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AGRUPAMENTO DE ESCOLAS N 2 DE ABRANTES

Docente: Sandra Freitas Disciplina: Tecnologia e Processos

MDULO 11 Termodinmica I

1. Sistemas Termodinmicos

Desde o incio da civilizao que se tm vindo a desenvolver processos tendentes a melhorar o conforto do homem. Naturalmente, nos tempos primitivos, os nicos meios de aquecimento eram os que a prpria natureza proporcionava, como por exemplo, o Sol, as fogueiras e o vesturio base de peles de animais, com especial relevo para a l. Com o passar dos tempos, o homem foi evoluindo e sentiu que tinha de fazer algo para tornar as pocas frias mais confortveis. Esta evoluo traduziu-se no aparecimento dos aquecedores, de diversos tipos, das tcnicas do aquecimento central, at aos aparelhos de ar condicionado, muito utilizados actualmente. 1.1. O que um Sistema Termodinmico

A Termodinmica uma rea do conhecimento da Fsica que se iniciou por simples questes de engenharia. O seu nascimento remonta ao sculo XVIII, quando James Watt fabricou a primeira mquina a vapor. A partir desta altura muitos foram os desenvolvimentos que surgiram nesta rea: primeiro com a procura, por parte das empresas, de mquinas com mais rendimento e mais eficientes; depois com a aplicao astrofsica sob muitas formas. Nos dias de hoje, a termodinmica de muitos materiais estudada exaustivamente utilizando sempre, para isso, o auxlio da Fsica Estatstica.

Pode-se considerar que a Termodinmica a rea do conhecimento da Fsica que trata das trocas de energia entre um determinado corpo com o meio sua volta. Para definir estas trocas ou transferncias de energia, o estudo termodinmico necessita de definir um sistema. Assim, um sistema define-se como um corpo ou conjunto de corpos, com caractersticas prprias, que vai ser objecto de estudo. O meio sua volta define-se como a vizinhana e, o sistema est separado desta pela fronteira. A soma do sistema com a vizinhana constitui o universo.

Sistema + Vizinhana = Universo

Os sistemas so classificados de acordo com as suas interaces com a vizinhana. Podem ser: Abertos: se houver trocas de matria e de energia (ex: um copo com gua) Fechados: se houver trocas de energia mas no de matria (ex: uma garrafa fechada) Isolados: se no houver trocas de matria nem de energia (ex: uma garrafa termos)

O Universo o exemplo mximo de um sistema isolado. No existem trocas de energia nem de matria entre o Universo e a sua vizinhana.

As fronteiras tambm so classificadas de acordo com a sua permeabilidade a trocas de energia. Assim, as fronteiras podem ser: Permeveis: so as fronteiras que existem num sistema aberto; Rgidas: so as fronteiras que existem num sistema fechado; Adiabticas: so as fronteiras existentes num sistema isolado. 1.2. MUDANAS DE FASE OU DE ESTADO 1.2.1. Fuso

Num corpo slido os tomos ocupam certos lugares das malhas duma rede cristalina. Estes tomos esto ligados entre si por foras muito intensas, e vibram com amplitudes fracas, cujos valores dependem da temperatura a que o slido se encontra.

Quando se eleva a temperatura do corpo, a amplitude daquelas vibraes aumenta, as partculas distanciam-se cada vez mais entre si e as foras de ligao enfraquecem, com simultneo aumento do volume do corpo.

Ao atingir-se determinado valor da temperatura a rede cristalina comea a ser destruda. Os tomos, no grau de agitao em que se encontram, embora ainda ligados por foras intensas, adquirem liberdade suficiente para se disporem em posies de relativa independncia que permitem ao corpo tomar formas diferentes. Diz-se ento que o slido comeou a fundir. A respectiva substncia passa da fase slida fase lquida. Deu-se a fuso do slido.

Durante a fuso a temperatura do corpo no se eleva mesmo que se continue a fornecer-lhe energia. Isto significa que a energia cintica mdia dos tomos constituintes do corpo atingiu um valor constante e que aquela energia que se continua a fornecer-lhe est a ser utilizada no aumento da energia potencial daquelas mesmas unidades, o que tem como consequncia a destruio da rede cristalina.

Enquanto ainda existir alguma poro de slido, a temperatura mantm-se estabilizada e s depois de toda a substncia ter mudado de fase que a temperatura do lquido resultante se elevar, se continuarmos a fornecer-lhe energia.

Mostra a experincia que existe, para cada substncia, na sua fase slida, uma temperatura determinada, chamada ponto de fuso, qual se d a mudana de fase, de slido para lquido. Diremos ento que:



- ponto de fuso de uma substncia a temperatura qual essa substncia pode coexistir nas suas fases slida e lquida, em contacto mtuo e em equilbrio trmico.

Tambm poderemos dizer que a temperatura qual a substncia passa da sua fase slida fase lquida. O valor do ponto de fuso depende do valor da presso exterior a que o corpo est sujeito, como evidente, pois as

foras de presso opem-se s foras que tendem a afastar, umas das outras, os tomos constituintes do corpo. 1.2.1.1. Leis da Fuso as leis que traduzem as condies em que a fuso decorre so duas, j implicitamente enunciadas: 1. para cada valor da presso exterior, cada substncia entra em fuso a determinada temperatura. 2. durante a fuso a temperatura mantm-se constante, desde que no haja variao da presso exterior. 1.2.2. Solidificao

O fenmeno inverso da fuso designa-se por solidificao, que a passagem de uma substncia da fase lquida para a fase slida.

Na solidificao tudo se processa ao invs do que se passa na fuso. Um corpo lquido possui maior contedo de energia do que no estado slido e ter de perder parte dessa energia para construir a sua rede cristalina.

A mudana de fase lquido-slido de uma substncia d-se exactamente mesma temperatura a que se d a mudana de fase slido-lquido dessa substncia, isto : - o ponto de solidificao de uma substncia identifica-se com o seu ponto de fuso. As leis da solidificao so as mesmas da fuso. 1.2.3. Vaporizao

Designa-se por vaporizao a passagem de uma substncia da fase lquida para a fase gasosa. Dada a liberdade, bastante grande, que os tomos das substncias possuem na fase lquida, compreende-se que haja

sempre alguns desses tomos que se escapem da superfcie livre do lquido e se difundam no meio exterior, a qualquer temperatura. o fenmeno que se designa por evaporao. Os tomos que se escapam so exactamente os que possurem energia cintica mais elevada e a sua sada ir provocar uma diminuio da energia cintica mdia dos tomos que permanecem no lquido. por este motivo que a temperatura dum lquido diminui durante a sua evaporao. Em particular, usa-se o termo volatilizao, quando se trata da evaporao de certos lquidos, muito rpida, como sucede com o ter, por exemplo. 1.2.4. Ebulio

Elevando a temperatura dum lquido facilita-se a libertao das partculas da sua superfcie livre que, entretanto, se tero que sujeitar aos desvios a que so foradas pelos embates contra as molculas dos componentes do ar. As partculas do lquido, libertadas na atmosfera, constituem o vapor desse lquido. Este vapor, por ser uma substncia em fase gasosa, exerce a sua presso prpria que tanto maior quanto mais elevada for a temperatura do lquido que o est produzindo. Temos assim, na zona lquido-ar, uma competio entre a presso atmosfrica e a presso do vapor do lquido. Quando a temperatura do lquido atinge uma valor tal que a presso do seu vapor iguala a presso exterior (que estamos a supor ser a da atmosfera), j no s superfcie do lquido que se observa a vaporizao, mas tambm no interior do lquido, que passa a agitar-se com violncia. Diz-se ento que o lquido ferve, ou que entrou em ebulio. Enquanto o lquido ferve, a sua temperatura mantm-se constante, como sucede na fuso, embora o lquido continue a estar submetido aco da fonte trmica. A energia que esta agora fornece ao lquido j no utilizada no aumento da energia cintica das suas partculas, mas na destruio das ligaes que existem entre elas.

Mostra a experincia que existe, para cada substncia em fase lquida, uma determinada temperatura, chamada ponto de ebulio do lquido, que a temperatura para a qual a presso exercida pelo vapor desse lquido igual presso exterior que sobre ele se exerce. Quando a presso exterior tem o valor nominal, designa-se, aquela temperatura, por ponto de ebulio normal. 1.2.4.1. Leis da Ebulio 1. para cada valor da presso exterior cada substncia entra em ebulio a determinada temperatura. 2. um lquido entra em ebulio temperatura qual a presso do seu vapor igual a presso exterior. 3. durante a ebulio a temperatura do lquido mantm-se constante, desde que no haja variao da presso exterior. 1.2.4.2. Aquecimento de um lquido num vaso fechado

Se um lquido for aquecido num vaso fechado no pode entrar em ebulio porque, nessas condies, se junta presso do ar, que se encontra no vaso, a presso do prprio vapor que se vai formando e que a fica retido, a qual ir aumentando continuamente.

Pode aproveitar-se este facto para aquecer um lquido muito alm do seu ponto de ebulio normal. A gua ferve a

recipientes que resistam s elevadas presses a que ficam sujeitos. Quando se destapa qualquer abertura nesses recipientes, sai por ela o vapor de gua a grande presso e o lquido comea imediatamente a ferver. Aproveita-se este facto nas caldeiras das mquinas de vapor e nas panelas de presso.

Chama-se vapor sobreaquecido ao vapor cuja temperatura superior ao ponto de ebulio normal do lquido donde resulta.



1.2.5. Liquefaco O fenmeno inverso da vaporizao a liquefaco que a passagem de uma substncia em fase gasosa para a fase

lquida. Uma dada poro de uma substncia em fase gasosa possui maior contedo energtico do que em fase lquida, motivo

por que a transformao gs-lquido feita com perda de energia. Entretanto a passagem da fase gasosa fase lquida faz-se, em igualdade de presso, mesma temperatura a que o lquido respectivo entraria em ebulio. 1.2.6. Sublimao

Chama-se sublimao passagem directa de uma substncia em fase slida para fase gasosa. A cnfora e o dixido de carbono slido, vulgarmente chamado gelo seco, so exemplos de substncias que sublimam. 1.2.7. Calor de Transformao

Para corpos de massas de igual valor, e para mudanas entre as mesmas fases, as diferentes substncias exigem valores diferentes de calor.

Caracterizam-se as substncias, neste aspecto, por meio de uma grandeza, designada, em geral, por calor de transformao.

Calor de Transformao de uma substncia o calor, por unidade de massa dessa substncia, que necessrio fornecer-lhe para que mude de fase sem que a sua temperatura varie durante a mudana.

Esta grandeza toma, em particular, os nomes de calor de fuso, calor de vaporizao, etc., conforme a transformao a que se refere.

O smbolo do calor de transformao L, e a sua unidade SI o Joule por quilograma (J/Kg ou J.Kg-1). Nas aplicaes numricas habitualmente usa-se a unidade caloria por grama (cal.g-1). O calor, Q, necessrio para provocar a mudana de fase da substncia de um corpo de massa m, sem variao de temperatura, dado por:

Q = L x m 1.2.8. Calor de Dissoluo

Quando se efectua uma dissoluo, h sempre uma variao da temperatura do conjunto (solvente e soluto). Para que as molculas que compem o soluto se distribuam no solvente, ter de haver, forosamente, variaes de energia que se manifestam por variaes de temperatura.

Chama-se calor de dissoluo de uma substncia (slida, lquida ou gasosa) num lquido, ao calor por unidade de massa do soluto, quando dissolvido numa poro tal de solvente que, se a soluo fosse mais diluda, a variao de temperatura sofrida teria sido a mesma. 2 PROCESSOS DE TRANSMISSO DO CALOR:

Os processos de transmisso do calor vo ser abordados de uma forma mais geral, na parte inicial, e de uma forma mais desenvolvida, um pouco mais frente. 2.1. Propagao do calor em geral

Consiste na transferncia de energia cintica, das molculas de um corpo, que est a uma temperatura mais elevada, para as de outro, as quais vo, sucessivamente, transmitindo energia cintica s seguintes, at que todas elas, de ambos os corpos, possuam o mesmo valor mdio dessa energia. 2.1.1. Propagao por conduo

Consiste na transferncia de energia cintica entre molculas, tomos ou ies, constituintes do corpo. Esta transferncia de energia provoca os choques das partculas activadas sobre as vizinhas, o que produz um aumento da energia cintica dessas mesmas partculas vizinhas. 2.1.2. Propagao por conveco

A conveco consiste numa transmisso de calor, por deslocao de toda a matria submetida a aquecimento. 2.1.3. Propagao por radiao

uma forma de propagao de energia por ondas e a energia assim propagada denomina-se energia radiante. A qualquer temperatura, todos os corpos emitem energia radiante, que constituda por um conjunto de ondas de vrios comprimentos. A energia radiante, na sua propagao, atinge a superfcie dos corpos e transfere-se em parte, para as respectivas



entidades constituintes desses corpos, modificando-lhes o valor mdio da sua energia cintica. A energia radiante transforma-se em energia cintica, quando atinge a superfcie dos corpos.

Por outras palavras, a transferncia de energia, como o calor, pode ocorrer pelos seguintes mecanismos: conduo - em que h transmisso directa de energia por interaco, partcula a partcula; conveco em que a transmisso de energia feita por movimentao de matria. ainda de notar que existe um modo de transferncia de energia, que no necessita de um meio de propagao a radiao. 2.2. Transmisso do Calor 2.2.1 Processos de Transmisso do Calor

Quando dois corpos a temperaturas diferentes se encontram em presena um do outro, h transferncias de calor do corpo mais quente para o mais frio. Essa transferncia s cessa quando a igualdade das temperaturas tiver sido atingida. Se os diferentes pontos de um mesmo corpo esto a temperaturas diferentes, com mais facilidade ainda se far a transferncia ou transmisso do calor atravs de toda a massa do corpo, at se obter o equilbrio trmico.

So trs os processos de transmisso do calor: por conduo, por conveco e por radiao. 2.2.1.1. Conduo

Se a extremidade duma barra metlica fortemente aquecida, a breve trecho se dar conta de que o calor se propaga at extremidade oposta. J outro tanto no sucede com uma haste de madeira: o aquecimento que se nota na extremidade oposta muito ligeiro; a transmisso do calor faz-se com tanta dificuldade que a extremidade aquecida pode at sofrer combusto, sem que a elevao de temperatura na outra extremidade seja grande.

Num e noutro caso a transmisso do calor faz-se atravs do corpo por conduo. Esta forma de transmisso calorfica consiste essencialmente no seguinte: o aquecimento local confere s molculas,

tomos ou ies, constituintes de um corpo, um aumento de energia cintica; os choques destas partculas activadas sobre as vizinhas tornam-se mais frequentes, o que produz um aumento de energia cintica dessas partculas vizinhas; estas actuam do mesmo modo sobre as seguintes e assim sucessivamente, atravs do corpo todo.

Neste mecanismo de conduo intervm ainda umas partculas mais elementares, constituintes de toda a matria, em geral partculas de natureza elctrica, os electres. Um certo nmero de electres chamados electres livres, como que passeiam desordenadamente ao longo de todos os corpos bons condutores, como os metais. Quando entre dois pontos de um condutor elctrico se estabelece uma certa diferena de potencial, os electres livres ordenam-se e correm em fluxo contnuo, provocando uma corrente elctrica. Pois bem, uma diferena de temperatura entre dois pontos de um condutor trmico tem uma aco anloga: a energia cintica dos electres livres torna-se maior e comunica-se rapidamente aos outros, aumentando-lhes tambm a sua energia cintica.

Os dois fenmenos conduo trmica e conduo elctrica so, pois, em parte, produzidos pelos mesmos agentes. Assim se compreende que os corpos bons condutores do calor sejam tambm bons condutores de electricidade. Os

metais tm condutibilidade calorfica e condutibilidade elctrica elevadas. Mas nem todos apresentam esta propriedade no mesmo grau. A prata , se todos, o melhor condutor do calor e da electricidade. Segue-se o cobre.

O estudo experimental da condutibilidade nos lquidos e gases mais difcil de estudar do que o dos slidos. A tabela seguinte d uma ideia do grau de condutibilidade trmica de diferentes corpos. A prata figura com uma

condutibilidade representada arbitrariamente pelo nmero 100; os restantes valores foram medidos experimentalmente, tomando esse nmero por termo de comparao.

De um modo geral classificam-se os corpos em bons e maus condutores do calor.

Metais Condutibilidade

Trmica Outras Substncias

Condutibilidade Trmica

Prata 100 Amianto 0,04

Cobre 95 Vidro 0,2

Alumnio 50 Feltro 0,01

Lato 26 Cortia 0,01

Ferro 12 Madeira 0,03 a 0,01

Chumbo 8 Linho 0,02

Mercrio 2 Papel 0,01

L 0,01

Seda 0,0095

gua 0,01

Ar 0,005

Aos corpos francamente maus condutores e que alm disso tambm no transmitem calor por outros processos, d-se

o nome de isoladores calorficos. Mas bvio que no deve dar-se palavra isolador um sentido absoluto. O amianto, a cortia, a madeira, o papel, a l, etc. podem considerar-se isoladores do calor. J a gua, embora tenha uma condutibilidade muito baixa, como sucede com os lquidos de um modo geral, no serve como isolador, porque transmite o calor por outro processo (conveco). O amianto um poderoso isolador trmico porque, alm de mau condutor, incombustvel.

A boa ou m condutibilidade dos corpos para o calor permite explicar certos factos habituais como sejam a sensao de

frio que nos do os metais no inverno e a sensao de quente que nos do no vero. Efectivamente, quando pegamos num



corpo metlico e num corpo de madeira, ambos frios mesma temperatura, sentimos que aquele est muito mais frio do que este. que o calor da mo transmite-se aos pontos de contacto do objecto segurado e deste rapidamente s zonas vizinhas; da resulta uma considervel subtraco de calor ao nosso corpo, o que provoca um arrefecimento sensvel. Para o objecto de madeira, mau condutor, j assim no acontece: o calor da mo passa para a regio de contacto e desta no se transmite facilmente aos pontos vizinhos. A quantidade de calor subtrada mo , por isso, muito reduzida, e no produz arrefecimento to pronunciado.

Se os corpos esto a temperaturas superiores do nosso corpo, as coisas passam-se exactamente ao invs: o calor do objecto metlico transmite-se mo rapidamente a partir de todos os pontos; enquanto que de um objecto mau condutor s se transfere o calor procedente da zona de contacto: no primeiro caso a mo recebe uma grande quantidade de calor e, portanto, experimenta um vivo aquecimento; no segundo, a quantidade de calor recebida pequena.

A aco das redes metlicas sobre as chamas uma consequncia da boa condutibilidade calorfica daquelas. O calor absorvido pela rede distribui-se por conduo atravs de toda ela: resulta assim um arrefecimento dos gases abaixo da sua temperatura de inflamao, ficando, deste modo, a chama cortada.

2.2.1.2.Conveco

A transmisso do calor nos lquidos e gases no se restringe conduo, que , como dissemos, muito fraca. O fenmeno da propagao do calor nos fluidos consiste essencialmente em correntes de conveco. A formao destas correntes explica-se facilmente: quando se aquece um fluido, uma certa zona dilata-se e, portanto, torna-se mais leve; as pores aquecidas elevam-se ento por efeito da menor densidade, sendo o seu lugar ocupado pelo fluido no aquecido. Estabelecem-se assim correntes ascendentes, de fluido mais quente, e correntes descendentes, de fluido mais frio: so estas as correntes de conveco.

A conveco consiste, pois, numa transmisso de calor por deslocao de toda a matria submetida a aquecimento. Podem pr-se em evidncia as correntes de conveco num lquido, aquecendo um vaso com gua contendo serradura de madeira. O movimento da gua arrasta as partculas de serradura, podendo observar-se um movimento ascensional partindo do fundo aquecido, e um movimento descendente, ao longo das paredes, as quais se encontram mais frias.

No processo de aquecimento central pelo sistema de gua quente, o transporte de calor faz-se por conveco. Correntes de conveco postas Aquecimento central pelo sistema Circulao do ar numa sala, por conveco em evidncia pelo movimento de gua quente da serradura de madeira

O aquecimento de uma sala faz-se ainda essencialmente por conveco no ar ambiente. A ventilao de um interior, a tiragem das chamins, as correntes martimas e areas (ventos) so ainda causadas pela

conveco do calor. 2.2.1.3. Radiao Quando um corpo se encontra a uma temperatura superior do ambiente emite energia que se propaga atravs desse

mesmo ambiente. Esta energia chama-se energia radiante e propaga-se no vazio com a velocidade da luz. A emisso de energia radiante faz baixar gradualmente a temperatura do corpo: aquela deve resultar, portanto, da transformao do calor.

Qualquer corpo slido, lquido ou gasoso chocado ou atravessado pela energia radiante aquece e reduz a quantidade de energia que est sendo transmitida. Tem lugar aqui a transformao inversa, de energia radiante em calor. Quer dizer: todo o corpo a uma temperatura superior do ambiente transmite calor por emisso de energia radiante. Este modo de propagao do calor chama-se radiao.

A quantidade de calor transmitida por radiao depende da temperatura do corpo; mas no s desta: a natureza da superfcie do corpo e outros factores influem tambm. Uma superfcie polida como espelho no absorve nem irradia calor em quantidade aprecivel. A energia radiante neste caso quase totalmente devolvida por reflexo.

Confrontando agora os trs processos de transmisso do calor, convir resumir o que se disse, para estabelecer as diferenas entre eles: - na conduo, o calor propaga-se por intermdio da agitao molecular; na conveco, h deslocamento global da prpria massa sob a forma de correntes fluidas; na propagao por radiao no h interveno de matria: pelo contrrio, a radiao s no sofre atenuao quando se faz atravs do vcuo, isto , na completa ausncia de matria.

claro que um corpo pode emitir calor pelos trs processos, conjuntamente ou no. Quando nos aquecemos a um fogo, por exemplo, h propagao do calor por conveco, por radiao e por conduo. Mas a ltima fora intervm muitssimo menos do que as outras duas, visto que o ar mau condutor do calor. Que neste caso h propagao de uma grande quantidade de calor por radiao prova-o o facto de se reduzir consideravelmente o aquecimento no rosto, interpondo um simples jornal entre ele e o fogo. Este efeito no se notaria se apenas interviessem as correntes de conveco. Assim se explica tambm que no sejam igualmente aquecidas as partes do corpo ao mesmo nvel, mas nem todas voltadas para o foco calorfico.

A transmisso do calor do Sol para a Terra faz-se essencialmente por radiao.



Uma grande parte do calor transmitido absorvido pela atmosfera, que depois intervm tambm na propagao do calor por conveco e conduo.

Para fechar este estudo elementar da propagao do calor convm referir uma aplicao prtica interessante do que se disse: as garrafas termos que constituem

um ptimo isolante trmico, permitindo guardar durante bastante tempo lquidos quentes ou frios.

So constitudas por uma garrafa de vidro de dupla parede encerrada numa caixa metlica protectora. Na cavidade delimitada pela dupla parede feito o vcuo e a sua superfcie interior prateada, constituindo o espelho.

Atravs do vcuo no h propagao do calor por conduo nem por conveco. As trocas de calor entre a garrafa e o exterior s podem, portanto, fazer-se por

radiao. Ora as duas paredes espelhadas e opostas reduzem a propores exguas essas trocas. Se a garrafa contm um lquido quente, a emisso de calor para o exterior faz-se em pequena quantidade pela parede mais interna e reflecte-se na parede oposta. Encerra-se um lquido frio, o calor exterior no pode, por anlogo motivo, transmitir-se para dentro, em quantidade aprecivel. 3 PRIMEIRO PRINCPIO DA TERMODINMICA (pt.1) 3.1. Noes fundamentais 3.1.1. Noo de energia:

Energia tudo o que se pode transformar em trabalho, ou resulta da transformao de trabalho.Existem vrios tipos de energia, tais como a energia mecnica, a energia qumica, a energia elctrica, a energia trmica, a energia nuclear, etc. Para o nosso estudo interessa-nos particularmente a energia mecnica e a energia trmica, dadas as caractersticas deste curso.A energia mecnica pode aparecer-nos sob a forma de energia potencial e de energia cintica. 3.1.1.1. Definio de energia potencial:

Diz-se que um corpo tem energia potencial, se devido sua posio capaz de realizar trabalho. Um camio no cimo de uma rampa um exemplo de um corpo com energia potencial. Assim, a energia potencial

igual ao trabalho gasto na elevao do corpo, isto :

Ep = G . h com G = m . g Vejamos o significado das letras e respectivas unidades: Ep energia potencial (vem em J); G trabalho gasto na elevao do corpo (vem em N); h elevao/altura (vem em m); m massa do corpo (vem em Kg); g - acelerao da gravidade (vem em m/s2 o seu valor arredondado 9,8).

3.1.1.2. Definio de energia cintica: Diz-se que um corpo tem energia cintica quando devido ao seu movimento capaz de realizar trabalho. A energia

cintica pode ser calculada atravs da seguinte expresso:

Ec = . m . V2

com V2 = 2 . g . h

Vejamos o significado das letras e respectivas unidades: Ec energia cintica - tambm pode ser representado por Ek (vem em J); m massa (vem em Kg); V velocidade (vem em m/s); g acelerao da gravidade (vem em m/s2 - o seu valor arredondado 9,8); h elevao/altura (vem em m). 3.1.2. Noo de trabalho:

Trabalho uma forma de energia que se pode manifestar atravs dos mais variados aspectos. Um corpo ao deslocar-se sobre uma superfcie no lubrificada, necessita que lhe forneam trabalho para tal deslocamento, que, ao fazer-se, devido ao atrito entre as duas superfcies, originar uma libertao de calor, que no mais nem menos do que energia trmica.



Dada a equivalncia entre os dois significados, trabalho e energia, pode dizer-se que trabalho energia mecnica de transio, visto no poder ser armazenado num corpo ou num sistema.

Para se produzir trabalho mecnico, necessrio uma fora, um deslocamento do seu ponto de aplicao e sabermos se o deslocamento se faz segundo a linha de aco da fora ou no.

Se o deslocamento se faz segundo a linha de aco da fora, o trabalho realizado (W) calcula-se multiplicando a intensidade da

fora (F) pelo deslocamento do seu ponto de aplicao (e). A expresso que traduz este enunciado a seguinte:

W = F . e

As unidades destas grandezas so: W vem em J; F - vem em N e - vem em m.

Se o deslocamento no se faz segundo a linha de aco da fora, o trabalho realizado calcula-se atravs da seguinte frmula:

W = F . e . cos

em que

- o ngulo compreendido entre F e F1 (a fora F foi decomposta em duas).

Para se calcular o trabalho, referente a uma elevao vertical, recorre-se seguinte expresso:

W = G . h Para se calcular o trabalho, referente a uma elevao inclinada, recorre-se seguinte expresso (baseada no plano inclinado):

W = G . l . sen em que l - toma o valor da hipotenusa de um tringulo rectngulo/plano inclinado. Associado ao trabalho est uma outra grandeza importante, que a potncia (smbolo P), que nos relaciona o trabalho (W) com o tempo (t) gasto na sua execuo. A potncia calcula-se ento pela seguinte frmula:

P = W / t em que P vem em J/s ou W; W vem em J; t vem em s. Desta expresso, podemos tambm, obviamente, calcular o tempo ou o trabalho, consoante os dados fornecidos. Assim, temos: t = W/P e W = P . t Esta ltima frmula , naturalmente, mais um processo que temos ao nosso dispor para se calcular o trabalho, na sequncia dos anteriores. 3.1.1.4. Noo de calor:

Se considerarmos dois corpos num ambiente isolado termicamente, onde a temperatura do corpo A maior do que a do corpo B, ao colocarmos os dois corpos prximos um do outro, aps um certo tempo, percebemos que ambos tm a mesma temperatura. Assim podemos concluir que houve um fluxo de energia trmica entre estes corpos.

A esse fluxo de energia damos o nome de calor.



Por outras palavras, calor a energia trmica em trnsito entre corpos de diferentes temperaturas ou, dito de outro modo, o processo de transferncia de energia, de um corpo ou sistema, para outro, como resultado de uma diferena de temperatura.

A noo de calor muito intuitiva, uma vez que faz parte das nossas experincias dirias tocar em objectos a diferentes

temperaturas e entender que, quando estes so colocados em contacto, transferido calor do objecto a temperatura mais elevada para aquele que se encontra a temperatura mais baixa. Neste processo, quando o equilbrio alcanado, ambos os objectos atingem a mesma temperatura, cujo valor se encontra entre os valores das temperaturas iniciais.

O que j no to imediato compreender que o calor uma forma de energia. De facto, uma anlise histrica demonstra que, inicialmente, o que flua entre objectos a diferentes temperaturas era

tido como algo de natureza distinta das restantes formas de energia. Apenas quando se percebeu que o calor se podia transformar em trabalho, se estabeleceu que este seria uma nova forma de energia.

Pode ainda definir-se calor como sendo a energia que atravessa a fronteira de um sistema, quando entre ele e o seu ambiente, existe uma diferena de temperatura.

Calor pode tambm ser uma forma de energia cintica, que est associada ao movimento dos tomos e das molculas. No Sistema Internacional (S.I.) o calor medido em J (Joule). Frequentemente utiliza-se a cal (caloria). A equivalncia entre a energia mecnica e a energia calorfica : 1 caloria = 4,185 Joule sendo este valor chamado equivalente mecnico da caloria.

3.1.1.4.1. Noo de caloria: Entende-

3.1.1.4.2. Noo de quantidade de calor: A quantidade de calor uma grandeza fsica, que determina a variao na quantidade de energia trmica dum corpo,

ou seja, determina a energia trmica que transitou para outro corpo ou que mudou de natureza. A unidade do Sistema Internacional (S.I.) para a quantidade de calor o J (Joule), mas comum usar-se tambm a cal

(caloria). ainda usada uma unidade mil vezes maior, a que se d o nome de Kcal (quilocaloria), que a quantidade de calor

a de 1 Kg de gua destilada. ainda de salientar que se toma a gua, como substncia de referncia, nas medidas da grandeza quantidade de

calor. A quantidade de calor expressa-se pela seguinte frmula:

Q = m . c . T

em que: Q a quantidade de calor, em cal (ou em Kcal); m a massa, em g (ou em Kg); c T T = Tf Ti (Tf temperatura final; Ti temperatura inicial).

A expresso da quantidade de calor pode ainda transformar-se na seguinte: Q = m . c (Tf Ti)

3.1.1.4.3. Noo de calor especfico: Entende-se por calor especfico (c) de uma substncia como sendo a quantidade de calor absorvida ou cedida por

unidade de massa e por cada grau centgrado de variao de temperatura. O calor especfico uma grandeza caracterstica de cada substncia e pode ser obtido atravs da frmula anterior, isto

,



c = Q / m . t (cal / g / C ou cal / g. C). Vejamos, na seguinte tabela, o calor especfico de algumas substncias.

Substncia Calor especfico (cal / g / C)

gua 1

Gelo 0,480

Corpo humano (mdia) 0,83

Solo (dependendo da % de gua) 0,2 0,8

Alumnio 0,214

Protenas 0,4

Para um dado corpo costuma considerar-se uma outra grandeza caracterstica, que funo do calor especfico. Trata-se da capacidade calorfica, que obtida atravs do produto

c . m A capacidade calorfica representa a quantidade de calor absorvida ou cedida pelo corpo, por cada grau de variao de

temperatura, conforme se conclui da seguinte expresso:

c . m = Q / t (cal / C ou Kcal / C) Uma outra grandeza importante o calor latente. Conforme referido atrs, a transferncia de calor de (ou para) um

sistema, pode implicar uma mudana de estado e o calor latente mede a maior ou menor extenso de massa que fica sujeita a essa mudana de fase, quando existe transferncia de calor.

3.1.1.4.4. Calor latente

a grandeza fsica que est relacionada quantidade de calor que um corpo precisa receber ou ceder para mudar de

estado fsico. Matematicamente, essa definio fica da seguinte forma:

Q = m . L onde L o calor latente da substncia. O calor latente pode assumir valores positivos ou negativos. Se for positivo, quer dizer que o corpo est a receber calor; se for negativo, significa que est a ceder calor.

Por outro lado, verifica-se tambm que cada substncia apresenta dois valores de calor latente: o calor latente de fuso, Lf (que tem o mesmo valor que o calor latente de solidificao) e o calor latente de evaporao, Le, (que tem o mesmo valor que o calor latente de condensao). Matematicamente so definidos atravs das expresses:

Q = m . Lf ou Q = m . Le

onde m a massa da substncia e Q o calor transferido. A unidade de calor latente no Sistema Internacional J/kg. Pode, no entanto, tambm utilizar-se a cal/g.

O calor responsvel pela variao de temperatura recebe o nome de calor sensvel, j o calor responsvel pela mudana de fase, recebe o nome de calor latente.

Colocando dois corpos, de temperaturas diferentes (quente e frio), em contacto, percebe-se que a temperatura do corpo mais quente diminui, ao passo que a temperatura do corpo mais frio aumenta. Aps certo tempo, as temperaturas dos dois corpos igualam-se. Nesse momento, o fluxo de calor interrompido, podendo-se ento dizer que os corpos se encontram em equilbrio trmico. 3.1.1.4.5. Noo de transferncia de calor:

Como sabemos, o calor energia trmica em trnsito, e assim sendo, ele pode ser transmitido de um corpo para outro, das seguintes maneiras: Conduo:

Acontece quando o calor se transfere mediante a agitao das partculas que compem o material, sem que ocorra o transporte de matria nesse processo. Este tipo de transferncia ocorre, por exemplo, quando algum segura uma barra de ferro, que est a ser aquecida por uma fonte calorfica, como por exemplo, na forja. Logo, a pessoa que est a segurar a barra, sentir o aumento de temperatura.



Conveco: Este tipo de transferncia ocorre devido s diferenas de densidade das partes quentes e frias das substncias

envolvidas. Exemplos de conveco: os frigorficos e as brisas do mar.

Radiao:

Este tipo de transferncia de calor ocorre atravs da radiao, que feita por ondas electromagnticas (raios infravermelhos), os quais se podem propagar mesmo na ausncia de matria (vcuo). Exemplo: os raios solares que aquecem a Terra.

3.1.1.4.6. Noo de temperatura: A temperatura caracteriza uma intensidade de calor. Por outras palavras, temperatura a propriedade de um sistema

que se caracteriza por adquirir determinado valor quando posto em contacto com outro sistema, sendo esse valor comum aos dois sistemas.

A temperatura tambm considerada uma funo de estado, que descreve um sistema que relaciona as noes de frio e de calor. um nmero compatvel a um corpo, que traduz o estado de agitao das suas partculas.

Um corpo que apresenta uma maior temperatura tem as suas partculas num nvel mais elevado de agitao. importante diferenciar calor de temperatura, pois so grandezas fsicas diferentes: temperatura a medida do nvel

de energia interna de um corpo; calor a passagem de energia de um corpo para outro, devido diferena de temperatura entre eles.

Para se observar a temperatura utiliza-se os termmetros, que podem ter vrias escalas. A mais utilizada continua a ser

a de Celsius, que corresponde quela em que ao ponto de fuso da gua se associa a origem da escala (0 C) e ao ponto de

ebulio se associa 100 C. A escala de Fahrenheit continua tambm a ser utilizada, particularmente nos Estados Unidos da Amrica e relaciona-se com a de Celsius atravs da seguinte relao:

TF = 9/5 TC + 32 onde TF a temperatura em graus Fahrenheit e TC a temperatura em graus Celsius. A unidade de temperatura no S.I. no , porm, nenhuma destas, mas sim o Kelvin. Esta escala de temperaturas tambm conhecida por escala de temperatura absoluta (similarmente, a origem desta escala tambm chamada o zero absoluto). A passagem da escala de temperatura absoluta para a escala de Celsius feita atendendo a

que o zero absoluto corresponde a -273,15 C e que um grau Celsius corresponde a um grau Kelvin. Assim, vlida a expresso:

TK = TC + 273,15

sendo TK a temperatura em graus Kelvin e TC a temperatura em graus Celsius. de notar que a expresso anterior equivalente a:

C = K 273,15 3.1.1.5. Noo de energia interna:

A energia interna, cujo smbolo U, a soma das energias cinticas dos tomos e molculas que se encontram no interior de um sistema e das energias potenciais associadas s suas mtuas interaces, isto , a energia total contida num sistema fechado.

Existem vrios tipos de energia interna, como por exemplo, a energia cintica de translao, a energia cintica de rotao e a energia cintica de vibrao das molculas e a energia potencial de ligao, dessas mesmas molculas, devidas s suas posies relativas.

A energia interna de um sistema depende apenas do estado fsico deste, pelo que no inclui a energia cintica, a energia potencial, as suas energias nucleares ou outras energias intra-atmicas do prprio sistema, isto , da fronteira entre o sistema e a sua vizinhana.



A energia interna absoluta de um sistema num dado estado no pode ser medida directamente. sim possvel observar o seu aumento ou diminuio, dependendo do trabalho que faa ou receba o sistema ou do calor que ganhe ou perca.

A Para um sistema fechado, a variao da energia interna igual ao calor absorvido pelo sistema atravs da sua fronteira (Q), menos o trabalho realizado pelo sistema sobre a fronteira (W). Este princpio pode ser traduzido pela seguinte expresso:

U = Q W em que U vem em J; Q em cal ou J; W em J. A variao da energia interna, no caso dos gases, obedece s seguintes particularidades: U = Q W (Como W tem expanso nula W = 0, logo o U = Q). Deste modo, a expresso inicial, pode transformar-se na seguinte:

U = Q = (m . c)gs . T

T = 0 U = 0 Como (m . c)gs = constante

U depende apenas de T.

Como U uma varivel de estado, U

no depende do processo. T > 0 U > 0

T < 0 U < 0

Do exposto, podemos afirmar que a energia interna de um gs funo apenas da temperatura absoluta, T.

3.1.1.6. Noo de capacidade calorfica dos gases

O conceito de capacidade calorfica especfica extensivo a todos os estados fsicos, mas no caso dos gases, necessita de um reparo especial porque, ao elevar-se a temperatura de um gs, podemos proceder de modo a manter constantes, ou o volume que ocupa, ou a presso a que est sujeito.

Daqui resulta devermos considerar, para um mesmo gs, duas capacidades calorficas especficas: capacidade calorfica especfica a volume constante e capacidade calorfica especfica a presso constante. Para cada gs, o valor da capacidade calorfica especfica a presso constante sempre superior ao valor da capacidade calorfica especfica a volume constante, porque para manter constante o valor da presso, necessrio deixar aumentar o volume do gs, o que exige a realizao de um trabalho das foras de presso do gs, que necessrio compensar com um acrscimo de energia. 3.1.1.7. Propriedades dos gases. Teoria cintico-molecular dos gases.

Hipteses em que se fundamenta: - A interpretao das propriedades da matria no estado gasoso baseia-se num conjunto de hipteses, das quais, citaremos apenas as que interessam ao nosso estudo. Os gases so constitudos por molculas; As dimenses das molculas dos gases so muito pequenas, quando comparadas com as distncias que as separam; As molculas de um gs movem-se desordenadamente em todas as direces, com velocidades muito diversas, no s em valor numrico, como tambm em direco e sentido, chocando entre si e com as superfcies que encontram; Os choques exercidos pelas molculas so perfeitamente elsticos, isto , do-se com conservao de energia mecnica.

A teoria que interpreta as propriedades dos gases, a partir das referidas hipteses (alm de outras), designa-se por teoria cintico-molecular dos gases e corresponde aplicao, aos gases, da teoria cintica. 3.1.1.7.1. Interpretao cintica da presso exercida pelos gases:

A presso exercida por um gs interpreta-se, na teoria cintico-molecular, como consequncia dos choques das suas molculas em permanente agitao contra as superfcies que esto em contacto. As foras assim exercidas, so foras de presso normais s superfcies consideradas, tanto mais intensas quanto maior for o nmero de molculas que chocam contra uma dada superfcie num dado intervalo de tempo, quanto maior for a velocidade que possuem no momento do choque e quanto maior for a massa dessas molculas. 3.1.1.8. Noo de calorimetria:

a diferena entre quantidade de calor e temperatura. Esta diferena pode enunciar-se do seguinte modo: - Dois corpos aquecidos durante o mesmo tempo, pelo mesmo foco calorfico, no experimentam a mesma elevao de temperatura.

Assim, por exemplo, uma agulha de coser fica ao rubro a uma temperatura de centenas de graus centgrados, em menos de um minuto, sobre a chama de uma lamparina de lcool, ao passo que a gua contida num copo, no mesmo tempo,

sobre a mesma chama, no chega a elevar a sua temperatura de 1 C. claro que, para um mesmo corpo, quanto mais calor ele receber do foco calorfico, maior a elevao de temperatura

que sofre;



E para corpos da mesma substncia, quanto maior for a massa, maior tem de ser a quantidade de calor recebida para produzir a mesma elevao de temperatura. Por outro lado, corpos da mesma massa e substncias diferentes, absorvem quantidades de calor diferentes, para uma mesma elevao de temperatura.

Em resumo, a quantidade de calor absorvida ou desprendida por um corpo, depende da massa do corpo, da elevao de temperatura experimentada e da natureza da substncia que o forma. 3.1.1.8.1. Equao fundamental da calorimetria:

A quantidade de calor sensvel recebida ou cedida por um corpo, em funo da variao da temperatura, pode ser expressa da seguinte forma:

Q = m . c .T

Ocorre mudana de temperatura nas substncias se: Q > 0 Q < 0 3.1.1.8.2. Princpio fundamental da calorimetria:

Se vrios corpos, no interior de um recipiente isolado termicamente, trocam calor, os de maior temperatura cedem calor aos de menor temperatura, at que se estabelea o equilbrio trmico. A soma algbrica dos calores trocados igual a zero, como traduz a seguinte expresso:

Q1 + Q2 + Q 3 + ... + Qn = 0 3.1.1.9. Noo de sistema termodinmico:

Entende-se por sistema termodinmico um conjunto de corpos envolvidos por uma superfcie real ou fictcia, a fronteira do sistema, atravs da qual se processam as trocas de energia entre o sistema e o meio que o envolve, o exterior.

Por outras palavras, a uma certa massa delimitada por uma fronteira, d-se o nome de sistema termodinmico. Exemplos de sistemas termodinmicos: um motor, um planeta, um organismo vivo, etc.

Entende-se por fronteira do sistema, o meio que envolve a massa ou o corpo. Por outras palavras, separa o sistema, do meio externo ou vizinhana.

Entende-se por vizinhana do sistema, o que fica fora da fronteira. 3.1.1.9.1. Tipos de sistemas termodinmicos: Sistema fechado - sistema que no troca massa com a vizinhana, mas permite a passagem de calor e trabalho pela sua fronteira. Sistema aberto - sistema que troca energia e/ou massa com a vizinhana. Uma fronteira de sistema que permite a passagem de massa vulgarmente qualificada como permevel. Sistema isolado - sistema sem nenhuma interaco com a vizinhana, isto , no h troca de energia nem de massa. Assim, um sistema isolado obedece s leis da conservao: a energia e a massa permanecem constantes.

Um sistema est num estado de equilbrio termodinmico quando se encontra simultaneamente em equilbrio trmico, mecnico e qumico.

Para definirmos o estado dum sistema termodinmico, necessitamos de trs variveis fsicas: a presso (p), o volume (V) e a temperatura (T), tambm vulgarmente conhecidas por variveis de estado. 3.1.1.10. Transformaes

Embora este assunto v ser desenvolvido no mdulo seguinte - Termodinmica II, importante, desde j, abordar-se os conceitos bsicos, para melhor se entender os temas que iro ser abordados mais adiante.

Neste sentido, comearemos por abordar a noo de transformao reversvel, que pode ser descrita como sendo aquela que, depois de se ter realizado, pode inverter-se. Como consequncia, todos os parmetros do processo em causa (do sistema e do meio que o envolve), podem voltar ao estado inicial. As transformaes isobricas so transformaes reversveis, que se realizam a presso constante. As transformaes isocricas so transformaes reversveis, que se realizam a volume constante. As transformaes isotrmicas so transformaes reversveis, que se realizam a temperatura constante. As transformaes adiabticas so transformaes, em que no seu decurso, o sistema no recebe nem fornece calor.



As transformaes politrpicas so transformaes reversveis tais que, nos estados intermdios e, inicial e final, se verifica a relao:

p . Vn = constante em que: p a presso; V o volume; n significa a representao de uma curva, que se situa entre a curva da transformao isotrmica e a curva da transformao adiabtica, num determinado diagrama, que estudaremos na Termodinmica II. 3.1.1.11. Noo de mquina trmica:

As mquinas trmicas so mquinas capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes: uma fonte quente, de onde recebem calor e uma fonte fria, para onde o calor que foi rejeitado direccionado.

A respeito das mquinas trmicas importante saber que elas no transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma mquina trmica sempre inferior a 100%, devido ao atrito entre as partes mveis da mquina. O seu rendimento a razo entre a potncia til (trabalho produzido pela mquina trmica) e a potncia total (calor fornecido mquina trmica pela fonte quente).

Em resumo, mquina trmica ser qualquer mquina que converte a energia trmica, que recebe, em energia mecnica, que fornece. 3.1.1.12. Noo de princpio (ou lei) da conservao de energia:

Todas as formas de energia so equivalentes, ou seja, todas elas se podem transformar nas outras, mantendo-se constante a soma das diferentes energias de um sistema isolado.

Por outras palavras, a lei ou princpio da conservao de energia estabelece que a quantidade total de energia num sistema isolado permanece constante. Uma consequncia dessa lei que energia no pode ser criada nem destruda - a energia pode apenas transformar-se. 3.1.1.13. Noo de termodinmica:

A Termodinmica tida como a cincia que estuda as relaes entre o calor, o trabalho e as subsequentes trocas energticas. de referir que a termodinmica assenta fundamentalmente em duas importantes leis (ou princpios): a primeira , na sua essncia, a lei de conservao de energia, ao passo que a segunda regulamenta o tipo de trocas energticas que podero existir entre os sistemas. 3.1.1.13.1. 1 Princpio da Termodinmica (ou 1 Lei da Termodinmica)

O 1 princpio da termodinmica ou 1 lei da termodinmica a lei da conservao de energia, que estabelece que a energia no gerada nem perdida, apenas transformada noutras formas de energia, ou seja, se um sistema receber energia (qualquer que seja a sua forma), essa energia poder ser utilizada para aumentar a energia interna desse sistema, ou poder ser libertada sob qualquer outra forma, nomeadamente, atravs de calor ou da realizao de trabalho. Esta lei pode ser representada atravs das seguintes expresses:

Q = U + W ou Q W = U ou U = Q W onde: U a variao de energia interna do sistema (em J); Q o calor recebido pelo sistema ou a energia trocada com o meio exterior na forma de calor (em cal J; se Q for negativo toma o significado de calor cedido pelo sistema); W o trabalho realizado pelo sistema ou a energia trocada com o meio exterior na forma de trabalho (em J; se W for negativo toma o significado de trabalho realizado sobre o sistema).

Por outras palavras, podemos dizer que o 1 princpio da termodinmica, tambm designado por lei da conservao de energia, se baseia no conceito de que num sistema isolado, em qualquer parte do universo, existe uma quantidade de energia mensurvel designada por energia interna do sistema. Esta a energia cintica e potencial total dos tomos e molculas de todos os tipos do sistema, que podem ser transferidos directamente sob a forma de calor.

No mbito deste 1 princpio da termodinmica, num sistema fechado, verifica-se as seguintes transformaes: W > 0 energia que sai do sistema W < 0 energia que entra no sistema Q > 0 calor que entra no sistema Q < 0 calor que sai do sistema U = U2 U1 Variao Energia Interna Q = U + W 1 princpio (ou 1 lei) da termodinmica.

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