quarta-feira, 8 de junho de 2011

RESUMO DE TERMOLOGIA

TERMOMETRIA
Conceitos básicos
Temperatura
É a medida do grau de agitação molecular. Essa medida é feita indiretamente medindo-se a variação de grandezas
Físicas que variam biunivocamente com a temperatura. Por esse motivo são chamadas grandezas físicas termométricas. Como exemplo podemos citar a pressão, o volume e a resistência elétrica.
Os sistemas construídos para medir-se a temperatura são chamados termômetros. Como exemplos têm-se o termômetro de mercúrio, o de álcool, o de pressão, etc.
Como a temperatura está associada ao movimento das moléculas, pode-se encará-la como medida do nível energético das moléculas.
Energia térmica
É a energia associada à energia cinética das moléculas. Portanto, depende da massa e da temperatura de um corpo.
Equilíbrio térmico
Dizemos que dois corpos estão em equilíbrio térmico quando estão à mesma temperatura.
Graduação de um termômetro
A graduação de termômetro é feita com água pura à pressão normal (1 atm). No termômetro são marcadas duas posições. Uma marca é obtida mergulhando-se o termômetro num recipiente que contém gelo em fusão; é o primeiro ponto fixo (1° P.F.).
A outra marca é obtida mergulhando-se o termômetro num recipiente que contém água em ebulição; é o segundo ponto fixo (2° P.F.)
Escalas termométricas
Das escalas acima, a Celsius é a mais utilizada.
A escala Fahrenheit é adotada nos países de língua inglesa.
A escala Kelvin é a escala utilizada pelo Sistema Internacional de Unidades. É a única escala absoluta, ou seja, a única cujo zero é absoluto e não relativo como nas outras.
Função termométrica
É toda função que relaciona, biunivocamente, a medida da temperatura com a de uma grandeza física termométrica. Portanto, pode-se relacionar a temperatura de um corpo, ou substância, com a sua pressão, com a seu volume, etc.
CALORIMETRIA
CALOR (Q)
Introdução
Quando dois corpos, em temperaturas diferentes, são postos em contato, observa-se que a temperatura do corpo mais quente diminui, enquanto que a temperatura do corpo mais frio aumenta. Essas variações de temperatura cessam quando as temperaturas de ambos se igualam (equilíbrio térmico).
Portanto, durante esse processo, o nível energético (grau de agitação molecular) do corpo mais quente diminui, enquanto que o do corpo mais frio aumenta. Como a energia térmica de um corpo depende, além da sua massa e da substância que a constitui, da sua temperatura, conclui-se que as variações de temperatura estão associadas às variações de energia térmica.
Concluindo, a diferença de temperatura entre dois corpos provoca uma transferência espontânea de energia térmica do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Essa quantidade de energia térmica que se transferiu é chamada de calor.
Calor é energia térmica em trânsito entre corpos a diferentes temperaturas.
Unidades
No S.I. o calor é medido em J (joule). Usualmente utiliza-se a cal (caloria), tal que:
1 cal = 4,186 J
Sinal do Calor
O calor (quantidade de energia térmica) é positivo (Q > 0) quando um corpo recebe energia térmica e negativo (Q < 0) quando perde.
Calor "perdido": Q < 0
Calor "recebido": Q > 0
Formas de Calor
A quantidade de energia térmica recebida ou perdida por um corpo pode provocar uma variação de temperatura ou uma mudança de fase (estado de agregação molecular).
Se ocorrer variação de temperatura, o calor responsável por isso chamar-se-á calor sensível. Se ocorrer mudança de fase, o calor chamar-se-á calor latente.
CÁLCULO DO CALOR
Calor Sensível
Verifica-se experimentalmente que o valor do calor sensível depende da substância utilizada, e da variação de temperatura sofrida por ela. Esse valor é obtido pela relação abaixo
onde c é um coeficiente de proporcionalidade chamado calor específico sensível de uma substância.
Esse coeficiente depende da natureza da substância, da sua temperatura e da fase em que se encontra.
A influência da temperatura não será considerada, pois utiliza-se  um valor médio para o calor específico sensível.
Observações:
1ª - A unidade de c no S.I. é dada por J/kg .K, mas usualmente utiliza-se cal/g oC, pois:


2ª - O produto (m . c) é chamado capacidade térmica C de um corpo, ou seja:


Desta relação conclui-se que a capacidade térmica é medida em J/K no S.I. e em cal/ ºC no sistema usual.

3ª - Das relações anteriormente definidas, concluiu-se que, tanto a capacidade térmica como o calor específico sensível, são grandezas positivas, pois:

 

TRANSMISSÃO DE CALOR
Condução de calor
O calor pode se propagar por três processos:
Conduçãoconvecção e irradiação.
condução é processo pelo qual o calor se
transmite ao longo de um meio material, como efeito da transmissão de vibração entre as moléculas. As moléculas mais energéticas ( maior temperatura ) transmitem energia para as menos energéticas ( menor temperatura ) .
Há materiais que conduzem o calor rapidamente, como por exemplo, os metais. Tais materiais são chamados de bons condutores. Podemos perceber isso fazendo um experimento como o ilustrado na figura 1. Segurando uma barra de metal que tem uma extremidade sobre uma chama, rapidamente o calor é transmitido para nossa mão. Por outro lado há materiais nos quais o calor se propaga muito lentamente. Tais materiais são chamados isolantes. Como exemplo podemos citar a borracha, a lã, o isopor e o amianto.


Consideremos uma barra condutora de comprimento L e cuja seção transversal tem área A, cujas extremidades são mantidas a temperaturas , com . Nesse caso o calor fluirá através da barra indo da extremidade que tem a maior temperatura ()para a extremidade que tem menor temperatura ().
A quantidade de calor ( Q ) que atravessa uma seção reta da barra, num intervalo da tempo (Q ) é chamada fluxo de calor. Representando o fluxo por  temos:
Experimentalmente, verifica-se que o fluxo de calor é dado pela Lei de Fourier:
Onde k é uma constante cujo valor depende do material e é chamado coeficiente de condutibilidade térmica.
A unidade do fluxo no SI, é J/s, isto é, watt ( W ). Assim, no SI, a unidade de k é
W / m.K
Na tabela abaixo fornecemos os valores de k para alguns materiais.
Material
k( W / m . K )
Aço
45,4

Alumínio
210

Cobre
390

Ferro
74,4

Mercúrio
29,1

Ouro
313

Prata
419

Vidro
0,74

Madeira
0,04 - 0,12

Gelo
2,21

Isopor
0,01

Exemplo
Uma barra de cobre, de comprimento L = 4,0 m tem seção reta de área A = 3,0 . 10-4 m2. Essa barra tem suas extremidades mantidas a temperaturas . Sabendo que o coeficiente de condutibilidade térmica do cobre é k = 390 W/mK, calcule:
A ) o fluxo de calor através da barra;
B ) a temperatura num ponto situado a 1,6m da extremidade mais quente;
Resolução
 A ) 
B ) A temperatura decresce uniformemente ao longo da barra
Convecção
A convecção ocorre no interior de fluidos (líquidos e gases) como consequência da diferença de densidades entre diferentes partes do fluido. Por exemplo, consideremos o caso ilustrado na figura 3 em que um recipiente contendo água é colocado sobre uma chama. Pelo aquecimento, a parte inferior da água se dilata e fica com densidade menor que a parte superior. Com isso, ocorre uma corrente ascendente e outra descendente. Essas correntes são chamadas de correntes de convecção.
Como outro exemplo podemos citar os refrigeradores. Neles, o congelador é colocado na parte superior. Desse modo o ar mais frio desce, espalhando-se pelo interior do refrigerador.
Irradiação
Todos os corpos emitem ondas eletromagnéticas cuja intensidade aumenta com a temperatura. Essas ondas propagam-se no vácuo e é dessa maneira que a luz e o calor são transmitidos do Sol até a Terra. Entre as ondas eletromagnéticas, a principal responsável pela transmissão do calor são as ondas de infra-vermelho.
Quando chegamos perto de uma fogueira, uma lâmpada incandescente ou um aquecedor elétrico, sentimos o calor emitido por essas fontes. Uma parcela desse calor pode vir por condução através do ar. Porém essa parcela é pequena, pois o ar é mau condutor de calor. Na realidade a maior parte do calor que recebemos dessa fontes vem por irradiação de ondas eletromagnéticas.
De modo semelhante ao que acontece com a luz, as ondas de calor podem ser refletidas por superfícies metálicas. É por esse motivo que a parte interior de uma garrafa térmica tem paredes espelhadas, para impedir a passagem de calor por irradiação.
Estufa
Muitas plantas são criadas em estufas que são recintos com paredes de vidro. O vidro deixa passar com facilidade as ondas vindas do sol. Essas ondas são absorvidas pelo solo e pelos corpos no interior da estufa. O solo e os corpos interiores emitem por sua vez ondas de calor que, na sua maior parte, não conseguem atravessar o vidro. Desse modo, o interior da estufa fica mais quente que o exterior.
O vapor de água e o gás carbônico da atmosfera têm um efeito semelhante ao do vidro. As ondas do Sol são absorvidas pela Terra a qual se aquece e passa a emitir ondas de calor que têm dificuldade em passar pelo vapor d’ água e pelo gás carbônico; isso mantém aquecida a região próxima à superfície da Terra. Ultimamente, os veículos e as indústrias têm contribuido para aumentar a concentração de gás carbônico na atmosfera o que tem provocado um aumento na temperatura média próxima à superfície da Terra. No futuro esse aumento de temperatura pode ter consequências desastrosas.
exercícios
Uma barra de cobre de comprimento L = 7,6 m tem seção reta de área A = 8,0 . 10-4m2. Essa barra tem suas extremidades mantidas a temperaturas . Sabendo que a condutividade térmica do cobre é k = 380 W/m.K, calcule:
a) o fluxo de calor através da barra.
b) a quantidade de calor que passa pela barra em 1,0 minuto.
Resolução
a)  
b) 
Lembrando que
Outro exercício
Em um termômetro de mercúrio, a coluna de mercúrio tem comprimento 10 cm à temperatura 0° C e comprimento 40 cm à temperatura 100° C. Qual a temperatura quando a coluna tiver comprimento de 28 cm?
Resolução
Simbolizando a temperatura por q , na figura a seguir resumiremos os dados do problema.
Para resolver problemas desse tipo fazemos uma proporção entre os segmentos de comprimentos x e y assinalados, na figura abaixo.
Outro exercício
Dentro de um calorímetro temos inicialmente 200 gramas de água à temperatura de 15 °C. Joga-se dentro do calorímetro uma bola de ferro cuja massa é 160 gramas e cuja temperatura é 695 °C. Desprezando o calor absorvido pelo calorímetro e pelo termômetro, calcule a temperatura de equilíbrio, sabendo que o calor específico do ferro é 0,11 cal/g.°C.
Resolução
Aqui temos:
massa da água = mA = 200 g
calor específico da água = cA = 1,0 cal / g.°C
temperatura inicial da água =qA =15 °C
massa de ferro = mF = 160 g
calor específico do ferro = cF = 0,11 cal / g . °C
temperatura inicial do ferro = 
qF = 695 °C

Haverá passagem de calor do corpo mais quente para o mais frio até que seja atingida uma temperatura de equilíbrio 
q que estará entre 15 °C e 695 °C.

esquenta

esfria

ÁGUA A 15°c
¾¾¾¾¾®
ÁGUA E FERRO Á TEMPERATURAq
¾¾¾¾¾®
FERRO A 695°C

ganha calor QA

perde calor QB

A partir daqui há dois modos de desenvolver os cálculos.
1° modo
A variação de temperatura sofrida pela água é:
DqA = q - 15
Assim, o calor ganho pela água é:
QA = mA . cA (DqA)
QA = (200) (1,0) (q - 15)
QA = 200 (q - 15)
A variação de temperatura sofrida pelo ferro é:
DqF = q - 695
Como q < 695, essa variação é negativa. Portanto, para obtermos o módulo de DqFfazemos:
½DqF½ = 695 - q
Assim, o calor perdido pelo ferro é:
QF = mF . cF ½DqF½
QF = 160 (0,11) (695 - q)
O calor ganho pela água é igual ao calor perdido pelo ferro.
QA = QF
200 (q - 15) = 160 (0,11) (695 - q)
Dividindo os dois membros por 40 obtemos:
5 (q - 15) = 4 (0,11) (695 - q)
5 (q - 15) = 0,44 (695 -q)
5q - 75 = 305,8 - 0,44 q
5,44 q = 380,8
q = 70 °C
2° modo
Podemos manter a variação da temperatura do ferro como negativa, seguindo a regra geral:
Dq = qfinal - q inicial
Desse modo o calor do ferro será negativo e teremos
QA + QF = 0
isto é, a somatória dos calores trocados é nula.
QA = mA . cA . (q -15)
QF = mF . cF . (
q -695)
mA . cA . (q - 15) + mF . cF . (q - 695) = 0
(200) (1,0) (q - 15) + (160) (0,11) (q - 695) = 0
Resolvendo esta equação obtemos
q = 70 °C


2 comentários:

  1. Professor, vai ter mesmo aquele curso de férias?
    Queria algumas informações...

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  2. Muito bom o resumo !

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