Caro aluno, um dos principais equívocos que cometemos no dia a dia é confundir temperatura com calor. E podemos desfazer esse equívoco entendendo um pouco mais sobre essas grandezas.
Quando se tem um nível de agitação molecular, uma sensação de quente ou de frio, estaremos tratando de temperatura. Quanto maior o nível de agitação térmica molecular, maior será a temperatura.
Calor é uma forma de energia que passa de um corpo para outro devido a uma diferença de temperatura entre os corpos. É importante salientar que essa troca de energia ocorre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
Primeiramente, iremos tratar de termometria, que é o estudo das medições de temperaturas.
Então nos perguntamos: Como é que medimos a temperatura?
Vários cientistas criaram escalas termométricas em situações diferentes. A mais utilizada na maioria dos países, é a escala Celsius criada pelo astronômo sueco Anders Celsius, em 1742. Celsius percebeu que em sua escala existiam dois pontos fixos fundamentais: o ponto de fusão, no qual Celsius encontrou o valor de 0°C e o ponto de ebulição, no valor de 100°C sobre pressão de 1 atm.
Outra escala é a Fahrenheit, criada pelo físico alemão Gabriel Daniel Fahrenheit em 1727, utilizada nos países de língua inglesa. Fahrenheit descobriu diferentes valores para os mesmos pontos fixos de Celsius, encontrando 32°F para o ponto de fusão e 212°F para o ponto de ebulição.
A escala utilizada no meio científico é conhecida como escala absoluta, foi criada pelo físico, engenheiro e matemático britânico Lord Kelvin que encontrou 273°K para o ponto de fusão do gelo e 373°K para o ponto de ebulição da água.
Todas são, porém para o mesmo valor de temperatura encontramos marcações diferentes, para isso existe uma correlação entre as escalas termométricas. A expressão abaixo relaciona essa correlação entre as três escalas termométricas.
Um brasileiro viajou para os Estados Unidos e chegando lá percebeu que o termômetro marcava 113° F. Um estudante aqui no Brasil, intrigado, calculou a temperatura dele em nossa escala, e qual das opções abaixo explica melhor a conclusão do estudante?
(A) O viajante estava com frio!
(B) O viajante estava com calor!
(C) O viajante estava com uma sensação amena!
(D) Não existe uma temperatura conclusiva!
Resolução:
1° Passo – Identificar a escala na qual o estudante terá uma noção de temperatura.
Como é a escala Celsius, iremos fazer a correlação somente entre a escala Celsius e a escala existente no problema:
2° Passo – Substituir o valor da escala existente no problema na temperatura do termômetro e resolver utilizando seus conhecimentos em matemática:
Utilizando o bom senso, o estudante percebeu que o viajante estava em um país cuja temperatura era equivalente a 45 ° C, logo a resposta para o problema proposto é a letra B.
Vamos praticar um pouco?
1) Converta as seguintes temperaturas abaixo:
a) 20ºC em grau Fahrenheit.
b) 41ºF em grau Celsius.
c) 27ºC em Kelvin.
d) 50K em Celsius.
e) 41ºF em Kelvin.
f) 293K em grau Fahrenheit.
2) A temperatura de 1220 F corresponde a:
(A) 40C
(B) 200C
(C) 320C
(D) 500C
(E) 630C
3) Numa determinada escala X, arbitrária, um termômetro marca 00X para o ponto de fusão do gelo e 500X para o ponto de ebulição da água, ao nível do mar. Que temperatura esse termômetro marcaria se fosse mergulhado em um líquido cuja temperatura é de 500C?
(A) 250X
(B) 350X
(C) 500 X
(D) 1000X
Na aula passada definimos temperatura e calor, agora iremos nos aprofundar no estudo deste último. A calorimetria é a parte da física que estuda a troca de calor entre corpos que estão em diferentes temperaturas.
Sim, através de um instrumento chamado calorimetro. Este instrumento ao medir a quantidade de energia térmica de um corpo (temperatura) possibilita medir o calor que este corpo é capaz de produzir.
Quantos tipos de calor existem ?
Existem três tipos de calor. O calor sensível, é o tipo de calor que provoca a variaçao de temperatura de um corpo sem alterar seu estado de agregação da matéria, e este tipo de calor é regido pela equação fundamental da calorimetria:
O calor latente é oposto ao calor sensível, quando fornecemos uma energia ao sistema, o mesmo mantém a temperatura, porém seu estado de agregação sofre alteração e a equação abaixo fornece a quantidade de calor latente:
Se o calor latente (L) for de fusão, possui um valor constante de 80 cal / g, caso seja de vaporização o valor constante muda para 540 cal / g.
E, por fim, o calor específico (c), que é a quantidade de calor necessária para elevar de 1°C de temperatura de 1 g de uma dada substância. O calor específico da água tem uma mudança de valores de acordo com seu estado físico:
Uma outra grandeza da calorimetria é a capacidade térmica de um corpo. Esta grandeza é definida pelo produto da massa (m) do corpo, pelo calor específico do mesmo.
C = m. c
Como identificar em um problema essas grandezas?
Através do sistema internacional de medidas saberemos a informação que o problema nos indica. A unidade no sistema internacional que mede a quantidade de calor (Q) é denominada Joule (J), porém é mais utilizada a caloria (cal).E a relação entre essas duas unidades pode ser determinada da seguinte forma:
1 cal = 4,186 J
As outras unidades de medidas na calorimetria são:
Analisando graficamente o comportamento da água, podemos expressar em dois
tipos distintos, a curva de aquecimento e a curva de resfriamento. O gráfico abaixo
mostra a curva de aquecimento da água, é obrigatório não pular etapas na resolução
de problemas:
O gráfico a seguir mostra o oposto ao anterior, é a curva de resfriamento da
água:
Um corpo de massa 50 gramas recebe 300 calorias e sua temperatura sobe de -
10ºC até 20 ºC. Determine a capacidade térmica do corpo e o calor específico da
substância que o constitui:
1° Passo – Separar todos os dados que o problema informa:
2° Passo – Identificar com os dados do 1° passo, a formulação matemática para
aplicação do problema:
3° passo – substituir todos os dados nas formulações do 2° passo:
Um sólido de calor latente de fusão 120 cal/g, recebe 72.000 cal, até sua fusão total. Determine a massa do sólido:
1° Passo – Separar todos os dados que o problema informa:
2° Passo – Identificar com os dados do 1° passo, a formulação matemática para a aplicação do problema:
3° passo – Substituir todos os dados nas formulações do 2° passo:
E quando misturamos substâncias de diferentes temperaturas, o que acontece?
Para responder a essa questão devemos conhecer outro conceito que envolve calor. Este novo conceito é conhecido como equilíbrio térmico que está presente no nosso dia a dia, como por exemplo, ao misturarmos café com leite.
Se colocarmos um objeto quente próximo a um frio, logo os dois estarão na mesma temperatura, ou seja, o calor é transferido do objeto com temperatura maior para o objeto com temperatura menor. E a equação que determina o equilíbrio térmico é dada por:
Um corpo de 400g e calor específico sensível de 0,20cal/g°C, a uma temperatura de 10°C, é colocado em contato térmico com outro corpo de 200g e calor específico sensível de 0,10cal/g°C, a uma temperatura de 60°C. A temperatura final, uma vez estabelecido o equilíbrio térmico entre os dois corpos, será de:
(A) 14°C
(B) 15°C
(C) 20°C
(D) 30°C
(E) 40°C
1° Passo - Separar todos os dados que o problema informa:
2° Passo – Escrever a equação fundamental da calorimetria para cada material:
3° Passo – Substituir todas as variáveis na equação fundamental da calorimetria de cada material:
4° Passo – Aplicar na equação de equilíbrio térmico as equações do 3° passo e resolver matematicamente:
Vamos praticar um pouco?
1) Determine a quantidade de calor necessária para transformar 200g de gelo a -10ºC em água a 20ºC. Dados: calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g, calor específico da água = 1 cal/g.ºC e calor específico do gelo = 0,5 cal/g.oC.(Dica: Siga a sequência da curva de aquecimento)
2) Quando misturamos 1,0kg de água (calor específico sensível = 1,0cal/g°C) a 70° com 2,0kg de água a 10°C, obtemos 3,0kg de água a:
(A) 10°C
(B) 20°C
(C) 30°C
(D) 40°C
(E) 50°C
3) Um corpo de massa 100 gramas recebe 500 calorias e sua temperatura sobe de -10ºC até uma temperatura final ( T2 ). Sabendo que a capacidade térmica do corpo é igual a 50 cal/ºC, determine a temperatura final do corpo:
Nesta aula abordaremos uma pequena introdução sobre máquinas térmicas, uma vez que aprendemos sobre temperatura e calor, é possível compreendermos melhor o funcionamento de maquinários que utilizam esses conceitos definidos anteriormente.
Para entendermos um pouco a física de hoje, temos de voltar no tempo e redescobrirmos de onde surgiram os conceitos que serão estudados adiante.
A primeira máquina térmica que existiu foi a chamada máquina de Heron, dado esse nome devido ao seu inventor grego Heron, essa máquina consistia em aprisionar água em um recipiente esférico de metal com dois furos. Ao aquecer essa água neste recipiente, o vapor escapava e fazia com que a esfera girasse.
A máquina térmica é um dispositivo capaz de transformar energia térmica (proveniente de calor) em trabalho mecânico.
Com o avanço tecnológico dos séculos passados, o mecânico e ferreiro inglês Thomas Newcomen instalou em uma mina de carvão uma máquina utilizada para drenar a água acumulada na mina, a primeira máquina a vapor em 1712. Foi a primeira máquina térmica que transformava calor em trabalho mecânico.
E em 1770, o escocês James Watt, apresentou um modelo que viria a substituir os modelos propostos anteriormente ao seu trabalho, pois o modelo proposto por Watt era mais eficiente e futuramente foi empregado em moinhos, em acionamento de bombas d’água e mais tarde em locomotivas e barcos a vapor.
O modelo criado por Watt obedecia às leis da termodinâmica. A lei zero da termodinâmica pode ser entendida da seguinte forma: “se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e este último com um corpo C, então o corpo A está em equilíbrio com C ”.
A segunda lei da termodinâmica é a mais importante para entendermos o funcionamento de uma máquina térmica. A segunda lei da termodinâmica que é enunciada da seguinte forma: “uma máquina térmica operando em ciclos, ao retirar calor de uma fonte quente utiliza parte dele para realizar trabalho e o restante rejeita para uma fonte fria”.
Desta equação poderemos conceituar a eficiência de uma máquina térmica. O rendimento assim também conhecido pode ser calculado pela razão entre o trabalho efetuado pela máquina e o calor cedido pela fonte quente.
Exemplo: O esquema a seguir representa o ciclo de operação de determinada máquina térmica cujo combustível é um gás.
Resolução:
Para resolvermos qualquer exercício de física, devemos seguir alguns passos:
1° Passo - Separar todos os dados das grandezas físicas existentes:
2° Passo – Identificar as formulações matemáticas possíveis para utilização no exercício:
3° Passo – Comparar os dados do 1° passo com os do 2° passo substituindo onde necessário:
1) Numa transformação sobre pressão constante, um gás realiza o trabalho de 400 J, quando recebe do meio externo 500 J de calor. Qual a variação de energia interna do gás nessa transformação?
2) Sobre um sistema realiza-se um trabalho de 3.000 J e, em consequência ele fornece 500 cal ao meio externo durante o mesmo intervalo de tempo. Se 1 cal = 4,2 J, determine a variação de energia do sistema.
3) Um sistema recebeu do meio externo a ele uma quantidade de calor igual a 8.000 cal e realizou, sobre esse meio, um trabalho de 20.000 J. Em joules, qual a variação da energia interna desse sistema? ( considere 1 cal = 4,2 J)
(A) 13.600
(B) – 12.000
(C) 12000
(D) – 13600
(E) 14000
