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Calorimetria

AV1 – 4° BIMESTRE

Professor: ∆lan

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Energia Térmica:

Conclui-se, assim, que: As partículas que constitui os corpos possuem energia de agitação. Esta energia de agitação das partículas do corpo é chamada de energia térmica.

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Formas de Calor:

Quando um corpo recebe energia, esta pode produzir variação de temperatura ou mudança de estado.

• Quando o efeito produzido é a variação de temperatura, dizemos que o corpo recebeu calor sensível.

• Se o efeito se traduz pela mudança de fase, o calor recebido pelo corpo é dito calor latente.

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A caloria:

Define-se Caloria como sendo a quantidade de calor necessária para que um grama de água pura, sob pressão normal, tenha sua temperatura elevada de 14,5ºC para 15,5ºC.

A unidade de calor, no SI, é o Joule (J);Ainda se usa bastante a caloria (cal).

1cal = 4,186 J

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Capacidade térmica:

Define-se Capacidade térmica como sendo a razão entre a quantidade de calor (Q), que um corpo recebe, e a variação de temperatura ocorrida (Δθ ).

QC

t

A unidade de capacidade térmica, no SI, é o Joule/Kelvin (J/K);

Também é encontradocal /º C

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Calor específico:

As quantidades de calor cedidas a massas iguais da mesma substância ou delas retiradas são diretamente proporcionais às variações de temperatura.

As quantidades de calor cedidas a massas diferentes de uma mesma substância, ou delas retiradas, a fim de produzir variações de temperaturas iguais, são diretamente proporcionais às massas.

O calor específico de uma substância representa a quantidade de calor necessária para que 1 grama da substância eleve a sua temperatura em 1ºC.

Cc

m

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Equação fundamental da calorimetria

A capacidade térmica e o calor específico foram definidos respectivamente como:

Isolando c na segunda equação e substituindo na primeira, obtemos:

QC

t

C

cm

. . Q m c t

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UNIDADES DE MEDIDAS

Unidades usuais Unidades do SIQ............cal...........................Joule (J)m.......grama (g)................quilograma (kg)t.......Celsius (oC)………..…..Kelvin (K)c..........cal/g.oC………….…….J/kg.K

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Trocas de calor

Quando dois ou mais corpos, que estão em temperaturas diferentes, são colocados em contato, ocorrem espontaneamente trocas de calor entre eles, que cessam ao ser atingido o equilíbrio térmico.

Para que não haja influência do meio externo nas trocas de calor, é necessário colocá-los em um recipiente isolante térmico chamado calorímetro.

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Trocas de calor

Através do balanço energético, conclui se que, em módulo, a somatória dos calores cedidos é igual à somatória dos calores recebidos. Se os sinais são levados em conta, tem-se:

Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = 0

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Calor latenteO calor latente, de uma mudança de estado, é a

quantidade de calor que a substância recebe ou cede, por unidade de massa, durante a transformação, mantendo-se constante a temperatura, desde que a pressão não se altere. Matematicamente, podemos expressá-lo por:

Sendo: – Q = quantidade total de calor latente trocada no processo– m = massa do corpo– L = calor latente de mudança.

mLQm

QL

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Mudança de fase

Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura, podemos alterar o estado de agregação da matéria. Por ora, trataremos da mudança de fase sob pressão constante, variando somente a temperatura. Processos de mudança:

– Fusão: passagem de sólido para líquido; – Solidificação: passagem de líquido para sólido;– Vaporização: passagem de líquido para vapor;– Condensação: passagem de vapor para líquido;– Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor para

sólido, processo também conhecido como cristalização.

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Curvas de aquecimento ouresfriamento

Este gráfico será chamado de curva de aquecimento, se o corpo estiver recebendo energia térmica, ou curva de resfriamento, se o corpo estiver cedendo energia térmica.

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Leis gerais de mudança

– Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a temperatura se mantém constante.

– Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de fase perfeitamente definida.

– Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também variam.

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Diagrama de fases

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Transmissão de Calor

Tipos de Transmissão:Tipos de Transmissão: é dada de três é dada de três maneiras por condução, por convecção e por maneiras por condução, por convecção e por irradiação.irradiação.

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1. Condução térmica É a propagação de calor em que a energia térmica passa de partícula para partícula, sem transporte de matéria. Ocorre principalmente nos metais (condutores térmicos).

São exemplos de isolantes térmicos: água, gelo, ar, lã, isopor, vidro, borracha, madeira, serragem, etc.

Aplicações de isolantes térmicos:

Exemplo1: Os iglus, embora feitos de gelo, impedem a condução de calor para o meio externo. Elevando, assim sua temperatura interna.

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Equação de Fluxo de Equação de Fluxo de CalorCalor ΦΦ= = QQ = K = K • • A(A(θθ11 – –

θθ2 2 )) ΔΔTT L L ΦΦ: Fluxo de calor (Cal/s): Fluxo de calor (Cal/s)Q: Quantidade de Calor Q: Quantidade de Calor (Cal)(Cal)ΔΔT: Intervalo de TempoT: Intervalo de TempoK: Coeficiente de K: Coeficiente de condutibilidade (cal/s condutibilidade (cal/s • • cm • ºC)cm • ºC)A: Seção transversal de A: Seção transversal de áreaáreaΘΘ: Temperaturas nas : Temperaturas nas extremidadesextremidadesL: Comprimento do objetoL: Comprimento do objeto

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2. Convecção térmica É a propagação de calor com transporte de matéria. Ocorre somente nos líquidos e gases.

Exemplo1: Água no fogo.

A água quente na parte inferior,

menos densa, sobe, enquanto a água fria

na parte superior, mais densa, desce.

Esse movimento de água quente e

água fria, chamado de corrente de

convecção, faz com que a água se

aqueça como um todo.

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Exemplo: Brisa litorânea: De dia, o ar junto à areia se aquece e, por ser menos denso, sobe e é substituído pelo ar frio que estava sobre a água. Assim, forma-se a brisa que sobra do mar para a terra, a brisa marítima.

À noite, o ar junto à água, agora mais aquecido, sobe e é substituído pelo ar frio que estava sobre a areia. Assim, forma-se a brisa que sopra da terra para o mar, a brisa terrestre.

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3. Irradiação térmica É a propagação de calor através de ondas eletromagnéticas, principalmente os raios infravermelhos (chamados de ondas de calor). Ocorre inclusive no vácuo.

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Exemplo1: A estufa de plantas é feita de vidro, que é transparente à energia radiante do Sol e opaco às ondas de calor emitidas pelos objetos dentro da estufa. Assim, o interior da estufa se mantém a uma temperatura maior do que o exterior.

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GARRAFA TÉRMICA:A garrafa térmica tem por finalidade evitar as propagações de

calor. Ela é constituída por uma ampola de vidro com faces espelhadas (as faces espelhadas evitam a irradiação). A ampola tem parede dupla de vidro com vácuo entre elas (o vácuo evita a condução e a convecção). Externamente, uma camada de plástico protege a ampola.

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Quando aumentamos a temperatura de um corpo (sólido ou líquido), aumentamos a agitação das partículas que formam esse corpo. (afastamento entre as partículas) resultando em aumento nas dimensões do corpo (dilatação térmica).

Na construção civil, por exemplo, para prevenir possíveis trincas e rupturas utilizam-se as " folgas", chamadas de juntas de dilatação.

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Dilatação linear (∆l)• a dilatação de apenas uma das suas

dimensões sobre as demais. Ou, ainda, podemos estar interessados em uma única dimensão do sólido. Nesse caso, temos a dilatação Linear ( L ).

• Exemplos: trilho da linha férrea, fio de alta tensão, viga de prédio, etc.

20 20 ooCC 100 100 ooCC

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DILATAÇÃO LINEARL = Lo . . t

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Dilatação superficial (∆s)• A dilatação superficial corresponde à

variação da área de uma placa quando submetida a uma variação de temperatura.

• Exemplos: piso de uma calçada, placa metálica, etc.

• Ocorre também nos objetos circulares (exemplo: anéis).

20 20 ooCC 100 100 ooCC

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DILATAÇÃO SUPERFICIAL

S = So . . t

2 =

S - So = So . 2 . t

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Dilatação volumétrica (∆V)

• a variação de volume, isto é, a dilatação nas três dimensões do sólido (comprimento, largura e altura). Veja o exemplo do quadro abaixo:

• Exemplos: caixa de água de um prédio, caixa de sapato, objetos cilíndricos, etc.

20 20 ooCC 100 100 ooCC 20 20 ooCC100 100 ooCC

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DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

V = Vo . . t

3 =

V - Vo = Vo . 3 . t

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ΔV = ΔVaparente + Δvrecipiente

γ = γap + γrecipiente

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ΔVap = γap.Vi.ΔT

Dilatação irregular

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Quando a água é aquecida de 0oC a 4o C ocorre uma contração. de 4o C a 100o C, a água dilata-se normalmente.

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Então, a 4o C, tem-se o menor volume para a água e, consequentemente, a maior densidade da água no estado líquido.

Observação: A densidade da água no estado sólido ( gelo ) é menor que a densidade da água no estado líquido.

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