Fisica-AULAS-5-e-6-Breviario

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BREVIÁRIO 
Competências 5 e 6
Habilidades 19, 20, 21 e 23
Aulas 5 e 6
CALORIMETRIA
A grandeza termodinâmica relacionada à energia cinética média de translação das moléculas é a temperatura.
Chamamos de calor a energia térmica em trânsito.
As relações de transferências de calor, tanto para o corpo que recebe quanto para o corpo que cede, podem 
evidenciar relações de causa e consequência, nas quais, basicamente, isolamos três efeitos:
 variação de temperatura;
 mudança de estado físico;
 dilatação térmica.
1. Se houver variação de temperatura: calor sensível;
2. Se houver mudança de estado físico: calor latente.
DIAGRAMA DE AQUECIMENTO
-
118
Capacidade térmica de um corpo (C)
Quanto maior a capacidade térmica de um corpo, maior a quantidade de calor necessária para aumentar sua tem-
peratura. Matematicamente:
C = Q ___ 
Du
 [ Q = C · Du
A unidade usual da capacidade térmica é cal/°C. No SI, é J/K.
Calor específico de uma substância (c)
A capacidade térmica (C) é proporcional à massa do corpo. Contudo, também depende do material de que é feito o 
corpo. Desse modo, pode-se relacionar a capacidade térmica, a quantidade de água e um fator referente ao material.
O fator c, calor específico sensível, representa a inércia térmica de uma unidade de massa do material 
de que é feito o corpo.
Q = C · Du
Q = m · c · Du
 Se um corpo recebe calor (entrada de calor no corpo): Q terá valor positivo e a variação de temperatura será 
positiva.
 Se um corpo perde calor (saída de calor do corpo): Q terá valor negativo e a variação de temperatura será 
negativa.
Sistema termicamente isolado
Quando colocamos corpos no calorímetro, eles trocam calor apenas entre si. Pelo princípio da conservação da ener-
gia, todo calor cedido por um dos corpos será absorvido por outro dentro do calorímetro. Dessa forma, a equação 
de transferência de calor para os corpos no interior no calorímetro é dada pela soma das quantidades de calor 
igualada a zero, uma vez que toda a transferência de calor só ocorre entre os corpos em seu interior.
Qrecebido + Qcedido = 0
Ccalorímetro = E · cágua = 25 · 4 = 100 J/°C
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POTÊNCIA
A definição de potência é dada pela razão entre a quantidade de calor transferido da fonte para o corpo ou de um 
corpo para outro, pelo intervalo de tempo decorrido nesse processo. A relação matemática pode ser escrita como:
P = Q ___ 
Dt
 
ESTADO FÍSICO DA MATÉRIA
A quantidade de calor (Q) por unidade de massa (m) necessária para efetuar a transição de fase de uma substância 
é denominada de calor latente (L).
Q = mtransformada · L
O sinal de L está relacionado à absorção ou à liberação de calor pelo corpo:
L > 0, quando ocorre absorção de calor.
L < 0, quando ocorre liberação de calor.
Vaporização
A passagem do estado líquido para o estado gasoso de uma substância é denominada vaporização, e pode ocorrer 
de três modos: ebulição, evaporação e calefação.
A ebulição é o processo de vaporização que acontece quando a substância atinge uma determinada tem-
peratura. Esse processo é turbulento.
A evaporação acontece em qualquer temperatura nos líquidos, no entanto, especificamente na sua su-
perfície livre. A água líquida, por exemplo, quando colocada em um prato, desaparece após determinado tempo, 
ou seja, a água é vaporizada (transforma-se em vapor) e misturada aos outros gases da atmosfera.
A calefação é um processo rápido de vaporização e ocorre quando o aumento de temperatura é brusco. 
Esse processo acontece, por exemplo, ao colocarmos pequenas quantidades de água em uma frigideira bem quen-
te. A vaporização da água, nesse caso, é bastante rápida, quase instantânea.
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DIAGRAMA DE FASE
A fase ou estado físico de uma substância representa o estado de agregação de suas moléculas.
No estado sólido, as moléculas encontram-se tão agregadas que não têm a possibilidade de moverem-se 
umas pelas outras.
No estado líquido, existe alguma mobilidade das moléculas, o que faz que uma substância nesse estado 
não tenha um forma definida. Entretanto, a interação é suficiente para que as moléculas ocupem um volume bem 
definido, sendo, como nos sólidos, difícil comprimi-las.
No estado gasoso, as substâncias não têm nem forma nem volume definido, ou seja, é relativamente fácil 
comprimir um gás.
Comportamento da água
A água e o bismuto, ao passarem do estado líquido para o estado sólido, ao contrário das demais substâncias, 
aumentam de volume.
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Teoria na prática
A água apresenta propriedades físico-químicas que a coloca em posição de destaque como substância essen-
cial à vida. Dentre essas, destacam-se as propriedades térmicas biologicamente muito importantes, por exemplo, 
o elevado valor de calor latente de vaporização. Esse calor latente refere-se à quantidade de calor que deve ser 
adicionada a um líquido em seu ponto de ebulição, por unidade de massa, para convertê-lo em vapor na mesma 
temperatura, que no caso da água é igual a 540 calorias por grama.
A propriedade físico-química mencionada no texto confere à água a capacidade de 
a) servir como doador de elétrons no processo de fotossíntese. 
b) funcionar como regulador térmico para os organismos vivos. 
c) agir como solvente universal nos tecidos animais e vegetais. 
d) transportar os íons de ferro e magnésio nos tecidos vegetais. 
e) funcionar como mantenedora do metabolismo nos organismos vivos. 
Resolução: 
Devido ao alto calor específico da água, ela serve como regulador térmico para os seres vivos. Quando a 
temperatura do organismo aumenta, ele elimina água na forma de suor. Essa água, ao evaporar, absorve calor 
desse organismo, regulando sua temperatura. Cada 1 grama que se transforma em vapor absorve 540 cal. 
Alternativa B
CONDUÇÃO TÉRMICA
A agitação das moléculas da extremidade é “transmitida” às moléculas vizinhas através da interação (força) que 
existe entre elas e das múltiplas colisões que ocorrem entre os elétrons ligados “mais fracamente” aos átomos.
Por esse motivo, os materiais que apresentam elétrons externos (da última camada), ligados mais fracamen-
te aos átomos, são melhores condutores de calor: é o caso dos metais.
A madeira é um bom isolante térmico (ou um péssimo condutor). Por isso, é utilizada para revestir os cabos 
dos talheres e panelas.
Outro exemplo de mau condutor é o gelo. Os esquimós constroem suas casas de gelo, os iglus, por esse 
motivo. O gelo, por ser mau condutor, permite pouco a transferência de calor de seu interior para o exterior do iglu, 
mesmo estando a temperaturas baixas.
Fluxo de calor na condução térmica (lei de Fourier)
f = Q ___ 
Dt
 
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O fluxo de calor (f) que atravessa a barra é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre os extremos 
( 1 – 2), à área de secção reta (A) e inversamente proporcional ao comprimento (L).
f = 
k · A ∙ ( 1 – 2) ____________ 
L
 
CONVECÇÃO
Convecção é o processo de transferência de calor por meio do deslocamento de matéria do fluido de um local para outro.
Essa movimentação da matéria é causada pela diferença de densidade criada pelo desequilíbrio térmico do 
sistema.
IRRADIAÇÃO OU RADIAÇÃO
A energia térmica do Sol é transmitida para a Terra por meio de ondas eletromagnéticas. Essa transmissão é deno-
minada radiação. Essa transferência é possível porque os campos elétricos e magnéticos podem existir em regiões 
onde não há matéria (vácuo), ou seja, a energia radiante pode se propagar sem a necessidade de um meio material.
As radiações infravermelhas, quando atingem nossa pele, causam-nos a sensação de calor, por isso, recebem 
o nome de radiação térmica.
Todo bom emissor de radiação também é um bom absorvedor. Além disso, os corpos com cores mais escuras 
emitem e absorvem mais rapidamente a radiação.
Assim, os corpos escuros, quando expostos ao Sol, aquecem-se mais rapidamente, e quando anoitece, 
resfriam-se também mais rapidamente.
DILATAÇÃO TÉRMICA
A temperatura de um corpo está diretamente relacionada à energiacinética das moléculas, isto é, com a agitação 
das moléculas que formam o corpo. O aumento da agitação molecular causa o aumento de temperatura do corpo. 
Em geral, esse processo provoca um aumento na distância média entre as moléculas, o que faz com que o 
corpo sofra uma expansão (ou dilatação).
O efeito oposto também ocorre, ou seja, a diminuição da agitação das moléculas é acompanhada por uma 
redução de temperatura e diminuição de volume (contração) do corpo.
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Na figura abaixo, uma barra tem comprimento inicial L0 e temperatura inicial u0. Após o aumento de tempe-
ratura, seu comprimento passa a ser L e a sua temperatura u.
Chamando a variação de comprimento DL e a variação de temperatura D :
L = L – L0
 = – 0
A experiência mostra que a variação de comprimento DL e a variação de temperatura são relacionadas por:
L = L0 
em que a é uma constante de proporcionalidade chamada de coeficiente de dilatação linear, cujo valor é 
dependente do material.
L = L0(1 + )
Gráfico da dilatação linear
Observe que na equação deduzida anteriormente L = L0[1 + α ∙ (θ – θ0)], podemos representar graficamente o 
comprimento final L em função da temperatura θ, isto é, uma função de L = L (θ).
L(θ) = L0[1 + α ∙ (θ – θ0)] 
0
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DILATAÇÃO SUPERFICIAL
Experimentalmente, temos que a variação da área DA é proporcional à área inicial, à variação de temperatura e a 
um coeficiente que depende do material. 
DA = A – A0
A = b ∙ A0 
b é chamado coeficiente de dilatação superficial. Essa uma característica que depende do material e rela-
ciona-se matematicamente com o coeficiente de dilatação linear pela seguinte expressão:
b = 2 ∙ α
Combinando ambas as expressões para a dilatação superficial, podemos escrever:
A = A0[1 + b ∙ (θ – θ0)]
Um exemplo da dilatação superficial é a necessidade das juntas de dilatação em estruturas de concreto, 
como em pontes, suportando as forças de tensão que se originam da expansão superficial da ponte.
DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
Experimentalmente, temos que a variação do volume DV é proporcional ao volume inicial, à variação de tempera-
tura e a um coeficiente que depende do material. 
DV = V – V0
V = g ∙ V0 
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Coeficiente g é chamado coeficiente de dilatação volumétrico, é uma característica que depende do mate-
rial e relaciona-se matematicamente com o coeficiente de dilatação linear pela seguinte expressão:
g = 3 ∙ α
Combinando ambas as expressões para a dilatação volumétrica podemos escrever:
V = V0[1 + g ∙ (θ – θ0)]
DILATAÇÃO DOS LÍQUIDOS
Quando aquecemos um recipiente que contém um líquido, ambos dilatam. Erroneamente, algumas pessoas pen-
sam que o líquido que extravasou é a variação do mesmo. Na verdade, é uma parte da dilatação do líquido, pois 
o frasco também expandiu, dessa forma foi capaz de comportar mais líquido. Chamaremos o líquido recolhido de 
dilatação aparente do líquido. Matematicamente, temos:
DVlíquido = DVaparente + DVrecipiente
DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA
A água tem um comportamento diferente que a maioria das substâncias. Em geral, quando a temperatura de uma 
substância aumenta, seu volume também aumenta. Porém, não é isso que ocorre para a água.
Sob pressão normal, a experiência mostra que o volume da água diminui com o aumento de temperatura 
entre 0 ºC e 4 ºC. E a partir de 4 ºC, o comportamento é semelhante ao das outras substâncias, isto é, o volume 
aumenta com o aumento da temperatura.
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LEI GERAL DOS GASES - EQUAÇÃO DE CLAPEYRON
O físico francês Émile Clapeyron (1799-1864), em 1834, após estudar diversos gases com quantidades de massa 
diferentes, descobriu que a constante da equação abaixo não é proporcional à massa do gás, mas depende do 
número de moléculas do gás.
pV = nRT
O valor de R, determinado experimentalmente, vale:
R = 0,082 atm L ______ 
 mol K
 = 8,31 Pa m³ ______ 
mol K
 
R = 8,31 J ______ 
mol K
 2,0 cal ______ 
mol K
 
Considerando o número de mol de um gás constante, ou seja, um sistema isolado, a transformação do gás 
de um estado A para um estado B é relacionada pela seguinte equação:
 
pA VA _____ 
TA
 = 
pB VB ______ 
TB
 
Transformação isotérmica
Durante a transformação do gás de um estado para outro, se a temperatura permanecer constante, a transforma-
ção é chamada de isotérmica.
p1V1 = p2V2
T1
T2 > T1
Transformação isobárica
Durante a transformação do gás de um estado para outro, se a pressão permanecer constante, a transformação é 
chamada de isobárica.
 
V1 __ 
T1
 = 
V2 __ 
T2
 
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Transformação isocórica
Durante a transformação do gás de um estado para outro, se o volume permanecer constante, a transformação é 
chamada de isocórica, isométrica ou isovolumétrica.
 
p1 __ 
T1
 = 
p2 __ 
T2
 
Transformação adiabática
A transformação de um gás pode ocorrer muito rapidamente e, nesse caso, a expansão ou compressão de um gás 
pode ocorrer sem trocas de calor com o meio externo (devido à rapidez da transformação).
Essa transformação é chamada de adiabática.
p1V1 = p2V2
TRABALHO REALIZADO POR UM GÁS
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A força exercida pelo gás sobre o êmbolo e o deslocamento têm o mesmo sentido, e, portanto, o trabalho é dado 
por:
G = FG d
Chamando de pG a pressão exercida pelo gás sobre o êmbolo, temos:
G = pG V
Se ao invés de uma expansão, o gás sofrer uma compressão isobárica, o trabalho será negativo, pois 
 ____
 
›
 FG e 
 ___
 
›
 d 
terão sentidos opostos, do mesmo modo que V será negativo, pois:
V = (volume final) – (volume inicial)
e no caso de uma compressão:
volume final < volume inicial
Pode-se demonstrar que, mesmo quando a pressão não é constante, o trabalho ainda é numericamente 
igual à área sob o gráfico.
pG
ENERGIA INTERNA
A soma das energias de todas as moléculas de um corpo determina sua energia interna (U). As energias cinéticas 
dos átomos e moléculas, assim como as energias potenciais correspondentes às forças elétricas existentes entre os 
átomos ou moléculas, se somam para compor a energia interna.
 Se T aumenta, U aumenta.
 Se T é constante, U é constante.
 Se T diminui, U diminui.
No caso de um gás ideal constituído por apenas um átomo (gás monoatômico), a energia interna é dada 
por:
U = 3 __ 
2
 nRT
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
A segunda sentença é o princípio da conservação da energia, e foi enunciada, na época, como a primeira 
lei da termodinâmica. 
A equação acima traduz a primeira lei da termodinâmica, e foi convencionado que:
 se Q > 0, o sistema recebe calor;
 se Q < 0, o sistema perde calor;
 se > 0, o sistema se expande e o gás realiza trabalho;
 se < 0, o sistema se contrai e o trabalho é realizado sobre o gás.
TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA
Temos que o trabalho do ciclo será dado pela soma do trabalho de cada passagem individual.
ciclo = ABCDA = AB + BC + CD + DA
Assim como a quantidade de calor do ciclo será igual à soma de cada passagem individual.
Qciclo = QABCDA = QAB + QBC + QCD + QDA 
Ou como a variação da energia interna.
Em um ciclo: Uciclo = 0
Em um ciclo: Q = 
Sentido horário Sentido anti-horário
Em um ciclo realizado no sentido horário: ciclo > 0 e Qciclo > 0
Em ciclo realizado no sentido anti-horário: ciclo < 0 e Qciclo < 0
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SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
O calor não pode fluir espontaneamente de um corpo de temperatura menor para um outro corpo de temperatura 
mais alta.
Considere as trocas de energia em uma máquina térmica representadas na figura ao lado.
Esquema de uma máquina térmica
 = Q1 – |Q2|
O rendimento de uma máquina térmica (lê-se “eta”) é definido por:
 = __ 
Q1
 
 = __ 
Q1
 = Q1 – 
|Q2| __ 
Q1
 = 1 – 
|Q2| __ 
Q1
 
A potência útil (Pu) de uma maquina térmica é a razão entre o trabalho t realizado por ela e o intervalo de 
tempo t gasto para realizá-lo.
Pu = 
__ 
O CICLO DE CARNOT
Carnot mostrou que uma máquina térmica, operando com uma fonte quente à temperatura T1 e uma fonte fria à 
temperatura T2, tem rendimento máximoquando executa um ciclo especial, denominado de ciclo de Carnot, 
representado na figura. Esse ciclo é formado pelas seguintes transformações (duas isotérmicas e duas adiabáticas), 
na seguinte ordem:
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1. O gás recebe calor Q1 da fonte quente e sofre uma expansão isotérmica AB, à temperatura T1.
2. Expansão adiabática BC; o gás atinge a temperatura T2.
3. O gás fornece o calor Q2 à fonte fria e sofre uma compressão isotérmica CD, à temperatura T2.
4. Compressão adiabática DA; o gás volta a seu estado inicial, à temperatura T1.
 
|Q2| __ 
Q1
 = 
T2 __ 
T1
 
O rendimento de uma máquina realizando o ciclo de Carnot pode ser calculado a partir das temperaturas 
das fontes quente e fria. Substituindo as variáveis Q1 e |Q2| pelos valores de temperatura T1 e T2:
 = 1 – 
T2 __ 
T1
 = 
T1 – T2 _____ 
T1
 
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
Ao contrário das máquinas térmicas, as máquinas frigoríficas retiram o calor de uma fonte fria e o fornecem para 
uma fonte quente.
Esquema de uma máquina frigorífica
Q1 + | = |Q2|
EFICIÊNCIA DE UMA MÁQUINA FRIGORÍFICA
Para um máquina frigorífica, a eficiência ou coeficiente de desempenho é número e, definido por:
e = 
Q1 __ 
e = 
Q1 ______ 
|Q2| – Q1