Download - CESEC Maria Vieira Barbosa
Temperatura é medida do estado de
agitação das partículas do corpo.
O termômetro clínico de mercúrio é o mais usado entre nós. Ele consiste bàsicamente de um tubo capilar (fino
como cabelo) de vidro, fechado a vácuo, e um bulbo (espécie de bolha arredondada) em uma extremidade contendo
mercúrio. O mercúrio, como todos os materiais, dilata-se
quando aumenta a temperatura. Por ser extremamente sensível, ele aumenta de volume à menor variação de
temperatura.
Termologia
1. Conceito de temperatura: De forma cotidiana e também qualitativa, podemos
descrevê-la de um objeto como aquela que determina a
sensação de quanto ele está quente ou frio quando
entramos em contato com ele.
Os conceitos de quente e frio são recorrentes em nosso
cotidiano. Apesar de o conceito de frio ser fisicamente
inexistente, ao mesmo se atribui uma temperatura menor
em relação a outro sistema em análise. Por exemplo, em uma
sala com o ar condicionado ligado onde a temperatura é
25°C e a temperatura externa for 30°C , habitualmente se
coloca aquele ambiente como mais frio com relação a este.
Fisicamente, falamos em temperaturas (medidas de
agitação das moléculas).
2- Termômetros: são corpos utilizados para
determinação de temperatura. Para que a temperatura
possa ser considerada uma grandeza física, é necessário
que saibamos medi-la, de modo que tenhamos um conceito
quantitativo dessa grandeza. Essa medida da temperatura é
feita com os termômetros. Existem vários tipos de
termômetros, cada um deles utilizando a variação de uma
certa grandeza, provocada por uma variação de
temperatura. Há termômetros baseado nas de comprimento
de uma haste metálica, no volume de um gás, na resistência
elétrica de um material, na cor de um sólido muito aquecido,
etc.. O tipo mais comum de termômetro, é aquele que
relaciona a temperatura com a altura de um líquido no
interior de um tubo capilar de vidro, normalmente o
mercúrio (Hg). Quando em
Contato com o corpo de uma
pessoa, se aguarda um
tempo afim de que
ocorra o equilíbrio
entre as tempe-
raturas da
pessoa e do
termômetro.
Mais moderno que o termômetro clínico comum são os
termômetros digitais, também utilizados para a medida da
temperatura do corpo humano. É baseado no acréscimo ou
decréscimo de tensão em componentes elétricos, causados
pela variação de temperatura.
3- Principais escalas termométricas: Nos países de língua latina é mais comum usar a
escala Celsius (0ºC a 100ºC). 0ºC representa o PG (ponto
de gelo) e 100ºC o PV (ponto de vaporização). Nos países
de língua inglesa utiliza-se a escala Fahrenheit (32ºF a
212ºF). Entretanto, no S.I. (Sistema Internacional de
Unidades), a unidade de medida de temperatura é dada
em Kelvin, chamada também de escala absoluta. Kelvin
considerou como ponto inicial de sua escala, a
temperatura mínima que teoricamente se pode obter (o
zero absoluto: 0K = 273,15ºC).
Pontos fixos: São estados térmicos bem caracterizados
por determinados fenômenos físicos. Pontos fixos (PF)
fundamentais:
1º Ponto Fixo ou ponto do gelo (PG): estado térmico do
gelo fundente (gelo se derretendo).
2º Ponto Fixo ou ponto do vapor (PV): estado térmico
do vapor de água em ebulição, sob pressão normal.
Na construção de uma escala determinada, são
adotadas convenções arbitrárias. Por isso, várias escalas
termométricas diferentes surgiram. Essa variedade de
escalas acarretava um série de inconvenientes ao trabalho
científico. Para superar essas dificuldades, os cientistas
sugeriram a adoção de uma escala única, baseada em
convenções internacionais – a escala Celsius
(anteriormente chamada de escala centígrada),
atualmente é adotada em quase todos os países do mundo.
Outra escala usada universalmente,
principalmente nos meios científicos, foi proposta pelo
físico irlandês Lord Kelvin (1824-1907) e denominada
escala Kelvin ou escala absoluta. Essa escala é baseada no
limite mínimo que pode alcançar a temperatura de um
corpo. Esse limite vem dos estudos sobre máquinas
térmicas, que demonstraram ser impossível uma
temperatura menor ou igual a -273 ºC, que foi
denominado zero absoluto.
0 ºC
100 ºC
O limite para a temperatura de um corpo
é -273 ºC. Esta temperatura é
denominada zero absoluto
Pág 2
1 - A temperatura em uma sala de aula é 25°C. Qual
será a leitura na escala Fahrenheit? E na escala Kelvin?
2 - Uma determinada quantidade de água está a uma
temperatura de . Essa temperatura corres-
ponde a:
a)
b)
c)
d)
e)
3 - Quando uma enfermeira coloca um termômetro
clínico de mercúrio sob a língua de um paciente, por
exemplo, ela sempre aguarda algum tempo antes de
fazer a sua leitura. Esse intervalo de tempo é
necessário,
a) para que o termômetro entre em equilíbrio
térmico com o corpo do paciente.
b) para que o mercúrio, que é muito pesado, possa
subir pelo tubo capilar.
c) para que o mercúrio passe pelo estrangulamento
do tubo capilar.
d) devido à diferença entre os valores do calor
específico do mercúrio e do corpo humano.
4 - Duas escalas termo-
métricas lineares estão
representadas na
figura a seguir.
Uma em °C, outra
em °Y. Quando a
escala Celsius marca 50°C,
a escala Yuri marca, em °Y: a) ( ) 30º b) ( ) 40º c) ( ) 50º d) ( ) 60º
Ct Ft Kt
Como exemplo, para uma dada temperatura
Celsius tc ou simplesmente C, haverá uma
correspondente na escala Fahrenheit tF ou
simplesmente F, e outra correspondente na
escala Kelvin tk ou simplesmente K.
Poderemos estabelecer uma relação
matemática entre as escalas:
5
273
9
32
5
100
273
180
32
100
0
KFC
KFC Dividindo a diferença entre a temperatura t e
valor inicial da escala pelo número de divisões
de cada uma delas, e simplificando os denominadores por 20
Exemplo 1
Uma pessoa com febre de 40º C teve sua temperatura
medida com um termômetro na escala Fahrenheit, qual o valor
indicado nesta escala?
9
328
9
32
5
40
9
32
5
F
F
FC
º104
104
3272
3272
329.8
F
ouF
F
F
F
Exemplo 2
Qual seria a temperatura do exemplo anterior lida na escala
Kelvin?
27340
273
5
273
5
K
KC
KC
313
313
27340
K
ouK
K
5
273
9
32
5
KFC
5
273
9
32
5
KFC
Exercícios
4- Dilatação Térmica
É a variação nas dimensões de um sólido (nas 3
dimensões) causada pelo aquecimento ou resfriamento. A dilatação de um sólido com o aumento de temperatura
ocorre porque, com o aumento da energia térmica
(energia de agitação –
cinética – de todas as
partículas do corpo),
aumentam as vibrações
dos átomos e moléculas
que formam o corpo,
fazendo com que passem
para posições de equilíbrio
mais afastadas que as
originais. Esse afastamento
maior dos átomos e das
Pág 3
2.1 - Relação entre as escalas
Forma mais simples da equação para converter temperatura entre as escalas Celsius,
Fahrenheit e Kelvin
Exemplo
Exemplo
Fo
ra d
a es
cala
rea
l. S
om
ente
ilu
stra
tiv
o.
Si
Sf
moléculas do corpo produz sua dilatação em todas as
direções.
A dilatação ocorre em todas as dimensões de um corpo
mas, para facilitar, é feito o estudo separado em três
formas, a dilatação linear (do comprimento), a
superficial (da área) e a volumétrica ( do volume).
5- Dilatação Linear É aquela em que predomina a variação em uma única
dimensão (o comprimento). A variação no comprimento
de um corpo é diretamente proporcional a variação da
temperatura e depende também do material que o
constitui ( if tt )
A expressão que define dilatação linear é:
tll i ..
atemperaturdeiaçãoat
linerdilatçãodeecoeficiento
inicialocomprimentoél
dilataçãoaél
i
var
coeficiente de dilatação linear (constante
característica do material que constitui o corpo e cuja
unidade é ºC-1) e t a variação da temperatura,
temperatura final menos a inicial.
6- Dilatação Superficial É aquela em que predomina a variação em duas
dimensões, ou seja, a variação da área.
A expressão que define dilatação superficial é:
tSS i ..
atemperaturdeiaçãoat
linerdilatçãodeecoeficiento
inicialáreaaéS
dilataçãoaéS
i
var
, o coeficiente de dilatação superficial
(constante característica do material que constitui o
corpo e cuja unidade é ºC-1)
.2
Obs.: quando se aquece uma chapa com um orifício, ela
se dilata como se fosse inteiriça, isto é, o orifício se
dilata, aumentando um pouco, como se fosse
constituído do mesmo material da chapa.
7- Dilatação Volumétrica A dilatação volumétrica se divide em dois casos, a
dilatação do volume de um sólido e a dilatação do
volume de líquidos.
7.1- Dilatação Volumétrica de sólidos É aquela em que ocorre a variação das 3 dimensões
de um corpo.
A expressão que define dilatação volumétrica é:
tVV i .. onde
atemperaturdeiaçãoat
ovolumetricdilatçãodeecoeficiento
inicialvolumeoéV
avolumétricdilataçãoaéV
i
var
o coeficiente de dilatação volumétrica
(constante característica do material que constitui o
corpo e cuja unidade é ºC-1)
.3
7.2- Dilatação Volumétrica de líquidos Os líquidos se dilatam obedecendo às mesmas leis
que estudamos para os sólidos. No entanto, para
estudarmos a dilatação de um líquido, ele deve estar
contido em um recipiente, que também se dilata. Por
esse motivo, ao observarmos um líquido se dilatando em
um frasco, o que estamos vendo é a sua dilatação
aparente, que é a diferença entre sua dilatação real e
a dilatação do frasco.
Quando um frasco contendo um líquido é
aquecido, ocorre o seguinte: o frasco é aquecido
primeiro, se dilata e observa-se uma ligeira redução na
altura da coluna de líquido; em seguida, o líquido
também se aquece, e como os líquidos em geral se
dilatam mais que os sólidos, podemos observar uma
elevação na altura da coluna de líquido.
(Temperatura
inicial)
(Temperatura
final)
A diferença entre os dois volumes Vf e Vi é a
dilatação volumétrica V após o aquecimento.
Pág 4
Coeficientes de Dilatação Linear
(ordem decrescente)
Substância )( 1Co
Chumbo 610.29
Zinco 610.25
Alumínio 610.23
Cobre 610.17
Aço 610.11
Vidro (comum) 610.0,9
Tungstênio 610.4
Vidro (pirex) 610.2,3
Diamante 610.9,0
Invar * 610.7,0
Sílica 610.4,0
Essa elevação portanto, é devido à dilatação aparente
do líquido, não expressa a dilatação total ou real do
mesmo, uma vez que o recipiente já dilatou e mascara
(esconde) parte de sua dilatação real. Sendo assim:
Essa relação vale também para os coeficientes:
Dilatação real
Dilatação
aparente
recipiente
Dilatação do
recipiente
=
+
cipienteAparenteal VVV ReRe
cipienteAparenteal ReRe
Exemplo 3
Uma ponte feita de aço, de 800 m de comprimento,
está sobre uma avenida, cuja temperatura passa de
24°C, no inverno, para 40° C no verão. Calcule a vaiação
do comprimento (a dilatação linear) dessa ponte e seu
comprimento final no verão.
Dado: 1610.11 Coaço
mL
L
L
L
L
L
tLL i
1408,0
000001,0.140800
10.140800
16.10..8800
1610.11.800
)2440(.10.11.800
..
6
6
6
6
Dilatação
mL
L
lLL if
1408,800
1408,0800
Comprimento final da
ponte. Note que no
verão ela aumenta
aproximadamente
14 cm
8 - Coeficientes de Dilatação Linear de alguns
materiais
Realizando-se experiências com barras feitas de
matérias diferentes, verifica-se que o valor de (
coeficiente de dilatação linear) é diferente para cada um
dos matérias. Isso pode ser entendido se lembrarmos que
as forças que ligam os átomos e as moléculas variam de
uma substância para outra, fazendo com que as
substâncias se dilatem de maneira diferente. A tabela
seguinte mostra os coeficientes de dilatação linear de
alguns materiais.
Essa relação vale também para os coeficientes:
* Invar são ligas à base de Ni (Níquel) e Fe (Ferro), que apresentam a propriedade de um baixo coeficiente de dilatação térmica.
Observe que, na tabela acima, os coeficientes
representam a variação do comprimento para cada grau
de variação de temperatura. Isso significa que uma
barra de cobre, por exemplo, de 1 metro de
comprimento, aumenta em 610.17 m ou 0,000017 m
quando sua temperatura se eleva 1 ºC.
É possível notar também que o Chumbo dilata mais que o
Zinco, e este mais que o Alumínio, e assim por diante.
:
Solução Exemplo
Exemplo 4
a) Porque um copo de vidro comum provavelmente se
quebrará se você o encher parcialmente de água
fervendo?
Porque apenas parte do copo em contato com a água se
aquece mais e se dilata, causando seu rompimento.
b) Porque um copo não se quebrará se for de vidro
pirex?
Porque o coeficiente de dilatação do vidro
pirex é pequeno.
Resposta
Resposta
Exemplo
Pág5
5. Sabendo-se que alumínio 2ferro, se um disco de ferro
envolvido por um anel de alumínio for aquecido
uniformemente (se somente o disco for aquecido):
a) o anel e o disco dilatarão igualmente e continuarão na
mesma posição.
b) somente o disco de ferro dilatará e comprimirá o anel
mais fortemente.
c) somente o anel de alumínio dilatará e comprimirá o anel
mais fortemente.
d) o anel de alumínio dilatará mais que o disco de ferro,
que se soltará facilmente.
6 Considere os seguintes coeficientes de dilatação linear:
Material Coeficiente de dilatação
linear, Alumínio 2,4 x 10
-5 ºC
-1 Bronze 1,8 x 10
-5 ºC
-1 Cobre 1,7 x 10
-5 ºC
-1 Ferro 1,2 x 10
-5 ºC
-1
Se você tiver quatro barras desses materiais, de mesmo
comprimento inicial il , e submetê-las à mesma variação
de temperatura t , qual delas se dilatará mais?
a) cobre
b) alumínio
c) ferro
d) bronze
7. Uma chapa com um orifício circular é aquecida de 50°C
para 100°C. Como conseqüência desse aquecimento, o
diâmetro do orifício:
a) dobra.
b) não varia.
c) diminui um pouco.
d) aumenta um pouco.
8. Um pino metálico, a uma dada temperatura, ajusta-se
perfeitamente em um orifício de uma placa metálica. Se
apenas a placa for aquecida, verifica-se que:
a) o pino não passará pelo orifício.
b) o pino passará mais facilmente pelo orifício.
c) haverá contração apenas do orifício da placa.
d) a placa dilatará; por isso o orifício diminuirá
Disco
de ferro
Anel de
alumínio
Exercícios
9. Quando um frasco completamente cheio de líquido é
aquecido, transborda um pouco. O volume do líquido
transbordado mede:
a) a dilatação absoluta do frasco.
b) a dilatação aparente do frasco.
c) a dilatação absoluta do líquido.
d) a dilatação aparente do líquido.
e) a dilatação do frasco mais a do líquido.
9 - Dilatação Anômala ou Irregular da Água
Os sólidos e líquidos, em geral, têm seu volume
aumentado conforme elevamos a temperatura.
Entretanto existem algumas substâncias que em
determinados intervalos de temperatura, apresentam
um comportamento inverso, ou seja, diminuem de
volume quando sua temperatura aumenta. Assim essas
substâncias têm o coeficiente de dilatação negativo
nesses intervalos.
Um exemplo destas substâncias é a água, que
apresenta essa anomalia no intervalo de 0ºC a 4ºC, isto
é, neste intervalo de temperatura o volume da água
diminui após 4ºC ela se dilata normalmente como todos
os líquidos. À isso chamamos de dilatação anômala da
água. Se medirmos o volume de 1 litro de água em
diferentes temperaturas, vamos observar variações
nesse valor, obtendo o seguinte gráfico, volume x
temperatura:
Se o volume diminui e a massa é mantida constante, há um aumento de densidade, ou seja, a substância fica mais “pesada”, sendo assim, a á água nessa faixa de temperatura é mais densa, mais “pesada” que o gelo. É por este motivo que, em alguns países onde o inverno é rigoroso, os lagos e rios se congelam apenas na superfície, enquanto que, no fundo, encontra-se a água de máxima densidade, isto é, água a 4ºC. Este fato é fundamental para a preservação da fauna e flora destes lugares. Se a água não apresentasse esta
irregularidade na dilatação, os rios e lagos se congelariam totalmente, causando danos irreparáveis as plantas e animais aquáticos.
Pág 6
CalQA 120 CalQB 120
Ct º20 Ct º30
Corpo
A Corpo
B
Calorimetria
9 - Calor é Energia A idéia de que o calor é energia foi introduzida
por Rumford, um engenheiro militar, em 1798, trabalhava
na perfuração de canos de canhão. Observando o
aquecimento das peças a serem perfuradas, Rumford
teve a idéia de atribuir este aquecimento, ao trabalho
que era realizado contra o atrito, na perfuração. Em
outras palavras, a energia empregada na realização
daquele trabalho era transferida para as peças,
provocando elevação de temperaturas. Modernamente,
considera-se que, quando a temperatura de um corpo é
aumentada, a energia que ele possui em seu interior,
energia interna, também aumenta. Se este corpo é
colocado em contato com outro, de temperatura mais
baixa, haverá transferência de energia do primeiro para o
segundo, energia esta que é denominada calor.
Portanto:
(Corpo A inicialmente com maior temperatura que B)
Unidade de medida de Calor
No S.I. (Sistema Internacional de unidades), calor é
medido em joule (J) por se tratar de um tipo de energia,
porém, é comum medir também em calorias (cal) ou
quilocalorias (kcal), 1 kcal = 1000 cal.
Por definição, 1 caloria é:
A quantidade de calor Q, é então, a quantidade
de energia transferida ou subtraída de um corpo,
elevando ou diminuindo a sua temperatura. É calculado
assim:
10 – Capacidade Térmica Suponha que uma quantidade de calor de 100 cal
fosse fornecida a um corpo A e que sua temperatura
elevasse 20ºC. Se a mesma quantidade de calor (100cal)
for fornecida a um corpo B, poderemos observar uma
elevação de temperatura diferente, por exemplo, de
10 ºC.
Calor é a energia transferida de um corpo para
outro em virtude, unicamente, de uma diferença de
temperatura entre eles.
1 cal = 4,18 J
tcmQ ..
)(ºvar
)º/(
)(
Catemperaturdeiaçãot
Cgcalespecíficocalorc
gmassam
Portanto, fornecendo a mesma quantidade de calor a
corpos diferentes, eles, em geral, apresentam diferentes
variações de temperatura . Para caracterizar este
comportamento dos corpos , defini-se uma grandeza,
denominada capacidade térmica, do seguinte modo:
Exemplo 4
se um corpo recebe uma quantidade de calor Q e
sua temperatura varia de t , a capacidade térmica
desse corpo é dada por
t
QC
(cal/ºC)
CcalCC
cal
t
QC
CcalCC
cal
t
QC
B
A
º/4º30
120
º/6º20
120
Solução Exemplo
Calculando as capacidades térmicas dos corpos
A e B, acima, observamos que, o corpo A
sofreu uma menor variação de temperatura
para a mesma quantidade de calor recebida.
Sendo assim, esse corpo possui maior
capacidade térmica.
11 - Calor Específico
Calor específico é uma grandeza física que
define a variação térmica de determinada substância ao
receber determinada quantidade de calor. É constante
para cada substância em cada estado físico. Pode-se
dizer que o calor específico caracteriza uma substância
(em determinado estado físico). A unidade de medida
usada é CgcalouCg
calº/
º (calorias por grama por
grau Celsius).
Pág 7
"Se encostarmos corpos, ou sistemas, que estejam com
temperaturas diferentes, haverá troca de calor entre
eles. E mais, o calor sempre passará do corpo de maior
temperatura para o corpo de menor temperatura, até que
ambos atinjam a mesma temperatura, ou seja, atinjam o
equilíbrio térmico", Quando os corpos estão em equilíbrio
térmico não há diferença em suas temperaturas, ou seja,
a diferença é igual a zero.
Cg
calcouc
g
Ccal
m
Cc
cmC
º03,0029,0
/º
170
0,5
.
Então, quando encostamos dois corpos com
temperaturas diferentes, ou seja, com níveis de energia
interna diferentes, a tendência é que parte da energia do
corpo de maior temperatura passe para o corpo de menor
temperatura.
12 - Equilíbrio térmico
Quando dois ou mais sistemas estão em contato
térmico entre si tendem a chegar ao equilíbrio térmico.
Substância Calor Específico
(cal/g.°C) água 1,0
álcool 0,6 alumínio 0,22
ar 0,24 carbono 0,12 chumbo 0,031 cobre 0,094 ferro 0,11 gelo 0,5 hélio 1,25
hidrogênio 3,4 latão 0,092
madeira 0,42 mercúrio 0,033
nitrogênio 0,25 ouro 0,032
oxigênio 0,22 prata 0,056
rochas 0,21 vidro 0,16 zinco 0,093
A tabela abaixo apresenta o calor específico de
algumas substâncias à pressão constante de 1 atm.
Obs.:
Sendo o calor específico característico de cada
material, para cada substância, são determinados
cuidadosamente nos laboratórios e apresentados
em tabelas, como abaixo.
Importante saber que 1 cal é a quantidade de
calor que deve ser fornecida a 1 g de água para
que sua temperatura se eleve de 1 ºC. A calor
específico da água é portanto, c= 1 cal/gºC
Observando a tebela, concluimos que:
- a água precisa receber 1 caloria para cada 1 grama
possa ter sua temperatura aumenteda de 1 ºC.
- o ferro precisa receber 0,11 calorias para cada 1
grama possa ter sua temperatura aumanteda de 1 ºC.
Ou seja, a água precisa receber uma quantidade de calor
maior que o ferro, por exemplo, para ter a mesma
variação de temperatura.
“A água demora mais pra se aquecer que uma mesma
massa de ferro, e também demoraria mais pra se
esfriar”
Se um corpo de massa m tem capacidade térmica
C, o calor específico, do material que constitui o corpo
é dado por:
m
Cc
)/º(
)(
)º/(
CcaltérmicadecapacidaC
gmassam
Cgcalespecíficocalorc
Exemplo 5
Tomando-se um bloco de chumbo cuja massa é m= 170 g,
verificamos que sua capacidade térmica é C = 5,0
cal/ºC. Consequentemente, o calor específico do chumbo
vale:
5 170
500 170
0,029
Solução Exemplo
Exemplo 6
Qual a quantidade de calor necessária para elevar a
temperatura de 200g de cobre de 25°C para 70°C? O
calor específico do cobre é igual a 0,093 cal/g • °C.
Dado: Q = m c t = m c (tf - ti)
cal837
45.6,18
45.093,0.200
)2570(.093,0.200
..
Q
Q
Q
Q
tcmQ
Solução Exemplo
Pág 8
tcmQ ..
tcmQ ..
t
QC
tcmQ ..
t
QC
10 A temperatura de uma panela de ferro de massa
igual a 500g se elevou de 20°C para 60°C, quando ela
absorveu 240cal. A capacidade térmica dessa panela
vale (em cal/°C):
a) 6
b) 4
c) 3
d) 12
11. Uma esfera metálica encontra-se a uma
temperatura inicial ti = 10°C. Fornecendo-se a esse
corpo uma quantidade de calor Q = 400cal, sua
temperatura final tf passa a ser de 50°C. A capacidade
térmica (C) dessa esfera é (em cal/°C):
a) 10
b) 11
c) 0,1
d) 0,4
12. Uma barra metálica com 200g de massa tem
capacidade térmica C = 40cal/°C. O calor específico
(c) do metal que constitui a esfera é de (em cal/g•°C):
a) 0,2
b) 0,5
c) 2,0
d) 5,9
13. Na tubulação de um aquecedor solar há 1500g de
água à temperatura de 20°C. A quantidade de energia
recebida pelo conjunto, para que a temperatura
atingisse 60°C, foi de (em Kcal):
Dado: cágua = 1cal/g •°C
a) 30
b) 60 1000 cal = 1Kcal
c) 90
d) 120
14. O calor específico de uma substância é igual a 0,50
cal/g •°C. Para que a temperatura de uma amostra de
10g dessa substância varie de 10°C é preciso que a
amostra absorva, no mínimo (em cal):
a) 0,50
b) 5,0
c) 25
d) 50
15. Uma peça de alumínio de 20g de massa encontra-se
à temperatura de 10°C. A quantidade de calor
necessária para elevar sua temperatura até 40°C, vale,
em cal: Dado: calumínio = 0,22cal/g •°C
a) 120
b) 132
c) 150
d) 182,
Exercícios
cmC .
16. Um sistema A está em equilíbrio térmico com outro B, e este não está em equilíbrio com um outro C. Então podemos dizer que:
a) os sistemas A e B possuem a mesma quantidade de calor. b) a temperatura de A é diferente da de B.
c) os sistemas A e B possuem a mesma temperatura.
d) a temperatura de B é diferente da de C, mas C pode ter temperatura igual à do sistema A 17. Para que haja troca de calor entre 2 corpos é
necessário que:
a) tenham massas diferentes.
b) estejam a temperaturas diferentes.
c) sejam constituídos de substâncias diferentes.
d) exista um meio condutor de calor entre ambos.
13 – Estados da matéria – mudança de estado
Na natureza, as substâncias podem ser
encontradas em três diferentes estados, as quais são
denominados de estado sólida, estado líquido e estado
gasoso. Os fatores que determinam o estado em que as
substâncias se encontram são a temperatura e a
pressão. Ou seja, para cada estado, as substâncias
possuem temperatura e pressão diferentes. Por
exemplo, o ferro em condições normais apresenta-se
no estado sólido, mas se elevarmos a sua temperatura e
atingir seu ponto de fusão, passará a ser líquido. O
mesmo acontece com a água. Em condições normais esta
substância se encontra no estado líquido, contudo, se
abaixarmos a sua temperatura até seu ponto de
solidificação (0º), passará para o estado sólido.
Quando a substância muda de um estado para
outro como, por exemplo, do sólido para o líquido,
dizemos que ela sofreu uma mudança de
estado ou mudança de fase. Isso acontece sempre
que a substância ganha ou perde calor até atingir seu
ponto de mudança de fase. Ao fazer isso,
provocamos o aumento ou redução no grau de
agitação dos átomos que constitui a substância, e
esse aumento ou essa redução, faz com que a força
de ligação entre eles seja alterada, provocando,
dessa forma, a mudança de fase.
Todavia, essa mudança de estado também pode
acontecer quando se altera a pressão sobre a
substância.
Exercícios
Pág 9
Exemplo 7
Qual a quantidade de calor necessária para fundir
(derreter) 20g de gelo a 0°C. O calor latente de fusão
do gelo é igual a 80 cal/g.
Dado: Q = m L
Exemplo
As mudanças possíveis e seus respectivos nomes são:
Estado Sólido
É quando os átomos das moléculas constituintes da
matéria estão em um estado de agitação baixo, podendo
ser concentrados mais átomos em um mesmo espaço físico.
A sua forma e volume são fixos.
Estado Líquido
Os átomos de uma substância líquida se apresentam
mais afastados uns dos outros do que no estado sólido e,
consequentemente, as forças de ligação entre eles são
mais fracas. Assim, o movimento de vibração dos átomos se
faz mais livremente, permitindo que eles sofram pequenas
translações no interior do líquido. É por esse motivo que os
líquidos podem escoar com facilidade, não oferecem
resistência à penetração e tomam a forma do recipiente
onde são colocados.
Estado Gasoso
Na estrutura interna de um gás, a separação entre os
átomos ou as moléculas, é muito maior do que nos sólidos e
nos líquidos, sendo praticamente nula a força de ligação
entre estas partículas. Por esse motivo, elas se
movimentam livremente em todas as direções, fazendo com
que os gases não apresentem forma definida e ocupem
sempre o volume total do recipiente onde estão contidos.
13 - Calor de fusão ou calor latente
Calor latente é a grandeza física relacionada à
quantidade de calor que uma unidade de massa de
determinada substância deve receber ou ceder para mudar
de estado, ou seja, passe do sólido para o líquido, do líquido
para o gasoso e vice versa. Durante a mudança de fase a
temperatura da substância não varia (permanece
constante), mas seu estado de agregação se modifica. O
calor latente pode assumir tanto valores positivos quanto
negativos. Se for positivo quer dizer que a substância está
recebendo calor, se negativo ela está cedendo calor. A
unidade usual é caloria por grama (cal/g). Para calcular o
calor latente de uma substância, basta dividir a quantidade
de calor Q que a substância precisa ganhar ou perder para
mudar de estado pela massa m da mesma.
sólido líquido gasoso
)(
)(
)/(
cal
calordedequantidaQ
gmassam
gcallatentecalorL
A água quando está fervendo está à temperatura de 100ºC (temperatura de vaporização ou ebulição da água ao nível do mar), e permanece nessa mesma temperatura até ser transformada em vapor.
O gelo derretendo-se encontra-se a 0ºC (temperatura de fusão do gelo ao nível do mar), e permanece nessa mesma temperatura até ser transformado em líquido.
Como informação, observe a tabela a baixo o ponto de
fusão de algumas substâncias, e respectivo calor latente
de fusão FL .
Substância Ponto de fusão
(°C)
Calor Latente de
Fusão FL (cal/g)
água 0 80 álcool -114 25
alumínio 659 95 cloreto de sódio 800 124
cobre 1 083 49 chumbo 327 6 enxofre 119 13
ferro 1 535 64 ouro 1 063 15
Nesta próxima tabela se verifica o ponto de
vaporização de algumas substâncias e respectivo calor
latente de vaporização.
Substância Ponto de
Vaporização (°C)
Calor Latente de
Vaporização (cal/g)
água 100 540
álcool 78 204
alumínio 2.519 2569
cloreto de sódio 1.465 -
cobre 2.562 1288
chumbo 1.749 209
enxofre 445 78
ferro 2.861 1508
ouro 2.856 376
Pág 10
10
200
.10200
.
l
l
lmQ gcall /20
gKcalQougcalQ
Q
LmQ
/6,1/1600
80.200
.
120
90
0
-20
-50
100 300 500 800 900 Q(cal)
T (ºC)
A
B C
D E
F
Solução
18. Um bloco de gelo de massa 200g encontra-se a 0°C.
Calcule a quantidade de calor que se deve fornecer a
esse bloco para que se transforme totalmente em água
a 0°C.
Dados: Lf = 80cal/g; Q = m L; 1Kcal = 1000cal
19. A quantidade de calor necessária para derreter
100g de gelo a 0°C é, em cal:
Dados: Lfgelo = 80cal/g; Q = m L
a) 0,8 b) 8,0 c) 80
d) 800 e) 8000
20. Um corpo de alumínio de massa 6g em estado sólido,
é aquecido até o ponto de fusão. Sabendo que o calor
latente do corpo é de 95 cal/g, determine a quantidade
de calor recebida pelo corpo.
Dado: Q=m.L
21. Na mudança de estado de uma substância, qual
grandeza permanece constante?
a) Temperatura
b) Volume
c) A quantidade de calor
d) Sua densidade
22. Ao se observar a ebulição (fervura) de um litro de
água, é possível concluir que sua temperatura é:
a) certamente menor que 100 ºC
b) de aproximadamente 100 ºC
c) de 0 ºC
d) certamente maior que 100 ºC
23. Um banhista (nadador), ao sair da água num dia de
vento, tem uma acentuada sensação de frio porque:
a) o vento rouba calor do corpo.
b) a evaporação é favorecida pelo vento.
c) a água possui grande calor específico.
d) a temperatura ambiente é menor que a da água.
e) a temperatura ambiente é menor que a do corpo do
banhista.
Exercícios
Exemplo 8
O gráfico a seguir é a curva de aquecimento de 10g de uma substância inicialmente no estado sólido, à pressão de 1 atm. A) Qual a temperatura de fusão da substância? B) Qual a temperatura de vaporização da substância? C) Quantas vezes a substância mudou de estado? D) Quantas calorias foram gastas na vaporização?
∆Q = 800 – 500 ∆Q = 300 cal
E) Determine o calor específico da substância na fase sólida, líquida e gasosa. sólida: A até B líquida: C até D gasosa: E até F F) Determine o calor latente de fusão e vaporização da substância. De B até C
Exemplo
Nas mudanças de estado a temperatura é constante, ou seja,
nos patamares do gráfico. Como o corpo era inicialmente
sólido, então de B até C se dá a fusão, a -20ºC.
De C até D o corpo está em estado líquido, então, de D até E
se dá a vaporização, a 90ºC.
Mudou de estado 2 vezes, de B até C e de D até E.
A vaporização se dá entre D e E, 500 a 800 cal.
30..10100
)5020.(.10100
))50(20.(.10100
..
c
c
c
tcmQ
cgcalc
c
c
º/33,0
3
1
300
100
.300100
110..10200
))20(90.(.10200
..
c
c
tcmQ
cgcalc
c
c
º/18,0
1100
200
.1100200
T = 90 ºC
T = -20 ºC
30..10100
)90120.(.10100
..
c
c
tcmQ
cgcalc
c
c
º/33,0
3
1
300
100
.300100
Solução
Pág 11
Solução
20.80
Exemplo
Calor
24. Um corpo, inicialmente sólido, de massa 80g,
recebe calor e sofre variação de temperatura
conforme indica o gráfico a seguir.
Determine:
a) a temperatura de fusão da substância;
b) o calor latente de fusão do corpo;
c) o calor específico do corpo no estado sólido;
d) o calor específico no estado líquido.
e) quantas vezes o corpo mudou de estado?
25. Qual é a quantidade de calor necessária para
transformar 1/2 litro (500 g) de água a 100 ºC em
vapor de água a 100 ºC?
São dados:
calor latente de vaporização da água: l=540 cal/g
lmQ .
26. O Gelo-seco é o nome popular para o dióxido de
carbono solidificado ao ser resfriado a uma
temperatura inferior a -78 °C. Ao ser aquecido na
pressão atmosférica torna-se imediatamente gás de
dióxido de carbono, sem passar pelo estado líquido.
Esse processo recebe o nome de:
a) Fusão
b) Solidificação
c) Sublimação
d) Liquefação
27. Uma pedra de enxofre, de massa igual a 200g,
encontra-se à temperatura de 119 ºC. Consulte na
tabela o calor latente de fusão do enxofre, calcule e
responda: 2300 cal é suficiente para se derreter
completamente essa pedra de enxofre?
Dado: lmQ .
A
B C
D
100 300 600 Q (Cal )
t (ºC)
0
100
200
300
Exercícios Transmissão de calor Já sabemos que o calor é uma forma de energia
transferida de um corpo para outro devido à diferença
de temperatura entre eles. Essa transferência de
energia (calor) pode ocorrer de três formas distintas:
condução, convecção e irradiação.
Transmissão de calor por condução
Ao aquecermos uma barra metálica colocando uma de
suas extremidades no fogo, veja na figura abaixo, os
átomos ou moléculas dessa extremidade, aquecida pela
chama, adquirem uma maior energia de agitação. Essa
energia é transmitida para os átomos mais próximos, e
as regiões vizinhas também se aquecem. Dessa forma, a
pessoa que segura a barra na outra extremidade terá a
sensação de elevação de temperatura após um intervalo
de tempo. Houve, portanto, uma transmissão de calor ao
longo da barra por condução. O mesmo foi conduzido
pelo material.
Transmissão de calor por convecção
Quando um recipiente contendo água, é aquecido
sobre uma chama, recebe calor no fundo por condução.
Consequentemente, o volume dessa camada de líquido
mais profunda aumenta, diminuindo de densidade (fica
mais leve) e sobe para parte superior do recipiente,
sendo substituída por água mais fria e mais densa (mais
pesada). O processo continua, com uma circulação
contínua de correntes de água mais quente para cima, e
mais fria para baixo, denominados de correntes de
convecção.
Na convecção térmica, a
propagação do calor se dá pelo
movimento de matéria de uma
região para outra. Ela só corre
nos fluidos, ou seja, nos
líquidos e gases.
Pág 12
A condução térmica é a propagação do calor na qual a
energia (térmica) se transmite de partícula para
partícula. É conduzido pelo material.
Pág 12
Nos refrigeradores,
o congelador (parte
mais fria) encontra-
se na parte
superior, facilitando
a formação de
correntes de ar no
sentido descendente
(de cima para
baixo).
Essas correntes se formam quando o ar se contrai
(esfria), ficando mais denso (mais pesado),
ocasionando a descida da corrente de ar para as
partes baixas da geladeira.
Na figura abaixo, temos o aquecimento de uma sala
por uma lareira. O ambiente é aquecido tanto pelo
processo de irradiação quanto por convecção, mas o
aquecimento mais acentuado é pelo processo de
convecção.
Transmissão de calor por irradiação
Vimos que a transferência de calor por condução e
convecção exige a presença de um meio material
condutor para que ela ocorra. A irradiação, ao
contrário, pode se fazer através do espaço vazio.
Pense no calor que o sol continuamente transfere para
a Terra, como não há um meio material entre eles,
esse calor se propaga através de ondas
eletromagnéticas. A esse terceiro processo de
transmissão de calor chamamos de irradiação ou
radiação.
Na irradiação térmica, a
propagação do calor se dá pelo
espaço vazio sem que haja um meio
material condutor O calor se
propaga através de ondas eletro
magnéticas.
A figura seguinte ilustra os três processos de
transmissão do calor em uma fogueira. Na barra
metálica o calor flui por condução, acima da
fogueira haverá o movimento do ar quente, em que
o calor flui por convecção, e lateralmente o calor é
sentido por irradiação, mesmo que esteja a uma
certa distância da fogueira.
Aplicações da transmissão de calor
Garrafa térmica As garrafa térmica possui um funcionamento bastante
interessante. As paredes da garrafa térmica são
duplas e prateadas. As paredes duplas são separadas
por praticamente um vácuo, de tal forma que as trocas
de calor por condução ou convecção, são minimizadas,
pois elas precisam de um meio material para ocorrer.
Já as paredes prateadas minimizam as trocas de calor
por radiação, fazendo com que o liquido dentro da
garrafa não perca nem receba calor.
Pág 13
Estufa de cultivo de plantas
Uma estufa é uma estrutura que tem como objetivo
absorver o calor proveniente do Sol e, mantê-lo
condicionado em seu interior. A estufa de plantas,
além de proteger a planta contra possíveis ameaças
externas, mantém a temperatura interna controlada
de acordo com a entrada de radiação solar. Ela é
construída por materiais transparentes, que permitem
a passagem de praticamente toda a radiação solar.
Esta radiação aquece o solo da estufa e, sabemos que
todo corpo aquecido emite radiação infravermelha. A
radiação infravermelha aquece o ar das camadas
inferiores da estufa, formando correntes de
convecção (massas de ar quente sobe e massas de ar
frio descem) que vão levar o ar quente para as
camadas superiores da estufa, sendo que, este ar é
impedido de se propagar para o ambiente externo. A
radiação infravermelha também é impedida de se
propagar para o ambiente externo pelas paredes da
estufa. Numa estufa onde a fonte de calor é o sol
normalmente utilizada para cultivar (plantas,árvores
etc.),o aquecimento dá-se essencialmente por
irradiação pois, a convecção é suprimida. Não há troca
de ar entre o interior e o exterior, sendo assim a
energia que entra pela radiação solar que aquece o
ambiente interno não é perdida com as correntes
ascendestes que carregariam o calor, normalmente
feita de materiais semitransparentes
Efeito estufa A terra sofre um processo parecido com o da
estufa. Determinados gases na atmosfera terrestre
como o dióxido de carbono ( 2CO ), o óxido nitroso
( ON2 ), o metano ( 4CH ), e os hidrofluorcarbonos
(HFCs), entre outros, absorvem parte da radiação
infravermelha emitida pela superfície terrestre pela
reflexão dos raios solares. Como conseqüência, o
planeta perde pouco calor para o espaço por radiação e
fica mais aquecido, fenômeno denominado efeito
estufa.
O efeito estufa é um fenômeno natural que mantém a
temperatura da Terra estável e em valores que
possibilitam a vida no planeta.
Nos últimos anos, a concentração de dióxido de
carbono na atmosfera tem aumentado cerca de 0,4%
anualmente; esse aumento se deve à utilização de
petróleo, gás e carvão e à destruição das florestas
tropicais. A concentração de outros gases que
contribuem para o efeito estufa, tais como o metano e
os clorofluorcarbonetos, também aumentou
rapidamente. O efeito conjunto de tais substâncias
pode vir a causar um aumento da temperatura global
(aquecimento global) estimado entre 2ºC e 6 ºC nos
próximos 100 anos. Um aquecimento dessa ordem de
grandeza não só irá alterar os climas a nível mundial
como também irá aumentar o nível médio das águas do
mar, pelo menos 30 cm, o que poderá interferir na vida
de milhões de pessoas habitando as áreas costeiras
mais baixas.
(http://educar.sc.usp.br/licenciatura/2003/ee/Efeito_Estufa.html
- acesso em set/2012)
Aquecedor solar
Os componentes principais do sistema de aquecimento
solar são: coletor solar de alto desempenho e
reservatório térmico. No primeiro ocorre a
transmissão do calor por meio de três processos:
condução, convecção e radiação. A energia solar que
incide por radiação (ou irradiação) é absorvida pelas
placas coletoras. Estas transmitem essa energia para a
água (por condução) que circula no interior de suas
tubulações de cobre (através da convecção). Uma
pequena parte da energia é refletida para o ar que
envolve a chapa. A eficiência do coletor é dada pela
proporção dessas três parcelas de energia (absorvida,
transmitida e refletida) em relação à quantidade total
de energia incidente. Nos sistemas convencionais, a água que entra por
baixo, ao absorver calor, sobe pela tubulação, por
convecção, sendo armazenada no reservatório.
Pág 14
Nesse sistema, a circulação faz-se por convecção
natural, em que o fluido térmico aquece tornando-se
menos denso, mais leve, e sobe do coletor para o
depósito, esfria, e desce novamente para o coletor. O
processo é contínuo desde que haja radiação solar
disponível e a temperatura no coletor seja superior à
do reservatório.
O uso de coletores solares tem sido cada vez mais
difundido, tendo em vista a economia de energia que
eles apresentam, seu baixo custo de manutenção e sua
eficiência.
Asa delta e as correntes de convecção Os praticantes de asa delta, procuram as correntes
de ar quente ascendentes (correntes de convecção),
para que possam ficar por mais tempo no ar.
28. Assinale a alternativa correta:
A ( ) A radiação é um processo de transmissão do calor
que só se verifica em meios sólidos
B ( ) A convecção térmica só ocorre nos fluidos, ou
seja, não se verifica no vácuo nem em materiais
no estado sólido
C ( ) A condução térmica só ocorre no vácuo; no
entanto, a convecção térmica se verifica
inclusive em matérias no estado sólido
D ( ) A condução e a convecção térmica só ocorrem no
vácuo
29. “Uma cozinheira está aquecendo um litro de água
em uma panela de alumínio na chama de um bico de gás.
A panela se aquece porque o calor se propaga por
________; o aquecimento da água ocorre por
_________ e a cozinheira, mesmo a certa distância,
sente ‘calor’ porque o calor se propaga por ________.”
As palavras que completam, corretamente e pela
ordem, as lacunas do texto acima são:
a) convecção; irradiação; condução.
b) irradiação; condução; convecção.
c) condução; irradiação; convecção.
d) condução; convecção; irradiação.
e) convecção; condução; irradiação.
30. Considere 3 fenômenos simples: I – circulação de ar em geladeira. II – aquecimento de uma barra de ferro. III – variação da temperatura do corpo humano no banho de sol. Os principais tipos de transferência de calor que ocorrem nos fenômenos acima, na mesma ordem são: a) convecção, condução, irradiação b) convecção, irradiação, condução c) condução, convecção, irradiação d) irradiação, convecção, condução e) condução, irradiação, convecção 31. Uma pessoa próxima a uma fogueira de festa junina é aquecida principalmente por: a) evaporação. b) irradiação.
c) condução. d) convecção. 32. No inverno, as lareiras são usadas para aumentar a temperatura no interior das residências. Esse aquecimento é feito principalmente por: a) radiação. b) condução. c) ebulição.
d) convecção.
e) evaporação.
Exercícios
Pág 15
33. A charge representa, de modo metafórico, uma
grave consequência ambiental do fenômeno chamado
“aquecimento global”. O calor é uma forma de energia
que pode ser transferida de um corpo para outro. Este
processo de transmissão pode acontecer de uma
molécula para outra, de um ponto para outro ou mesmo
do Sol para a Terra, por meio do espaço. A energia
solar fornecida pode ser transformada em energia
térmica, aquecendo-se a água, ou em energia elétrica,
por meio de células fotovoltaicas. Observando-se a
figura, qual(is) das seguintes afirmações um dos
pinguins poderia fazer para seu amigo?
I - Por meio da transpiração, perdemos parte da
energia recebida do Sol.
II - Sentimos muito o efeito do calor em uma praia em
razão da energia do Sol, que é refletida pela areia.
III - O cáctus recebe a energia solar e a transforma
em energia cinética.
É válido o que se afirma em:
a) I, apenas.
b) I e II, apenas.
c) I e III, apenas.
d) II e III, apenas.
e) I, II e III.
34. (UFRN) Matilde é uma estudante de Arquitetura
que vai fazer o seu primeiro projeto: um prédio a ser
construído em Natal (RN). Ela precisa prever a
localização de um aparelho de ar-condicionado para uma
sala e, por ter estudado pouco Termodinâmica, está em
dúvida se deve colocar o aparelho próximo do teto ou
do piso. Ajude Matilde, dando-lhe uma sugestão sobre a
escolha que ela deve fazer nesse caso. (Justifique a
sua sugestão.)
35. O ventilador em funcionamento provoca no
ambiente uma sensação de frescor. Esse fenômeno se
explica pelo fato de que o ventilador:
a) diminui a temperatura do ar.
b) altera o calor específico do ar.
c) afasta o ar quente de perto da pele dos usuários.
d) aumenta a pressão do ar sobre a pele dos usuários.
Exercícios Exercícios
Pág 16
Respostas:
Questão 1) KTeCT KC 298º77
Questão 2) D
Questão 3) A
Questão 4) C
Questão 5) B
Questão 6) B
Questão 7) D
Questão 8) B
Questão 9) D
Questão 10) A
Questão 11) A
Questão 12) A
Questão 13) B
Questão 14) D
Questão 15) B
Questão 16) C
Questão 17) B
Questão 18) Q = 16000 cal ou Q = 16 Kcal
Questão 19) Q = 8000 cal ou Q = 8 Kcal
Questão 20) Q = 570 cal
Questão 21) A
Questão 22) B
Questão 23) B
Questão 24) a) t = 200 ºC
b) l = 2,5 cal/g
c) c = 0,0125 cal/gºC
d) c = 0,0375 cal/gºC
e) uma vez
Questão 25) Q = 270 Kcal
Questão 26) C
Questão 27) Não. Seriam necessário 2600 cal.
Questão 28) B
Questão 29) D
Questão 30) A
Questão 31) B
Questão 32) D
Questão 33) B
Questão 34) Matilde deve colocar o
aparelho de ar-condicionado na parede, próximo ao
teto. O ar frio lançado pelo aparelho na sala deve
descer e o ar quente, que está embaixo, subir.
Questão 35) C
Pág 17
Bibliografia: 01 ÁLVARES, Beatriz Alvarenga; DA LUZ, Antônio Máximo. Curso de Física ;
volume 2. São Paulo: Editora Scipione. 361p. 02 DA SILVA, Cláudio Xavier; FILHO, Benigno Barreto. Coleção Física aula por aula. Ensino Médio ; volume 2 – São Paulo: FTD, 2010. 336p. 03 FILHO, Aurélio Gonçalves; TOSCANO, Carlos.Física e realidade. Volume 2. São Paulo: Editora Scipione, 2011. 56p. 04 SILVA,Paulo Estevão N.; DOS SANTOS, Roberto R. dos Santos. Física Cinemática Escalar - Belo Horizonte: CESEC Maria Vieira Barbosa, 2010. 8p.
USP. Universidade de São Paulo. Licenciatura em Ciências Exatas. Efeito Estufa. Disponível em http://educar.sc.usp.br/licenciatura/2003/ee/Efeito_Estufa.html Acesso em set/2012. METÁLICA. Aquecedor solar: utilização e vantagens. Disponível em:
http://metalica.com.br/aquecedores-solar-utilizacao-e-vantagens Acesso em set/2012.
BRASIL ESCILA. Termologia. Disponível em: http://www.brasilescola.com/fisica/termologia.htm . Acesso em ago/2012.
SÓ FÍSICA. Manual de Apoio. Termologia. Disponível em:
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termometria/temperatura.php. Acesso em ago/2012.
MUNDO EDUCAÇÃO. Física. Termologia. Disponível em http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/termologia.htm
Acesso em ago/2012.
INFO ESCOLA. Navegando e aprendendo. Termologia. Disponível em: http://www.infoescola.com/fisica/termologia/.
Acesso em ago/2012.