energia, fenómenos térmicos e radiação subdomínio 3

Energia, fenómenos térmicos e radiação

Subdomínio3

3.3 Calor como medida da energia transferida entre sistemas

a diferentes temperaturas

O que sente quando segura gelo nas mãos?

Ao segurar gelo nas mãos sente-se frio.

Porquê?


As nossas mãos têm uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC.

O gelo está a uma temperatura inferior a 0 oC.

Mãos a uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC

Gelo a uma temperaturainferior a 0 oC


A temperatura das mãos é superior à do gelo.

Nestas condições, os corpos não estão em equilíbrio térmico.




Quando colocados em contacto, os sistemas com temperatura superior tendem a transferir energia

para os sistemas com temperatura inferior.



Ener

gia

Ener

gia

Temperatura superiorFonte de energiaMãos

Temperatura inferior Recetor de energiaGelo



À medida que a energia é transferida…

… a temperatura do gelo…

… a temperatura das mãos…

aumenta;

diminui.

Ener

gia

Ener

gia





A transferência de energia continua até se atingir o equilíbrio térmico.


Ener

gia

Ener

gia

No equilíbrio térmico, os dois sistemas possuem igual temperatura.





À transferência de energia que ocorre espontaneamente entresistemas a diferentes temperaturas dá-se o nome de calor.


Ener

gia

Ener

gia

Calo

r

Calo

r




A transferência de energia sob a forma de calor pode ocorrer por:

condução;

convecção;

radiação.

Quando dois sistemas com diferentes temperaturassão postos em contacto:

Temperatura superiorSistema A

Temperatura inferiorSistema B

O sistema que se encontra a uma temperatura superiorconduz energia para o sistema que se encontra

a temperatura inferior.

Calor

A transferência de energia sob a forma de calor ocorreaté se atingir o equilíbrio térmico.

Como os sistemas estão em contacto, ocorreu transferência de energia sob a forma de calor por condução.

Sistema A Sistema BEquilíbrio térmico

Temperatura igual

Água no interiorde uma panela

Água fria

Quando transferimos energia para um sistemano estado líquido ou gasoso geram-se correntes de convecção.

Ao aquecer a água de uma panela:

Água quente

a água que se encontra no fundo aquece primeiro, torna-se menos densa e sobe;

ao chegar ao topo, empurra a água fria para baixo;

no fundo da panela, a água fria aquece e volta a subir.

Água no interiorde uma panela

Quando transferimos energia para um sistemano estado líquido ou gasoso geram-se correntes de convecção.

As correntes de convecção são geradas pela subida de uma massade água quente e pela descida de uma massa de água fria.

Água quente

Água fria

A transferência de energia sob a forma de calor entre as massas de água quente e fria ocorre por convecção.

Correntes de convecção

A Terra é aquecida pelo Sol.

Apesar de não existir contacto físico direto entre a Terra e o Sol, a radiação emitida pelo Sol faz subir a temperatura à superfície da

Terra.

O Sol transfere energia sob a forma de calor por radiação.

Radiação solar

É possível quantificar o calor transferido entre dois sistemas?

Que fatores devemos ter em conta para quantificaro calor transferido entre dois sistemas?

Os sistemas A e B têm a mesma massae estão à mesma temperatura (15 oC).

Se pretender que A e B atinjam, respetivamente, 25 oC e 50 oC,em qual dos casos devo transferir mais energia

sob a forma de calor?

temperatura final 25 oC temperatura final 50 oC

ΔT = Tfinal – Tinicial

ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 10 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC

Sistema Atemperatura inicial 15 oC

100 g de água

Sistema Btemperatura inicial 15 oC

100 g de água

A variação de temperatura em A será de apenas 10 oC, enquanto em B será de 35 oC.


Devo transferir mais energia para o sistema B, uma vez que a variação de temperatura em B será maior do que em A.


temperatura final 25 oC




ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 10 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC

100 g de água 100 g de água

Se pretender que A e B atinjam, respetivamente, 25 oC e 50 oC,em qual dos casos devo transferir mais energia








ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 10 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC

Quanto maior é a variação de temperatura sofrida pelo sistema,maior é a quantidade de energia sob a forma de calor transferida para o sistema.

100 g de água 100 g de água

Os sistemas A e B têm massa diferentee estão à mesma temperatura (15 oC).

Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia


A variação de temperatura em A e B será a mesma (35 oC).



ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


100 g de água


200 g de água



sob a forma de calor?A massa da substância a aquecer é maior em B, logo será

necessário transferir mais energia para o sistema B.



ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


100 g de água


200 g de água




ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


100 g de água


200 g de água

Quanto maior é a massa da substância «aquecida»,maior é a quantidade de energia sob a forma de calor transferida para o sistema.



sob a forma de calor?A massa dos dois sistemas é a mesma (1 kg).


temperatura inicial 15 oC

Sistema A

1 kg demadeira


Sistema B

1 kg dealumínio




A variação de temperatura em A e B será a mesma (35 oC).



ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


Sistema A

1 kg demadeira


Sistema B

1 kg dealumínio



sob a forma de calor?As substâncias que constituem os dois sistemas são diferentes, e a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de cada sistema também será

diferente.



ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


Sistema A

1 kg demadeira


Sistema B

1 kg dealumínio




Diz-se que as substâncias têm diferente capacidade térmica mássica. Para a mesma massa e perante a mesma transferência de energia, a variação de temperatura é diferente.



ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


Sistema A

1 kg demadeira


Sistema B

1 kg dealumínio



sob a forma de calor?Neste caso, será necessário fornecer mais energia à madeira do que ao alumínio para que a temperatura final de ambos os sistemas seja 50 oC.



ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


Sistema A

1 kg demadeira


Sistema B

1 kg dealumínio




ΔT = 25 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


ΔT = 50 – 15 ⬄ΔT = 35 oC


Sistema A

1 kg demadeira


Sistema B

1 kg dealumínio

A energia transferida sob a forma de calor necessária para provocar uma determinada variação de temperatura num sistema depende do tipo de substâncias que o constituem

da capacidade térmica mássica das substâncias.

Para quantificar a energia transferida sob a forma de calorentre sistemas, é necessário conhecer três fatores:

a variação de temperatura sofrida pelo sistema;

a massa da substância que constitui o sistema;

a substância que constitui o sistema.

E = m c ΔT

E energia transferida sob a forma de calor (J)m massa (kg)c capacidade térmica mássica (J/kg K)ΔT variação de temperatura (K)

O contributo de Benjamin Thomson para o estudo do calor

O significado de calor e a sua medição criaram grandes dificuldades aos cientistas dos séculos XVII e XVIII.

Pensava-se, erradamente, que o calor era uma espécie de fluido que atravessava de um corpo para outro.

Benjamin Thomson, no século XVIII, deu um contributoimportante para o estudo do calor.

Benjamin Thomson(1753-1814)

Físico e inventor anglo-americano que deu umcontributo importante para o estudo do calor.

Benjamin Thomson observou que, durante o processo de fabrico de canhões, as peças aqueciam quando eram polidas ou perfuradas.

Considerou, então, que o calor (Q) teria origemno trabalho (W) das máquinas.

Apesar de desconhecer que o calor era uma forma de energia, estabeleceu uma unidade para quantificar o calor a caloria.

1 caloria corresponde ao calor necessário para elevar em 1 °C a temperatura de 1 g de água entre 14,5 °C e 15,5 °C.

O contributo de James Joule para o estudo do calor

James Joule foi o primeiro a verificar experimentalmente a equivalência entre trabalho (W) e calor (Q).

James Prescott Joule(1818-1889)

Físico britânico que estabeleceu a relação entre trabalho e calor.

James Joule executou a seguinte experiência:

1 kg de água

Colocou 1 kg de água no interior de um recipiente;

Pás que podem rodar livremente

Introduziu no recipiente pás que podem rodar livremente em torno de uma haste;

Massa(1,8144 kg)

Massa(1,8144 kg)

Roldana

Roldana

Ligou a haste a duas massas por intermédio de roldanas;

Introduziu um termómetro de grande precisão no recipiente com água;

Termómetro


Elevou as duas massas a uma altura de 11 metros, sem permitir a rotação das pás;

Permitiu a descida das massas até ao solo sujeitas à gravidade e por intermédio da roldana;

Massa(1,8144 kg)

Massa(1,8144 kg)

Roldana

Roldana

Durante a descida das massas, as pás rodaram em torno da haste;

A rotação das pás provocou um aumento de temperatura da água.

Termómetro

1 kg de águaPás que podem

rodar livremente


Massa(1,8144 kg)

Massa(1,8144 kg)

Roldana

Roldana Termómetro

1 kg de água


A energia transferida para a água durante a queda provém da variação da energia mecânica (ΔEm) do sistema:

ΔEm = Etransferida ⬄ ΔEpg + ΔEc = Etransferida

Como a variação de energia cinética é nula (ΔEc = 0):

ΔEpg = Etransferida (⬄ M1 + M2) g Δh = Etransferida


Massa(1,8144 kg)

Massa(1,8144 kg)

Roldana

Roldana Termómetro

1 kg de águaPás que podem

rodar livremente

Como a energia é transferida para a água sob a forma de calor, tem-se:

(M1 + M2) g Δh = m c ΔT

calor (Q)trabalho (W) da Fgravítica

W ≡ Q


Massa(1,8144 kg)

Massa(1,8144 kg)

Roldana

Roldana Termómetro

1 kg de água


Joule concluiu que, sempre que a temperatura de 1 g de água variava 1 °C, por absorção da energia de 1 cal sob a forma de calor, as massas realizavam o trabalho de 4,18 J.

1 cal = 4,18 J

Conclusão

À energia transferida entre dois sistemas a diferentes temperaturas dá-se o nome de calor.

As transferências de energia sob a forma de calor podem ocorrer por condução, convecção ou radiação.

A quantidade de energia transferida sob a forma de calor depende da massa da substância, do tipo de substância

e da variação de temperatura sofrida pelo sistema.

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