Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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o norte-americano Benjamin Thompson. Thompson fugira para a Europa du-
rante a Revolução Norte-Americana, instalando-se na Bavária, e, posteriormente, rece-
beu o título de conde de Rumford. Lá, enquanto observava as lascas de metal quente que 
se soltavam durante a perfuração dos canhões, Thompson começou a pensar a respeito 
do calor. Se ele fosse uma substância, o canhão e a broca deveriam, em algum momento, 
ficar sem calor. Contudo, Rumford observou que a geração de calor parece ser "inexau-
rível", o que não é consistente com a idéia de calor como uma substância. Ele concluiu, 
então, que o calor não é uma substância - ele é movimento! 
Rurnford estava começando a pensar de forma semelhante a Bernoulli. Porém, as idéias 
de Rumford eram especulativa~ e qualitativas, dificilmente constituiriam uma teoria cien-
tífica, e suas implicações não foram imediatamente apreendidas por outros. Assim como 
Bernoulli, levaria algum tempo até que sua observação fosse reconhecida e validada. 
O ponto de virada foi o trabalho feito pelo físico brilânico James Joule na década de 
1840. Diferentemente de Bernoulli e do conde de Rurnford, Joule realizou experimentos 
cuidadosos para descobrir como a temperatura dos sistemas é alterada. Realizando expe-
rimentos como os mostrados naFIGURA 11.10 , Joule constatou que é possível aumentar a 
temperatura da água em um béquer de duas maneiras inteiramente diferentes: 
1. aquecendo-a por meio de uma chama ou 
2. realizando trabalho sobre a água por meio de uma roda com pás em rápida rotação. 
Nos dois casos, o estado final da água é exatamente o mesmo. Isso implica que o calor 
e o trabalho são praticamente equivalentes. Em outras palavras, o calor não é umà subs-
tância. Ao contrário, o calor é energia. 
Calor e trabalho, que anteriormente haviam sido considerados dois fenômenos com-
pletamente distintos, eram agora vistos, simplesmente, como duas maneiras diferentes 
de transferência de energia, para dentro ou para fora de um sistema. As descobertas de 
Joule confirmaram as idéias anteriores de Bernoulli e do conde de Rumford e abriram 
as portas para avanços rápidos no campo da termodinâmica durante a segunda metade 
do século XIX. 
Interações térmicas 
Para ser específico, o calor é a energia transferida entre um sistema e o ambiente como 
conseqüência de uma diferença de temperatura existente entre eles. Diferentemente de 
Calor é a energia transferida durante uma 
interação térmica. 
A chama aquece a 
água. A temperatura 
aumenta. 
Água 
A pá giratória realiza 
trabalho sobre a água. 
A temperatura aumenta. 
FIGURA 11.10 Os experimentos de Joule 
para demonstrar a equivalência entre calor 
e trabalho. 
514 Física: Uma Abordagem Estratégica 
(a) Calor positivo 
Q>O EJ. Sistema 
Tv;, >T,. 
(b) Calor negativo 
~ Q<Ol__J 
(c) Equilibrio térmico 
Q= O Diste ma 
FIGURA 11.11 O sinal algébrico do calor. 
uma interação mecânica. na qual um trabalho é realizado. o calor não requer movimen-
to macroscópico do sistema. Pelo contrário (analisaremos os detalhes no Capítulo !8). 
neste caso a energia é transferida quando as moléculas mais rápidas do objeto mais 
quente colidem com as moléculas mais lentas do objeto mais frio. Em média, essas co-
lisões fazem com que as moléculas mais rápidas percam energia, enquanto as moléculas 
mais lentas ganham energia. O resultado líquido é que energia é transferida do objeto 
mais quente para o mais frio. Em si, um processo no qual a energia é transferida entre o 
sistema e a vizinhança, através de colisões em nível atômico, é chamado de interação 
térmica. 
Quando você coloca uma panela com água no fogão, o calor é a energia transferida 
da chama, mais quente, para a água, mais fria. Se você colocar a água no congelador, o 
calor será a energia transferida da água. mais quente, para o ar, mais frio, do congelador. 
Um sistema estará em equilíbrio térmico com o ambiente, ou dois sistemas estão em 
equilfürio térmico entre si, se não houver diferença de temperatura. 
Vale a pena comparar este enunciado sobre calor e interações térmicas com o primei-
ro parágrafo sobre trabalho na Seção 17 .2. A analogia seria completa se fosse possível 
dizer que a vizinhança (ou um objeto na vizinhança) &quot;realiza calor&quot; sobre o sistema. 
Infelizmente, a língua portuguesa não funciona assim. De maneira vaga, dizemos que a 
vizinhança &quot;aquece&quot; o sistema. 
Assim como o trabalho, o calor não é uma variável de estado, ou seja, o calor não 
é uma p ropriedade do sistema. Em vez disso, o calor é a quantidade de energia trans-
ferida entre o sistema e vizinhança durante uma interação térmica. Não teria significado 
algum falar em uma ·'variação de calor''. Portanto, o calor é representado na equação da 
energia simplesmente por Q, e nunca por .:iQ. 
A Figura 17 .11 mostra que Q será positivo quando a energia for transferida para o 
sistema, proveniente da vizinhança. Isso implica que T,;, > T,;,. Um valor negativo de Q 
significa uma transferência de calor do sistema para a vizinhança, quando Tviz < T,1 .. E o 
sistema estará em equilíbrio térmico com sua vizinhança quando Tvi7. = T,i, 
NOTA ..,. Para calor e trabalho, um valor positivo indica que a energia está sendo 
transferida da vizinhança para o sistema. A Tabela 17 .1 resume as semelhanças e as 
diferenças entre trabalho e calor. ~ 
TABELA 11.1 Compreendendo trabalho e calor 
Trabalho 
Interação: Mecânica 
Requer: Força e deslocamento 
Processo: Puxões e empurrões macroscópicos 
Valor positivo: W > O quando o gás é comprimido. 
Energia é transferida para o sistema. 
Valor W <O quando wn gás sofre uma 
negativo: expansãQ, 
Energia é transferida para fora do 
sistema. 
EquiHbrio: Um sistema está em equiliôrio 
mecânico quando não M força ou 
torque resultante exercido sobre ele. 
Unidades de calor 
Calor 
Térmica 
Diferença de temperatura 
Colisões microscópicas 
Q > O quando a vizinhança está a uma 
temperatura maior do que a do sistema. 
Energia é transferida para o sistema. 
Q < O quando o sistema está a uma 
temperatura maior do que a da 
vizinhança. Energia é transferida para 
fora do sistema. 
Um sistema está em equilíbrio 
térmico quando se encontra à mesma 
temperatura da vizinhança. 
Calor é energia transferida entre o sistema e a vizinhança. Conseqüentemente, a unidade 
de calor do SI é o joule. Historicamente, antes da conexão entre calor e trabalho ser reco-
nhecida, uma unidade usada para medir calor, a caloria. havia sido definida como 
1 caloria = 1 cal = quantidade de calor necessária para alterar a 
temperatura de 1 g de água em 1 ºC 
\ 
CAPÍTULO 17 \u2022 Trabalho, Calor e a Primeíra Leí da Termodinâmíca S 1 S 
Como Joule comprovou que calor é energia, tomou-se evidente que a caloria é, na verda-
de, uma unidade de energia. Nas unidades atuais do SI. a conversão é 
1 cal = 4,186 J 
A caloria que você conhece, relacionada aos alimentos, não é a mesma que a caloria 
térmica. A caloria alimentar, abreviada por Cal com c maiúsculo, é definida por 
1 caloria alimentar = 1 Cal = 1000 cal = 1 kcal = 4186 J 
A caloria alimentar mede a energia química contida no alimento, ou seja, a energia ar-
mazenada e disponível para realizar trabalho ou para manter seu corpo aquecido. Aquela 
sobremesa extra que você comeu ontem à noite, contendo 300 Cal, possui uma energia 
química de 
E~uirn = 300Cal = 3,00X 105 cal = 1,26 X 106 J 
Não usaremos calorias neste livro, mas existem alguns campos da ciência e da enge-
nharia nos quais calorias ainda são amplamente utilizadas. Todos os cálculos que você 
aprender a fazer com joules podem igualmente ser feitos com calorias. 
O problema com o calor 
Trata-se de problema duplo: conceituai e lingüístico. Em nível conceituai, é importante 
fazer distinção entre calor. temperatura e energia térmica. Essas três idéias estão rela-
cionadas, mas as