o gás expandir rapidamente, ele resfria e sua energia interna diminui, mas, 
também neste caso, não há transferência de energia térmica da ou para a vizinhança. 
 Nos dois casos, a energia é transferida para o sistema, ou pelo sistema, através de 
trabalho realizado sobre ou pelo sistema. Assim, a energia aparece no sistema como 
um acréscimo ou decréscimo de energia térmica. A variação na energia interna, nos 
dois casos é igual à variação na energia térmica e é medida pela variação de 
temperatura do sistema. 
 
Unidades de Calor 
Uma caloria (cal) é a quantidade de calor necessário para aumentar a temperatura de 
1g de água de 14,5°C para 15,5°C. 
Uma British Termal Unit (Btu) é a quantidade de calor necessário para aumentar a 
temperatura de 1lb (uma libra) de água de 63°F para 64°F. 
O equivalente mecânico do calor é o Jaule (uma caloria vale 4,186J). 
 
 
Exemplo 1 – perdendo peso da forma mais difícil. 
 Um estudante come, em um jantar, o equivalente a 2000 Calorias (1 C = 1 
kcal). Ele deseja realizar uma quantidade equivalente de trabalho em uma academia, 
levantando uma massa de 50 kg. Quantas vezes ele terá que levantar esta massa, a 
uma altura de 2 m, para gastar as 2000 C ganhas no jantar? 
 
R – Como , o trabalho necessário é igual a . 
Convertendo para J, temos para o trabalho total requerido: 
 
 ( ) ( 
 
 
) 
 
O trabalho realizado, levantando a massa a uma altura h é igual a mgh. Desta forma, 
o trabalho realizado ao levantar a massa n vezes é nmgh. Assim, igualando nmgh ao 
total de trabalho necessário, temos: 
 
 
 
 
( )( 
 
 
)( )
 
 
Se o estudante estiver em boa forma, e levantar o peso a cada 5 s, ele precisará de 
aproximadamente 12 h para realizar esta proeza. 
 
Capacidade de Calor e Calor Específico 
 Quando o calor é adicionado a uma substância (sem que nenhum trabalho seja 
realizado), a mesma sofre um aumento de temperatura. 
Uma exceção a esta declaração ocorre quando a substância está em uma transição de 
fase, ou seja, passando de líquido para gasoso, por exemplo, ou quando o gás está se 
expandindo. 
 
A quantidade de energia calorífica (calor) necessária para aumentar a temperatura da 
massa de uma substância, varia de uma substância para outra. 
A capacidade de calor C’ de uma dada substância é definida como a quantidade de 
energia térmica necessária para aumentar sua temperatura de 1°C. Assim: 
 
O Calor Específico c de uma substância é a sua capacidade de calor por unidade de 
massa, ou seja: 
 
 
 
 
Assim, a energia térmica necessária para variar a temperatura de uma substância de 
ΔT é: 
 
em que m é a massa da substância e c é o seu calor específico. 
É importante frisar que quando a temperatura aumenta, e são positivos, 
correspondendo à energia térmica fluindo para o sistema. Quando a temperatura 
diminui, e são negativos e a energia térmica flui do sistema. 
Exemplo 2 
 Qual a energia requerida para aumentar a temperatura de 0,5 kg de água de 
 ? 
 
R – ⁄ 
 
 ( ) ( 
 
 
) ( ) 
 
 
 
Conservação de Energia: Calorimetria 
Considerando somente a transferência de energia térmica entre dois sistemas, 
como a energia se conserva, o calor perdido por um sistema é igual ao calor ganho 
pelo outro sistema, ou seja, todo o calor (energia térmica) é transferido de um sistema 
para outro. 
Exemplo 3 – Resfriando um metal aquecido 
 Um pedaço de metal de 0,05 kg é aquecido a 200 e então, colocado em um 
recipiente contendo 0,4 kg de água, inicialmente a 20 . Se a temperatura final do 
conjunto água-metal é 22,4 , encontre o calor específico cm do metal. 
 
R – ( ) ⁄ 
 
 ( ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ⁄ 
 
 
Exercício 1: Um homem dispara uma bala de prata de massa , contra uma 
parede, com uma velocidade média de ⁄ . Assuma que toda a energia interna 
gerada pelo impacto é absorvida pela bala. Qual a variação de temperatura desta 
bala? ( ⁄ ) 
Dica: Toda a energia cinética da bala é transformada em energia interna da mesma. 
 
R – 
 
Calor Latente 
Uma substância sofre, normalmente, uma variação de temperatura quando energia 
térmica é transferida entre a substância e sua vizinhança. No entanto, existem 
situações em que a transferência de energia térmica não resulta em uma variação de 
temperatura. No caso em que as características físicas da substância variam de uma 
forma para outra, normalmente chamada de transição de fase. As transições de fase 
mais comuns são de sólido para líquido (líquido para sólido) e líquido para gás (gás 
para líquido). 
 
 
 
Toda transição de fase envolve variação de energia interna. 
Obs: A energia térmica necessária para que uma substância pura, de massa m, troque 
de fase é: 
 
O parâmetro L é chamado de calor latente da substância e depende da natureza da 
transição de fase, bem como das propriedades da substância. 
 
Na tabela a seguir são apresentados os valores de calor latente de algumas 
substâncias: 
 
Na Figura a seguir é apresentado o gráfico de Temperatura X Energia Térmica quando 
1 g de gelo, inicialmente em tem sua temperatura elevada até a fase de vapor: 
 
 
Exemplo 4: Qual a massa de vapor d’água, inicialmente a , é necessária para 
elevar a temperatura de de água em uma jarra de vidro de , de para 
 ? 
 
R – Neste caso, temos que igualar a energia térmica perdida pelo vapor à energia 
térmica ganha pela água e a jarra de vidro. 
 
A perda de energia do vapor possui três estágios (vapor, vapor+água, água). Portanto, 
existe uma transição de fase. 
 
No primeiro caso, o vapor é resfriado até , assim: 
 ( 
 )( ) ( 
 )⁄⁄ 
 
No segundo caso, o vapor é convertido em água. Assim, para encontrar a energia 
removida, usa-se o calor latente de vaporização : 
 ( 
 )⁄ 
 
No terceiro caso, a água proveniente do vapor é resfriada de para : 
 ( 
 )( ) ( 
 )⁄⁄ 
 
Igualando a energia perdida pelo vapor à energia ganha pelos de água, mais o 
vidro da jarra, temos: 
 
 ( 
 )⁄ ( 
 )⁄ ( 
 )⁄ 
 
( )( )( ) (⁄ )( )( ) ⁄ 
 
 
 
 
 
Exemplo 5 – Transferência de Calor para um Sólido 
 
 Uma barra de cobre de 1 kg é aquecida na pressão atmosférica. Se sua 
temperatura aumenta de para , encontre a quantidade de energia térmica 
transferida para a barra. 
 
R – Como o calor específico do cobre é ⁄ , o calor transferido para a barra 
é: 
 ( )( ⁄ )( ) 
 
 
 
Exemplo 6: O hélio líquido possui um ponto de ebulição muito baixo ( ), e um 
calor latente de vaporização também muito pequeno ( 
 ⁄ ). Uma 
potência constante de é transferida para um recipiente contendo hélio líquido 
através de um aquecedor elétrico imerso no líquido. Nessa taxa de transferência, 
quanto tempo será necessário para transformar de hélio líquido em vapor? 
 
R – Como o calor latente do hélio líquido é 
 ⁄ , então, são 
necessários fornecer de energia para transformar de hélio líquido 
em vapor. A potência fornecida ao hélio é de ⁄ , assim: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exercício 2: Se de potência são fornecidos a de água, a , em quanto 
tempo toda a água se transformará em vapor?

Outros materiais