Trabalho de física rev 03

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Sumário
1 - Escalas Termométricas	 ---------------------------------------------------- 2
1.1 – Escala Celsius			---------------------------------------------------- 2
1.2 – Escala Fahrenheit		---------------------------------------------------- 3
1.3 – Escala Kelvin			---------------------------------------------------- 3
1.4 – Relações entre as escalas termométricas ------------------------------------- 4
1.5 – Conversões entre as escalas	---------------------------------------------------- 5
2 – Dilatação Térmica		---------------------------------------------------- 7
2.1 – Dilatação Térmica Linear	---------------------------------------------------- 8
2.2 – Dilatação Térmica Superficial	---------------------------------------------------- 9
2.3 – Dilatação Volumétrica		---------------------------------------------------- 10
2.1 – Dilatação da Água		---------------------------------------------------- 12
3 - Calorimetria			---------------------------------------------------- 13
3.1 – Calor e temperatura		---------------------------------------------------- 14
3.2 – Capacidade Térmica		---------------------------------------------------- 15
3.3 – Calor Específico			---------------------------------------------------- 15
3.4 – Calor Sensível			---------------------------------------------------- 17
3.5 – Calor Latente			---------------------------------------------------- 18
3.6 – Curva de aquecimento		---------------------------------------------------- 20
3.7 – Trocas de calor			---------------------------------------------------- 20
3.8 – Transmissão de calor		---------------------------------------------------- 21
3.9 – Fluxo de calor	 		---------------------------------------------------- 23
4 – Referências Bibliográficas		---------------------------------------------------- 24
Escalas Termométricas
As escalas termométricas são padrões ou mecanismos utilizados para medir a temperaturas dos corpos.
O estado térmico de um corpo se eleva conforme se aumenta a velocidade de movimento das partículas presentes no mesmo. A medida desta alteração é o que conhecemos por temperatura. As escalas termométricas surgiram da necessidade de registrar e quantificar o quanto um corpo está quente ou frio e cada escala de temperatura tem critérios e graduações diferenciadas podendo existir valores negativos para a temperatura ou não, até a diferença na equivalência de um grau entre elas.
Por padrão se utiliza o ponto de gelo da água e o ponto de vapor de água como valores fixos, ou seja, é a partir deles que as escalas são construídas e as temperaturas entre as escalas relacionadas. Vejamos algumas delas: 
Escala Celsius
 Esta escala é a mais utilizada no Brasil. Oficializada pelo cientista Anders Celsius (1701-1744) no século XVIII em 1742. Atualmente por sugestão de cientistas reunidos nas convenções internacionais, usa-se praticamente em todo o planeta essa escala. Ela tem como características principais ser considerada uma escala centígrada, onde os pontos fixos são de 0° C para o ponto gelo ou ponto de fusão e 100° C para ponto vapor ou ponto de ebulição.
Escala Fahrenheit
 Outra escala bastante utilizada, principalmente nos Estados Unidos e Inglaterra. Esta escala foi criada pelo inventor Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) em meados dos anos de 1742 (Daniel também foi o inventor do termômetro de mercúrio). Portanto, ele determinou dois pontos iniciais. Ele introduziu seu termômetro, ainda sem nenhuma escala, dentro da mistura de água, gelo e sal e amônia. O mercúrio se deslocou dentro do termômetro até parar em determinada posição, a qual ele marcou e chamou zero. O segundo ponto fixo ele obteve ao medir a temperatura do corpo humano, fazendo com que o mercúrio parasse num segundo ponto. Quando isso aconteceu, Fahrenheit marcou a segunda posição e a chamou de 100. Após isto, ele dividiu a distancia entre os dois pontos por 100 e teve então sua escala criada.
Ao medir a temperatura da fusão do gelo em água na sua nova escala Fahrenheit achou o correspondente a 32° F, enquanto, a temperatura de ebulição da água era de 212° F.
Escala Kelvin
 Esta escala também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula e é calculada a partir da escala Celsius.
Na pratica esse ponto é impossível de se alcançar, contudo, esse valor foi alcançado teoricamente na escala Celsius e corresponde a um valor igual a -273,15°. 
Durante a realização de experimentos verificou que se o volume de um gás for mantido constante, a sua pressão seria reduzida a uma razão de 1/273 do valor inicial para variação de -1° C na temperatura. Assim, ele concluiu que se o gás sofresse uma redução de temperatura de 0°C para -273° C, a sua temperatura reduziria a zero. A esse valor e de -273° C ficou conhecido como zero absoluto. Kelvin atribuiu o zero da sua escala como sendo igual a -273° C na escala Celsius.
Relação entre as escalas termométrica
Conversões entre escalas
Para que seja possível expressar temperaturas dadas em uma escala para outra qualquer, deve-se estabelecer uma convenção geométrica de semelhança.
Por exemplo, convertendo uma temperatura qualquer dada em escala Fahrenheit para escala Celsius:
Pelo princípio de semelhança geométrica:
Da mesma forma, pode-se estabelecer uma conversão Celsius-Fahrenheit:
E para escala Kelvin:
DILATAÇÃO TERMICA
Praticamente todas as substâncias, sejam sólidas, líquidas ou gasosas, ao sofrer uma variação de temperatura, cresce a agitação molecular e por conseqüência imediata o aumento da distância média entre as moléculas. Isso porque durante a agitação, duas forças atuam nas moléculas: a de atração, provocando aproximação; e a de repulsão, provocando afastamento. Essas forças não são simétricas, de modo que a força de repulsão é maior do que a de atração. Assim, é possível concluir que o afastamento das moléculas é maior que a aproximação, resultando no aumento das dimensões do corpo. Esse fenômeno e conhecido como dilatação térmica ou uma contração térmica, se elas diminuem.
Observe a figura abaixo:
	
O aumento de temperatura provoca um afastamento das moléculas e conseqüentemente aumento do tamanho do corpo.
A dilatação térmica é algo muito comum no nosso dia a dia, pois os objetos são constantemente submetidos a variações de temperatura. Na engenharia, esse fenômeno deve ser considerado na construção de algumas edificações, como por exemplo, na construção de pontes e viadutos. Portanto, pode ser observado que mantém entre cada lance um pequeno espaço vazio. 
Isso se deve ao conhecimento que temos de que, quando aquecido, irá aumentar seu comprimento sofrer uma expansão térmica e, não havendo para onde se expandir, poderá causar danos.
Esse espaçamento maior entre elas se manifesta através da expansão das dimensões do corpo, as quais podem ocorrer de três formas: linear, superficial e volumétrica.
Dilatação térmica linear
É a dilatação aplicada apenas para corpos em estado sólido que se caracteriza pela variação no comprimento do corpo. E em nosso cotidiano esta presente principalmente em cabos e vigas metálicas. Portanto, quando sujeitos a variações de temperatura, corpos com dilatação linear sofrerão, principalmente, variações no comprimento.
A dilatação linear depender de três fatores:
Substância que é feito o material;
Variação de temperatura;
Comprimento inicial.
Essa variação pode ser calculada a partir da seguinte equação matemática, veja:
Onde:
α é o coeficiente de dilatação térmica linear, cuja unidade é o °C-1, que depende da natureza do material que constitui o corpo;
Lo é o comprimento inicial do corpo;
ΔL e ΔT é, respectivamente, a variação do comprimento e da temperatura do corpo.
Na tabela podemos verificaro valor do coeficiente de dilatação linear de algumas substâncias.
Pela tabela podemos verificar o valor de alguns coeficientes de dilatação para alguns materiais e compará-los. Observamos que o valor do coeficiente para o vidro pirex é, aproximadamente, três vezes menor do que o vidro comum por isso ele suporta maiores variações de temperatura e não trinca tão facilmente como o vidro comum.
Dilatação térmica superficial
É a dilatação que se caracteriza pela variação na área superficial do corpo. Esta forma de dilatação consiste em um caso onde há dilatação linear em duas dimensões. Há corpos que podem ser considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível frente às outras duas, por exemplo, uma chapa. Neste caso, a expansão ocorre nas suas duas dimensões lineares, ou seja, na área total do corpo.
A dilatação superficial, da mesma forma que a dilatação linear, depende:
Variação de temperatura;
Área inicial;
Material que e feito o corpo, porém, o coeficiente utilizado é o "coeficiente de dilatação superficial" () que vale duas vezes o coeficiente de dilatação linear, isto é: 
Essa variação na superfície do corpo pode ser calculada através da seguinte expressão:
Onde:
β é o coeficiente de dilatação térmica superficial, cuja unidade é a mesma do coeficiente de dilatação térmica linear, e que também depende da natureza do material que constitui o corpo;
So é a área da superfície inicial do corpo;
ΔS e ΔT são, respectivamente, a variação da área da superfície e a variação da temperatura do corpo.
Dilatação Volumétrica
É a dilatação que se caracteriza pela variação no volume do corpo. A grande maioria dos corpos sólidos possui três dimensões: altura, comprimento e espessura; e quando aquecidos, sofrem expansão nessas três dimensões, o que proporciona um aumento no volume total do corpo.
A dilatação ocorre de modo semelhante às dilatações linear e superficial, porém, dependente do coeficiente de dilatação volumétrica o que é igual a três vezes o coeficiente de dilatação linear, ou seja:
Essa variação pode ser calculada com a expressão:
Onde:
γ é o coeficiente de dilatação térmica volumétrica, cuja unidade é a mesma do coeficiente de dilatação linear e superficial, e que também depende da natureza do material que constitui o corpo;
Vo é o volume inicial do corpo;
ΔV e ΔT são, respectivamente, a variação do volume e a variação da temperatura do corpo.
Veja na tabela abaixo, o coeficiente de dilatação de alguns líquidos, medido em 1/°C (ou 1/K).
	SUBSTÂNCIA
	COEFICIENTE DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICO
	Água
	1,3. 10-4
	Mercúrio
	1,8. 10-4
	Glicerina
	4,9. 10-4
	Benzeno
	10,6. 10-4
	Álcool
	11,2. 10-4
	Acetona
	14,9. 10-4
	Petróleo
	10.10-4
Dilatação da Água
Em regra geral, ao se elevar a temperatura de uma substância, verifica-se uma dilatação térmica. Entretanto, a água, ao ser aquecida de 0°C a 4°C, contrai-se, e ao ser resfriada, sofre uma expansão, constituindo-se uma exceção ao caso geral. É isto que permite a existência de vida dentro da água em lugares extremamente gelados, como o Pólo Norte.
Esses fenômenos chamaram de dilatação anômala da água e pode ser aplicado da seguinte maneira:
No estado sólido, os átomos de oxigênio, que são muito eletronegativos, unem-se aos átomos de hidrogênio através da ligação denominada ponte de hidrogênio. Em conseqüência disso, entre as moléculas, formam-se grandes vazios, aumentando o volume externo.
Quando a água é aquecida de 0°C a 4°C, a ponte de hidrogênio rompe-se e as moléculas passam a ocupar os vazios existentes, provocando, assim, uma contração. Portanto, no intervalo de 0°C a 4°C, ocorre, excepcionalmente, uma diminuição de volume.
Por causa desse comportamento, os lagos congelam de cima para baixo. Quando a água é resfriada entre 0 e 4°C, ela fica menos densa que a água que está abaixo dela, isso faz com que ela permaneça na superfície até se solidificar. 
Podemos representar o comportamento do volume da água em função da temperatura:
Como é possível perceber, o menor volume para a água acontece em 4°C.
CALORIMETRIA
A calorimetria é o campo que estuda, ou processo usado para medir a quantidade de calor que é absorvida, ou libertada durante um fenômeno químico ou físico quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual, ou seja, equilíbrio térmico. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor. 
Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes.
A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale à quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5°C para 15,5°C.
A relação entre a caloria e o joule é dada por:
1 cal = 4,186J
Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples.
Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a quilocaloria.
kcal = 10³cal
Calor e temperatura
Apesar de muitas vezes serem usados como sinônimo existe uma diferença entre calor e temperatura, dois conceitos importantes da termologia.
Calor é a energia térmica em movimento, ou seja, a energia cinética proveniente da movimentação dos átomos ou moléculas.
Por outro lado, a temperatura é a grandeza física usada para medir a energia cinética em questão. A temperatura associa um número à vibração entre moléculas. A temperatura é o sistema ou escala criada para medir a vibração molecular, ou seja, ao calor.
Capacidade Térmica (C)
É a quantidade de calor que produz no corpo uma variação unitária de temperatura.
Então, pode-se expressar esta relação por:
Onde:
C: capacidade térmica do corpo.
Q: quantidade de calor trocada pelo corpo.
: variação de temperatura do corpo.
A unidade de capacidade térmica no S.I. é o J/K (joule por kelvin).
Calor Específico (c)
É a capacidade específica de uma substância de mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor para cada massa unitária que esta vier a se incluir. Isto quer dizer que a Capacidade Térmica de um corpo é dada pelo Calor Específico da substância que o compõe e sua massa, ou seja, calor específico é a quantidade de calor necessária para a variação unitária da temperatura na unidade de massa. Podemos, portanto escrever:
Onde:
c: calor específico de um dado material.
C: capacidade térmica da amostra deste material.
M: massa da amostra deste material.
A unidade usual para determinar o calor específico é cal/g.°C e no S.I. é o J/K.kg.
O Calor específico é uma grandeza que depende da composição de cada substância.
 
Calor Sensível
É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo.
Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico.
Assim:
Onde:
Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).
c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).
m = massa do corpo (g ou kg).
Δθ = variação de temperatura (°C).
É interessante conhecer alguns valores de calores específicos:
	Substância
	c (cal/g°C)
	Alumínio
	0,219
	Água
	1,000
	Álcool
	0,590
	Cobre
	0,093
	Chumbo
	0,031
	Estanho
	0,055
	Ferro
	0,119
	Gelo
	0,550
	Mercúrio
	0,033
	Ouro
	0,031
	Prata
	0,056
	Vapor d'água
	0,480
	Zinco
	0,093Quando:
Q>0: o corpo ganha calor.
Q<0: o corpo perde calor.
 
Exemplo:
Qual a quantidade de calor sensível necessária para aquecer uma barra de ferro de 2kg de 20°C para 200°C? Dado: calor específico do ferro = 0,119cal/g°C.
2kg = 2000g
Calor latente
Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente.
A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).
Assim:
Onde:
Q= quantidade de calor
m= massa
L=calor de troca de estado
A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere à quantidade de calor que 1g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra.
Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico.
Por exemplo, para a água:
	Calor latente de fusão
	
	80cal/g
	Calor latente de vaporização
	
	540cal/g
	Calor latente de solidificação
	
	-80cal/g
	Calor latente de condensação
	
	-540cal/g
 
Quando:
Q>0: o corpo funde ou vaporiza.
Q<0: o corpo solidifica ou condensa.
Exemplo:
Qual a quantidade de calor necessária para que um litro de água vaporize? Dado: densidade da água=1g/cm³ e calor latente de vaporização da água=540cal/g.
Assim:
Curva de Aquecimento
Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variação de temperatura. Assim podemos elaborar um gráfico de temperatura em função da quantidade de calor absorvida. Chamamos este gráfico de Curva de Aquecimento:
Trocas de Calor
Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente e com seu interior.
Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontra, toda a energia térmica passa de um corpo ao outro.
Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja:
ΣQ=0
Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.
Exemplo:
Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200g à 20°C mergulhado em um litro de água à 80°C? Dados calor específico: água=1cal/g°C e alumínio = 0,219 cal/g°C.
Transmissão de Calor
Em certas situações, mesmo não havendo o contato físico entre os corpos, é possível sentir que algo está mais quente. Como quando se chega perto do fogo de uma lareira. Assim, concluímos que de alguma forma o calor emana desses corpos "mais quentes" podendo se propagar de diversas maneiras.
Como já vimos anteriormente, o fluxo de calor acontece no sentido da maior para a menor temperatura.
Este trânsito de energia térmica o calor pode se propagar de um corpo para outro de três formas: condução, convecção e irradiação.
 Condução Térmica: é a transferência de energia que ocorre de molécula a molécula em razão da agitação das mesmas, quando submetidas a um aumento de temperatura.
Exemplo: O aquecimento da colher encostada na panela, que está sobre o fogo. Este fenômeno acontece, pois, ao aquecermos a panela, suas moléculas começam a agitar-se mais, como a panela está em contato com a colher, as moléculas em agitação maior provocam uma agitação nas moléculas da colher, causando aumento de sua energia térmica, logo, o aquecimento dela.
Convecção Térmica: é o processo de transferência de calor que ocorre em razão dos fluidos, em face das diferenças de densidade entre as partes que constituem o sistema. 
Exemplo: O ar que está nas planícies é aquecido pelo sol e pelo solo, assim ficando mais leve e subindo. Então as massas de ar que estão nas montanhas, e que está mais frio que o das planícies, toma o lugar vago pelo ar aquecido, e a massa aquecida se desloca até os lugares mais altos, onde resfriam. Estes movimentos causam, entre outros fenômenos naturais, o vento.
Irradiação Térmica: é o tipo de transmissão de energia que ocorre entre dois sistemas sem que haja contato físico entre eles. Essa transmissão ocorre através de ondas eletromagnéticas como, por exemplo, os raios solares que aquecem a Terra todos os dias.
Exemplo: Forno microondas. Este aparelho aquece os alimentos sem haver contato com eles, e ao contrário do forno à gás, não é necessário que ele aqueça o ar. Enquanto o alimento é aquecido há uma emissão de microondas que fazem sua energia térmica aumentar, aumentando a temperatura.
Fluxo de Calor
Para que um corpo seja aquecido, normalmente, usa-se uma fonte térmica de potência constante, ou seja, uma fonte capaz de fornecer uma quantidade de calor por unidade de tempo.
Definimos fluxo de calor (Φ) que a fonte fornece de maneira constante como o quociente entre a quantidade de calor (Q) e o intervalo de tempo de exposição (Δt):
Sendo a unidade adotada para fluxo de calor, no sistema internacional, o Watt (W), que corresponde a Joule por segundo, embora também sejam muito usada a unidade caloria/segundo (cal/s) e seus múltiplos: caloria/minuto (cal/min) e quilocaloria/segundo (kcal/s).
Exemplo:
Uma fonte de potência constante igual a 100W é utilizada para aumentar a temperatura 100g de mercúrio 30°C. Sendo o calor específico do mercúrio 0,033cal/g.°C e 1cal=4,186J, quanto tempo a fonte demora para realizar este aquecimento?
Aplicando a equação do fluxo de calor:
Referências bibliográficas
Halliday David e Krane Kenneth S.. Física 2, Quinta edição. Editora LTC. Gaspar Alberto. Física Série Brasil, 1ª edição. Editora Ática.
 Halliday, David. Fundamentos da Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica. 8ª. ed. Rio de Janeiro: LTC. vol. 2.
http://www.sofisica.com.br
http://www.brasilescola.com/quimica/as-escalas-termometricas.htm
http://www.infoescola.com/fisica/escalas-termometricas/
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