Calor e Termodinâmica

Prof. Júlio César Mendes Lobato

CURSO DE LICENCIATURA PLENA

EM FÍSICA

Introdução

Temperatura é uma grandeza escalar que está relacionada com a medida da energia cinética das moléculas de um corpo;

Calor é uma forma de energia que é transferida entre um sistema e sua vizinhança, como conseqüência apenas da diferença de temperatura.

Gelo sobre uma chapa quente

Temperatura

Ao variarmos a temperatura de um corpo, suas dimensões geométricas serão alteradas proporcionalmente a esta variação

Neste caso, consideramos três tipos de dilatação: dilatação linear, dilatação superficial e dilatação volumétrica.

Gradiente de temperatura.

Temperatura de uma determinada parcela de ar situada em (x,y,z) no tempo expresar como função de (t,x,y,z).

Temperatura e Problemas Ambientais

Lei Zero da Termodinâmica

“Se dois corpos estão em equilíbrio térmico (mesma temperatura) com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si”.

A Figura apresenta três corpos A, B e C. De acordo com esta lei, temos:

TA = TC

TB = TC

então,

TA = TB

A B

C

TATB

TC

Capacidade Térmica A relação entre a quantidade de calor cedida ou

absorvida por um corpo Q pela variação de temperatura ΔT sofrida é chamada de capacidade térmica C.

dQC = .

dT

As unidades de capacidade térmica são:

No SI: J/K

Prática: cal/°C

Calor EspecíficoSubstância

Calor específico (cal/goC)

ar 0,24

Oxigênio 0,22

Nitrogênio 0,25

Hidrogênio 3,4

água 1,0

álcool 0,6

gelo 0,5

Cobre 0,091

Ferro 0,11

Madeira 0,42

vidro 0,16

Rochas 0,21

e

Cc = .

m

O calor específico de uma substância é definido como sendo a quantidade de calor necessária para fazer um grama de determinada substância elevar 1 grau Celsius sua temperatura.

Suas unidades são:

No SI: J/kg.K

Prática: cal/g.ºC

Calor Sensível Quantidade de calor cedida ou

absorvida por um corpo, para exclusivamente variar sua temperatura.

Em que m é a massa, ce é o calor específico e ΔT é a variação de temperatura.

Unidades:

SI é o J/kg.K

Prática é a cal/g.°C.

Calor Latente

É a quantidade de calor cedida ou absorvida por um corpo para mudar de fase.

Q = m L

Aqui, Q é a quantidade de calor perdida ou recebida pelo corpo, m é a massa do corpo e L é o calor latente.

Quando uma substância está mudando de fase, sua temperatura permanece constante.

Substância Ponto de

fusão (°C)

Calor latente de

fusão (cal/g)

Ponto de ebulição

(°C)

Calor latente de ebulição

(cal/g)

ferro 1 535 64 3 000 1 508

cobre 1 083 49 2 595 1 288

ouro 1 063 15 2 966 376

chumbo 327 5,5 1 744 209

água 0 80 100 540

álcool -114 25 78 204

nitrogênio -210 6,1 -196 98

oxigênio -219 3,3 -183 51

Calor de Combustão

Suponha que m gramas de um substância sofra combustão e que, em conseqüência, haja desprendimento de uma quantidade de calor Q. Por definição, chama-se Calor de Combustão k, a razão

Qk = .

m

Princípio da Calorimetria

Num sistema isolado, isto é, se não houver perdas para o exterior, a quantidade de calor cedida por um objeto é igual a recebida pelo outro.

   Qcedido + Qrecebido = 0

Mudança de Fase Fusão é a mudança da fase sólida para

a fase líquida.

Vaporização é a mudança da fase líquida para a fase de vapor.

Condensação ou Liquefação é a mudança da fase gasosa para a fase líquida.

Solidificação é a mudança da fase líquida para a fase sólida.

Sublimação é a mudança direta da fase sólida para a fase gasosa, ou vice-versa.

Mudança de Fase

A Vaporização pode ocorrer de três formas:

Evaporação é a mudança da fase líquida para a fase de vapor à temperatura ambiente. Esse processo é lento. Exemplo: Roupa secando no varal.

Ebulição é a mudança da líquida para a fase de vapor. Mudança rápida que ocorre à temperatura constante, cujo valor é determinado pela pressão. Exemplo: Água Fervendo.

Calefação é a mudança da fase líquido para a fase de vapor, de forma extremamente rápida, que ocorre quando a temperatura é muito maior que a temperatura de ebulição. Exemplo: um pingo d'água em uma chapa quente.

Processos de Transmissão de Calor

Condução

Convecção

Radiação

Transmissão de Calor: Condução

Chama-se condução de calor à transferência de energia entre partes adjacentes de um corpo, em conseqüência da diferença entre suas temperaturas.

ΔT é o gradiente de temperatura

Δx

x

TemperaturaT + T

Área ATemperatura

T

Calor

ΔTH = - k A

ΔxQ

H = Δt

k é a condutividade térmica do material

Q é o calor

Transmissão de Calor: Convecção

A convecção consiste no transporte de energia térmica em um fluido (líquido ou gás), através do transporte de matéria.

A movimentação das diferentes partes do fluido ocorre pela diferença de densidade que surge em virtude de seu aquecimento ou resfriamento

BrisasNoiteDia

Transmissão de Calor: Radiação

É a transferência de energia por meio de ondas eletromagnéticas, denominadas ondas caloríficas ou calor radiante, predominando os raios infravermelhos;

Lei de Stefan-Boltzmann

P = ε σ A T4

P é a potência irradiada, ε é a emissividade da superfície, A é a área, T é a temperatura absoluta e σ é a constante de Stefan-Boltzmann

σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4

Na irradiação térmica só ocorre transporte de energia;

O Efeito Estufa é a forma que a Terra tem para manter sua

temperatura constante

Efeito Estufa

Processos Reversíveis

Condições para um processo ser reversível:

1. Não se pode perder energia mecânica em virtude da ação de forças de atrito, de forças viscosas ou de outras forças dissipativas que produzem calor.

2. Não pode haver condução de calor provocada por uma diferença de temperatura finita.

3. O processo deve ser quase-estático, de modo que o sistema esteja sempre em estado de equilíbrio (ou infinitamente próximo de um estado de equilíbrio).

Qualquer processo que viola alguma destas condições é irreversível. A grande maioria dos processos naturais é irreversível. Para ocorrer um processo reversível é preciso tomar grandes precauções para eliminar o atrito e outras forças dissipativas.

Leis da Termodinâmica

Sempre é possível transformar completamente trabalho em calor.

A transformação inversa, de calor em trabalho, nem sempre é possível.

O rendimento de qualquer máquina térmica é inferior a 100%.

Locomotiva a vapor tem rendimento de cerca de 10%; motor a gasolina não ultrapassa 30% e no motores Diesel é de 40%.

Trabalho Realizado pelo Gás

Considere um gás contido em um cilindro provido de um êmbolo. Ao se expandir, o gás exerce uma força no êmbolo. O trabalho dessa força pode ser calculado.

dw = p.dV

A Pressão constante!

Primeira lei da Termodinâmica

Q = W + ΔU

Em que Q é a quantidade de calor, W o trabalho realizado e ΔU a variação de energia interna

Nota: Esta lei é uma extensão do princípio de conservação de energia mecânica.

A grandeza conhecida hoje como entalpia foi inicialmente definida por Gibbs (Haase, 1971), através da ex-pressão.

ELTALPIA

Decorre dessa definição um processo isobárico.

Portanto, a variação de entalpia é o calor trocado durante o processo.

Historicamente, escolheu-se expressar a entalpia como função da temperatura, da pressão e da composição do sistema. Assim, a diferencial total da função H é:

Se durante uma transferência de energia, a pressão e a composição forem mantidas constantes, a entalpia será função apenas da temperatura:

Após integração (em um pequeno intervalo de temperaturas),

O calor cedido ou recebido por um sistema Físico.

Segunda lei da Termodinâmica

Enunciado de Kelvin-Planck:

Não é possível construir uma máquina térmica, que opere em ciclo, que transforme completamente calor em trabalho.

Enunciado de Clausius:O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um frio.

Máquinas Térmicas

A primeira máquina térmica a operar foi a máquina à vapor, inventada no século XVIII, para bombear a água das minas de carvão.

O rendimento, e, de um máquina térmica é definido como a razão entre o trabalho efetuado durante um ciclo e o calor absorvido no mesmo ciclo.

H C

H H

Q - QWe = = .

Q Q

Máquina de CarnotEm 1824, Sadi Carnot, demonstrou que todas as máquinas reversíveis, que operassem entre dois reservatórios térmicos, teriam rendimentos iguais e que NENHUMA máquina poderia ter rendimento maior que a de uma máquina reversível.

H C H CMaquina de Carnot

HH H

Q - Q T - TWe = = .

TQ Q

EntropiaA entropia é uma medida do grau de desordem de um sistema ou bagunça, como dizem os Físicos, por piada?

A variação de entropia de um processo reversível, em função do calor trocado, Q, e da temperatura, T, do sistema, é calculada como

dQdS = . ( J K ).

T

A temperatura de fusão do gelo, a qual, em condições ideais, é de 0°C. Com isso, todo o calor fornecido pelo meio ambiente envolvente será utilizado para alterar as ligações entre as moléculas de água no gelo, de forma que elas passem do arranjo mais ordenado e rígido do gelo para a forma mais desordenada e fluída da água.

FUSÃO DO GELO

Talvez a entropia seja mais conhecida associada à 2ª Lei da Termodinâmica.

Entropia e Segunda Lei da Termodinâmica

Cada uma das três leis da Termodinâmica está associada uma variável Termodinâmica específica. Para a lei Zero, a variável é a Temperatura. Para a Primeira Lei, é sua energia interna U. Para a Segunda Lei, a variável é a Entropia.

Enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica em termos da Entropia:

Em qualquer processo termodinâmico que evolui de um estado de equilíbrio para outro, a Entropia do conjunto, sistema mais vizinhança, ou permanece inalterada ou aumenta.

Para sistemas fechados, a entropia não pode diminuir (não-conservação)

• O sinal de igual aplica-se apenas a processos reversíveis, em equilíbrio.

• Se um processo aumenta a entropia do sistema isolado, o processo inverso está vedado, pois levaria a uma diminuição da entropia, o que não é permitido, segundo essa lei.

• Consequentemente, um processo que aumente a entropia do sistema isolado é irreversível.

Irreversibilidade

• Muitos fenômenos da Natureza são irreversíveis: uma pedra solta cai, não sobe; o café quente numa xícara esfria, não esquenta; etc. Os processos inversos só ocorreriam se a energia externa fosse fornecida. 

• Por outro lado, há processos irreversíveis em que a energia se conservaria: uma extremidade de um garfo poderia se esfriar ao mesmo tempo em que a outra extremidade se esquentasse.

• Irreversibilidade significa a impossibilidade de um sistema, após ter ido de um estado A para um estado B, retornar ao seu estado inicial A.

• Geralmente é possível retornar o sistema ao seu estado inicial A, às custas de nova alteração no seu meio ambiente envolvente.

A irreversibilidade implica numa assimetria temporal do sistema, a existência de uma flecha do tempo.

Obrigado pela atenção.