movimento uniformemente variado - fisicaquimicaweb.com · agitação molecular de um corpo. no si...
TRANSCRIPT
27-11-2010
1
Sistemas termodinâmicos
Prof. Luís C. Perna
Transferências de energia sob a forma de calor
Entre sistemas a temperaturas diferentes a energia
transfere-se do sistema com temperatura mais elevada
para o sistema a temperatura mais baixa.
A transferência de energia pode ser feita por radiação,
condução e convecção.
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
27-11-2010
2
A radiação é um dos modos de
transferência de energia sob a
forma de calor.
Neste mecanismo a energia
encontra-se sob a forma de
ondas electromagnéticas e não
necessita de um meio material
(suporte) para se propagar.
A energia solar é transferida do Sol até ao nosso planeta por radiação.
RADIAÇÃO
A transferência de calor por condução verifica-se,
principalmente nos sólidos.
Neste mecanismo não há transporte de matéria, mas
apenas interacção entre partículas.
Esta interacção dá-se por colisões, partícula a
partícula, em que as de maior energia cinética cedem
parte dessa energia às partículas de menor energia.
Esta transmissão é comunicada às partículas vizinhas
e propaga-se ao longo de todo o sólido ou entre
sólidos que estejam em contacto directo.
CONDUÇÃO
27-11-2010
3
CONDUÇÃO
A convecção é um processo pelo qual o calor é transferido
de um local para outro de um fluido. Pode ocorrer como
resultado de diferenças de temperatura que originam um
movimento de partículas no seio dos fluidos (líquidos e gases)
ou por aplicação de uma força motriz externa.
CONVECÇÃO
O aquecimento dos fluidos provoca um aumento da
energia cinética das suas partículas, o que origina uma
expansão do fluido e uma consequente diminuição da
densidade.
Assim, o fluido menos denso (quente) irá subir,
obrigando o fluido mais denso (frio) a descer, dando
origem a correntes de convecção.
27-11-2010
4
CONVECÇÃO
O sistema em estudo é a água a ser aquecida:
- Fonte de energia – álcool em combustão
- Receptor de energia – água
As fontes de energia fornecem energia aos receptores de energia.
FONTE, RECEPTOR E TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA
27-11-2010
5
Sempre que a energia passa de um sistema para outro diz-se que ocorre uma transferência de energia:
Fonte Receptor
Aqui a energia passou do álcool em combustão para a água.
FONTE, RECEPTOR E TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA
- Fonte de energia –
- Receptor de energia –
pilha
lâmpada
FONTE, RECEPTOR E TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA
27-11-2010
6
Num diagrama de energia devemos representar a:
Energia útil que é a energia que durante a transferência é realmente utilizada.
Energia dissipada que é a energia que durante a transferência é “perdida”.
Energia fornecida
Energia dissipada
Energia útil
Sistema
SERÁ QUE ALGUMA ENERGIA SE PERDE AO SER TRANSFERIDA
DE UM SISTEMA PARA OUTRO?
BALANÇO ENERGÉTICO NUMA LÂMPADA INCANDESCENTE
Apenas 5% da energia é transformada em energia luminosa a maior parte é dissipada por,
Efeito de Joule, no filamento que pode atingir temperaturas superiores a 2000ºC.
27-11-2010
7
BALANÇO ENERGÉTICO NUMA LÂMPADA FLUORESCENTE
Numa lâmpada fluorescente compacta, que tenha um rendimento de 20%, por cada1000 J de energia eléctrica que entra na lâmpada, 200 J saem na forma de energialuminosa e 800 J são dissipados para o ambiente na forma de calor.
BALANÇO ENERGÉTICO NUMA CENTRAL TÉRMICA
27-11-2010
8
Podemos concluir que numa transferência de energia:
Esta expressão traduz a Lei da Conservação da Energia:
“a quantidade de energia que temos no final de um processo é sempre igual à quantidade de energia que temos no início desse mesmo processo”.
Ou seja, a energia não se cria nem se destrói; apenas se transfere. A energia total do Universo é sempre constante.
LEI DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
LEI DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
27-11-2010
9
Completa o diagrama de energia para uma lâmpada de incandescência em funcionamento:
Se fornecermos ao sistema 50 J de energia e se a lâmpada tiver uma perda
de 47,5 J, qual será o valor da energia útil?
Energia dissipada sob a forma de calor
Energia radiante
Energia eléctrica
EXERCÍCIO 1
EXERCÍCIO 2
27-11-2010
10
1 calTemperatura
aumenta 1°C
1 cal = 4,186 J
A CALORIA
A caloria não é uma unidade SI de energia.
Define-se como sendo a energia necessária para elevar a temperatura de 1 g de água de 14,5 ºC para 15,5 ºC
De 14,5 ºC para 15,5 ºC
Temperatura
Grandeza física escalar que mede o grau de
agitação molecular de um corpo.
No SI é medida em graus Kelvin, K.
Calor
Forma de transferência de energia entre os
corpos de maior para os de menor
temperatura.
No SI é medido em Joule, J.
TEMPERATURA E CALOR
Temperatura e calor são duas grandezas iguais ou diferentes?
CT E
27-11-2010
11
Existem materiais que recebem ou
cedem energia, como calor, mais
rapidamente do que outros. Vejamos o
exemplo de um tacho cujas asas não são
metálicas...
Assim, os materiais podem distinguir-se
em:
– bons condutores
– e maus condutores ou isoladores
de calor.
MATERIAIS CONDUTORES E ISOLADORES DO CALOR
Os condutores recebem e cedem energia com
maior rapidez e os maus condutores ou
isoladores fazem-no de um modo mais lento.
Os metais e ligas metálicas são os melhores
condutores de calor e os sólidos não
metálicos (por exemplo, a madeira e o
plástico), os líquidos e os gases são maus
condutores de calor.
MATERIAIS CONDUTORES E ISOLADORES DO CALOR
27-11-2010
12
Para quantificar a capacidade que
os materiais têm de conduzir
energia sob a forma de calor
surgiu uma grandeza física – a
condutividade térmica ou
condutibilidade térmica, K.
A condutividade térmica traduz a
rapidez com que um determinado
material conduz o calor, por
unidade de tempo.
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE UM METAL
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO COBRE
27-11-2010
13
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE OUTROS MATERIAIS
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE CONDUTORES E ISOLADORES
27-11-2010
14
Nos países quentes é importante
reduzir o fluxo de calor do exterior
para o interior da habitação, enquanto
nos países frios é necessário evitar as
perdas de calor do interior para o
exterior.
É aqui que, mais uma vez, os
conhecimentos científicos da Física
podem ser usados em nosso benefício
e na melhoria das nossas condições de
vida e conforto.
OS MATERIAIS E A CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Com o recurso aos valores da condutividade
térmica de diversos materiais, é possível
escolher os que melhor isolam as habitações.
Esses materiais são os que possuem uma
condutividade térmica baixa, de modo a
minimizar as perdas de energia numa habitação.
Assim, por exemplo, deve usar-se madeira e
cortiça para o revestimento interior das paredes
e lã de vidro para o revestimento do telhado.
A presença de paredes duplas, vidros duplos e
janelas calafetadas é, também, uma boa forma
de isolamento das habitações.
OS MATERIAIS E A CONDUTIVIDADE TÉRMICA
27-11-2010
15
A temperatura do tapete da figura
é maior ou menor do que a
temperatura do azulejo onde se
encontra o tapete?
Justifique a resposta.
Resposta:
É igual.
O material de que é feito o tapete tem uma condutividade térmica menor do que o material que é feito o azulejo. Passa energia dos pés mais rapidamente para o azulejo do que para o tapete dando a sensação de mais frio.
PROBLEMA
Q = m c q
A quantidade de energia térmica , Q, recebida ou cedida por um
corpo para exclusivamente variar sua temperatura, q, é dada por.
= Capacidade térmica mássica
A capacidade térmica mássica duma substância, traduz o facto
de substâncias diferentes terem diferentes capacidades para
receber ou ceder energia na forma de calor.
Unidade(S.I) J/kg K
(prática) cal/g°C
QUANTIDADE DE ENERGIA TRANSFERIDA COMO CALOR
c
27-11-2010
16
C = m c
Capacidade térmica de um corpo – é a quantidade de energia que é
necessário fornecer ao corpo como calor para que a sua temperatura se
eleve de 1 K.
C – Capacidade térmica
m – massa do corpo
c – capacidade térmica mássica
Unidade(S.I) J/K
(prática) cal/°C
CAPACIDADE TÉRMICA
Q = C q
Q = m c q
A diferença é que a capacidade térmica mássica, c , refere-se sempre
a uma substância; a capacidade térmica, C , refere-se a um corpo.
DIFERENÇA ENTRE CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA, C , ECAPACIDADE TÉRMICA, C
Q = C q
Quanto maior for a capacidade térmica de um corpo menor é a sua variação
de temperatura para a mesma energia transferida.
27-11-2010
17
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA DE ALGUNS MATERIAIS
A capacidade térmica mássica do ferro é de 443 J.kg-1.K-1.
a) O que significa dizer que a capacidade térmica mássica do ferro é de
443 J.kg-1.K-1.
b) Determine a quantidade de energia sob a forma de calor que é
necessária transferir para 0,5 kg de ferro para que este eleve a sua
temperatura 10,0 °C.
Resposta:
a) É necessário fornecer 443 J de energia à massa de 1 kg de ferro para que a sua temperatura
de eleve de 1º K.
b) A diferença de temperatura em graus Celsius é igual à diferença em kelvin.
Sendo c = Q/m.q <=> Q = c.m.q <=> Q = 443 x 0,5 x 10 <=> Q = 2215 J.
É necessário fornecer 2215 J de energia para que 0,5 kg de ferro aumente a sua temperatura
10,0 °C.
EXERCÍCIO 3
27-11-2010
18
Na figura está representado o aquecimento de 100 g
água contida num gobelé, à temperatura inicial de 20 °C.
A referida água foi aquecida com uma resistência
eléctrica de imersão, tal como se pode ver na figura ao
lado. Cágua = 4186 J.kg-1.K-1
a) Qual a energia que foi recebida pela água? Apresente o
resultado nas unidades SI.
b) Como procederia para tornar este processo de
aquecimento mais eficiente?
Resposta: a) Q = 6,3 x 103 J
b) Podíamos isolar o gobelé do meio exterior com, por exemplo, esferovite.
EXERCÍCIO 4
Um corpo recebe, por minuto, 4,18 x 103 J de
energia como calor. A temperatura do corpo
varia no decorrer do tempo de acordo com o
gráfico.
a) Calcule a capacidade térmica do corpo.
b) Calcule a capacidade térmica mássica da
substância que constitui o corpo, sabendo que
tem de massa 500 g.
c) Consulte a tabela (PowerPoint) e diga que
substância poderia ser?
Resposta: a) C = 1,045 x 103 J/K
EXERCÍCIO 5
b) c = 2090 J kg-1 K-1. c) Parafina
27-11-2010
19
Dois corpos de massas diferentes, à mesma temperatura, recebem a
mesma quantidade de energia como calor. Admitindo que a temperatura
final de ambos os corpos é a mesma, indique qual das afirmações está
correcta:
A. Os dois corpos têm capacidades mássicas iguais.
B. Os corpos têm capacidades térmicas diferentes.
C. As massas dos corpos estão entre si na razão inversa das respectivas
capacidades térmicas mássicas.
D. As afirmações são todas falsas.
Resposta: a) C
EXERCÍCIO 6
Pela Lei da Conservação da Energia, que já foi estudada, a energia não
pode ser criada nem destruída mas apenas transformada de umas formas
para outras.
Num sistema isolado a energia transfere-se e transforma-se, havendo
sempre a sua conservação.
As transferências de energia entre sistemas sob a forma de calor (Q ),
trabalho (W ) e radiação (R ) podem corresponder a variações da energia
interna (Ei ou U ) desses sistemas.
1ª Lei da Termodinâmica
1.ª LEI DA TERMODINÂMICA
27-11-2010
20
A energia interna de um sistema pode
aumentar ou diminuir, dependendo das
transferências de energia que ocorrem.
Assim, convencionou-se que:
– a energia recebida pelo sistema sob a forma
de trabalho, calor e/ou radiação considera-se
positiva;
– a energia cedida pelo sistema à sua
vizinhança sob a forma de trabalho, calor e/ou
radiação considera-se negativa.
CONVENÇÃO DE SINAIS EM TERMODINÂMICA
CONVENÇÃO DE SINAIS EM TERMODINÂMICA
27-11-2010
21
CONVENÇÃO DE SINAIS EM TERMODINÂMICA
Na expressão matemática que traduz a 1ª Lei da Termodinâmica está
implícita uma convenção de sinais:
CONVENÇÃO DE SINAIS EM TERMODINÂMICA
27-11-2010
22
1.ª LEI DA TERMODINÂMICA
Num sistema isolado, se:
não houver realização de trabalho (W = 0);
não existir fluxo de calor (Q = 0);
não existir emissão e/ou absorção de radiação (R = 0),
a variação da energia interna do sistema, ΔEi é igual a:
ΔEi = W + Q + R = 0 + 0 + 0 = 0
ΔEi = 0
A energia interna de um sistema isolado permanece constante.
1.ª LEI DA TERMODINÂMICA - RADIAÇÃO
Suponha que a tampa do cilindro está fixa e que o
recipiente é feito de um material isolador térmico. A
parede lateral é transparente e faz-se incidir luz,
proveniente de uma fonte laser.
Toda a luz é absorvida pelas moléculas do gás que
ficam com maior energia cinética, o que se traduz
por um aumento da energia interna do sistema (fácil
de verificar pelo aumento da temperatura).
Não houve realização de trabalho nem ocorreram
fluxos de calor, pelo que o aumento da energia
interna se ficou a dever totalmente à radiação
absorvida.
Q = 0 JW = 0 J
Então:Ei = R
27-11-2010
23
1.ª LEI DA TERMODINÂMICA - TRABALHO
Suponha agora que um gás contido no recipiente
cilíndrico está isolado termicamente e que o
êmbolo se pode deslocar para cima e para baixo.
O que acontecerá quando pressionamos o êmbolo?
O volume que o gás ocupa diminui. Por acção da
força exercida sobre a tampa é transferida energia
para o sistema através de trabalho, W.
* Se o volume do sistema diminuir, a energia interna do
sistema aumentará.
* Se o volume do sistema aumentar, a energia interna do
sistema diminuirá.
Q = 0 JR = 0 J
Então:Ei = W
1.ª LEI DA TERMODINÂMICA - CALOR
Outra forma de variar a energia interna é permitir
um fluxo de calor da vizinhança para o sistema e
vice-versa. Coloque-se o gás contido no recipiente
cilíndrico em contacto com uma fonte térmica, a uma
temperatura maior .
A base do recipiente é condutora térmica, então o
calor flui facilmente por ela. A tampa do recipiente
está fixa e, portanto, a variação de energia interna
do gás é exclusivamente devida ao calor.
Se a «fonte» estivesse mais fria do que o sistema, o
calor fluiria deste para a fonte e a energia interna do
sistema diminuiria.
W = 0 JR = 0 J
Então:Ei = Q
27-11-2010
24
EXERCÍCIO 7
EXERCÍCIO 8
Fornece-se a um sistema a quantidade de calor de 200 J. O sistema realiza
o trabalho de 150 J.
Determina a variação da energia interna do sistema.
Resposta:
Dados:
Por convenção:
- A quantidade de calor que se fornece ao sistema é positiva: Q = 200 J.
- O trabalho realizado pelo sistema é negativo: W = - 150 J.
Substituindo na expressão matemática da 1ª Lei da Termodinâmica, vem:
Ei = Q + W = 200 – 150 = 50 J
Ou seja, a energia interna do sistema aumenta, o que se traduz num aumento da sua temperatura.
27-11-2010
25
Dois corpos estão a temperaturas diferentes. Já
vimos antes - e toda a gente sabe - que, quando
eles são postos em contacto um com o outro, o mais
quente arrefece e o mais frio aquece. O primeiro
cede energia (na forma de calor) e o segundo
recebe energia.
E se fosse ao contrário, isto é, se fosse o corpo mais
frio a ceder ao mais quente uma certa energia?
Nesse caso, o corpo mais frio arrefeceria ainda mais
e o corpo mais quente aqueceria ainda mais. Este
processo não contraria a Primeira Lei, mas, apesar
disso, não ocorre espontaneamente. Nunca ninguém
viu um fenómeno desses!
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
2ª Lei da Termodinâmica
Enunciado de Clausius
Enunciado de Kelvin – Planck
Outra maneira de enunciar a 2ª Lei da termodinâmica
“Num sistema fechado, um aumento da entropia é acompanhado por uma diminuição na energia utilizável”A entropia é uma medida da desordem de um determinado sistema.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
27-11-2010
26
Para explicar a 2ª Lei da Termodinâmica, surgiu o
conceito de entropia, S.
“Num sistema fechado, um aumento da entropia é
acompanhado por uma diminuição na energia
utilizável”
Ou seja, a entropia pode ser interpretada como uma
medida da desordem dos sistemas. Uma entropia
elevada implica maior desordem. Em qualquer variação
real, um sistema fechado tende para uma entropia
mais elevada e, por isso, para uma maior desordem.
Assim, pode concluir-se que a entropia do Universo
está a aumentar e a sua energia utilizável a diminuir.
(1822 –1888), Alemão
ENTROPIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
27-11-2010
27
As máquinas térmicas são máquinas que
convertem calor, Q, em trabalho, W.
A máquina térmica recebe de uma fonte
quente (exemplo: gasolina em combustão) a
energia Qq na forma de calor, e converte-a
parcialmente em trabalho, W (no movimento
de um êmbolo, na rotação de um eixo, etc),
cedendo o restante calor, Qf, a uma fonte fria
(exemplos: atmosfera, água dos rios, etc).
MÁQUINA TÉRMICA
Um dos principais objectivos
de quem constrói uma
máquina térmica, é que esta
tenha o maior rendimento
possível.
O rendimento, η, define-se
como a razão entre o trabalho
que a máquina fornece, W, e a
energia sob a forma de calor
que sai da fonte quente, Qq, e
sem o qual ela não poderia
funcionar.
RENDIMENTO DUMA MÁQUINA TÉRMICA
Tf e Tq em Kelvin
27-11-2010
28
Segundo o postulado de Clausius, é
impossível transferir energia sob a forma de
calor espontaneamente, de uma fonte fria
para uma fonte quente. Para que tal
aconteça, é necessário fornecer trabalho ao
sistema, e, nesse caso, temos uma
máquina frigorífica.
As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou
uma arca congeladora, recebem trabalho
(através da energia eléctrica proveniente da rede
eléctrica), e usam-no de modo a retirarem energia
sob a forma de calor do seu interior, transferindo-
a por condução para o exterior.
MÁQUINA FRIGORIFICA
O interior de um frigorífico encontra-se a uma
temperatura baixa, próxima de 0 ºC, enquanto
que a parte de trás está normalmente a uma
temperatura superior à do meio ambiente
onde se encontra.
A energia sob a forma de calor que é
transferida para a fonte quente é igual à soma
da energia sob a forma de calor retirada à
fonte fria, com o trabalho necessário para que
ocorra esse fluxo de energia:
|Qq| = W + Qf
MÁQUINA FRIGORIFICA
27-11-2010
29
A eficiência de uma máquina frigorífica é tanto maior, quanto maior for a
quantidade de energia sob a forma de calor que retirar da fonte fria, ou seja,
do interior do frigorífico, para a mesma quantidade de trabalho fornecido pelo
motor do frigorífico.
A eficiência de uma máquina frigorífica, é o quociente entre a energia
sob a forma de calor que sai da fonte fria, Qf, e o trabalho necessário para
realizar essa transferência de energia:
Ao contrário do rendimento de uma máquina térmica, a eficiência pode ser
maior que 1. A eficiência típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6.
EFICIÊNCIA DUMA MÁQUINA FRIGORIFICA
EXERCÍCIO 9
Uma central térmica que opera entre as temperaturas 30 °C e 530 °C
consome 1x106 kg de combustível por hora.
Considere que 1 kg de combustível fornece a energia de 5,0 x 107 J.
a) Calcule o rendimento máximo da central térmica.
b) Determine o módulo do trabalho realizado pela central, em cada hora,
sabendo que ela transfere para a atmosfera, durante esse intervalo de
tempo, uma quantidade de energia como calor igual 2 x 1013 J.
Resposta:
a) h = 62,3%
b) |W |= 3 x 1013 J
27-11-2010
30
EXERCÍCIO 10
Para manter o interior de um frigorífico a uma temperatura constante de
7 °C é necessário fornecer-lhe a energia de 100 J em cada segundo. Admita
que a transformação é reversível e que a eficiência é 9,0.
1.1, Determine:
a) a temperatura do ar exterior;
b) a quantidade de energia como calor retirada do interior do frigorífico em
10 minutos.
Resposta:
a) Tq = 311,1 K
b) Qf = 5,4 x 105 J