Professor :WagnerSerie : 2ºA

Transmissão de Calor Em certas situações, mesmo não havendo o contato

físico entre os corpos, é possível sentir que algo está mais quente. Como quando chega-se perto do fogo de uma lareira. Assim, concluímos que de alguma forma o calor emana desses corpos "mais quentes" podendo se propagar de diversas maneiras.

Como já vimos anteriormente, o fluxo de calor acontece no sentido da maior para a menor temperatura.

Este trânsito de energia térmica pode acontecer pelas seguintes maneiras:

condução; convecção; irradiação.

Fluxo de Calor

Para que um corpo seja aquecido, normalmente, usa-se uma fonte térmica de potência constante, ou seja, uma fonte capaz de fornecer uma quantidade de calor por unidade de tempo.

Definimos fluxo de calor (Φ) que a fonte fornece de maneira constante como o quociente entre a quantidade de calor (Q) e o intervalo de tempo de exposição (Δt):

Sendo a unidade adotada para fluxo de calor, no sistema internacional, o Watt (W), que corresponde a Joule por segundo, embora também sejam muito usada a unidade caloria/segundo (cal/s) e seus múltiplos: caloria/minuto (cal/min) e quilocaloria/segundo (kcal/s).

Condução Térmica É a situação em que o calor se propaga através de um "condutor".

Ou seja, apesar de não estar em contato direto com a fonte de calor um corpo pode ser modificar sua energia térmica se houver condução de calor por outro corpo, ou por outra parte do mesmo corpo.

Por exemplo, enquanto cozinha-se algo, se deixarmos uma colher encostada na panela, que está sobre o fogo, depois de um tempo ela esquentará também.

Este fenômeno acontece, pois, ao aquecermos a panela, suas moléculas começam a agitar-se mais, como a panela está em contato com a colher, as moléculas em agitação maior provocam uma agitação nas moléculas da colher, causando aumento de sua energia térmica, logo, o aquecimento dela.

Também é por este motivo que, apesar de apenas a parte inferior da panela estar diretamente em contato com o fogo, sua parte superior também esquenta.

Convecção Térmica A convecção consiste no movimento dos fluidos, e é o

princípio fundamental da compreensão do vento, por exemplo.

O ar que está nas planícies é aquecido pelo sol e pelo solo, assim ficando mais leve e subindo. Então as massas de ar que estão nas montanhas, e que está mais frio que o das planícies, toma o lugar vago pelo ar aquecido, e a massa aquecida se desloca até os lugares mais altos, onde resfriam. Estes movimentos causam, entre outros fenômenos naturais, o vento.

Formalmente, convecção é o fenômeno no qual o calor se propaga por meio do movimento de massas fluidas de densidades diferentes. 

Irradiação Térmica É a propagação de energia térmica que não necessita

de um meio material para acontecer, pois o calor se propaga através de ondas eletromagnéticas.

Imagine um forno microondas. Este aparelho aquece os alimentos sem haver contato com eles, e ao contrário do forno à gás, não é necessário que ele aqueça o ar. Enquanto o alimento é aquecido há uma emissão de microondas que fazem sua energia térmica aumentar, aumentando a temperatura.

O corpo que emite a energia radiante é chamado emissor ou radiador e o corpo que recebe, o receptor.

Estudo dos gases

Gás e Vapor 

A diferença entre gás e vapor é dada a partir da temperatura crítica. O vapor é a matéria no estado gasoso, estado esse que pode ser liquefeito com o aumento da pressão. Com o gás não ocorre o mesmo. Ele é um fluido impossível de ser liquefeito com um simples aumento de pressão. Isso faz com o gás seja diferente do vapor. 

Comportamento dos Gases 

Uma determinada substância no estado gasoso é um gás se a sua temperatura for superior à temperatura crítica, se a temperatura for igual ou inferior à temperatura crítica a substância é vapor. 

Os gases reais que normalmente conhecemos como, por exemplo, o hélio, o nitrogênio e o oxigênio, apresentam características moleculares diferentes e particulares de cada um. Contudo, se colocarmos todos eles a altas temperaturas e baixas pressões eles passam a apresentar comportamentos muito semelhantes. No estudo dos gases adota-se um modelo teórico, simples e que na prática não existe, com comportamento aproximado ao dos gases reais. Essa aproximação é cada vez melhor quanto menor for a pressão e maior a temperatura. Esse modelo de gás é denominado de gás perfeito. 

Por volta do século XVII e XIX, três cientistas (Jacques Charles, Louis J. Gay-Lussac e Paul E. Clayperon), após estudarem o comportamento dos gases, elaboraboraram leis que regem o comportamento dos gases perfeitos, também chamados de gases ideais. As leis por eles determinadas estabelecem as regras do comportamento “externo” do gás perfeito, levando em conta apenas as grandezas físicas que estão associadas a eles, grandezas essas que são: volume, temperatura e pressão.

Lei geral dos gases perfeitos

A expressão que determina a lei geral para os gases perfeitos pode ser vista da seguinte forma:

Onde po, Vo e To são respectivamente a pressão inicial, volume inicial e temperatura inicial. Essa é uma expressão que é utilizada para quando as variáveis de um gás apresentar variações. 

Lei de Boyle 

Robert Boyle, físico e químico, foi quem determinou a lei que rege as transformações sofridas por um gás, quando sua temperatura é mantida constante. Sua lei diz que quando um gás sofre uma transformação isotérmica, a pressão dele é inversamente proporcional ao volume ocupado. Dessa lei obtemos que como To = T temos que:

poVo = pV

Lei de Charles  A lei de Charles é a lei que rege as transformações de

um gás perfeito a volume constante. Essas transformações são chamadas de transformações isocóricas ou isométricas. Segundo essa lei, quando uma massa de gás perfeito sofre transformação isocórica, a sua pressão é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. Matematicamente essa lei pode ser expressa da seguinte forma:

Onde po e To são respectivamente a pressão inicial e a temperatura inicial.

Transformações Gasosas

As transformações gasosas podem ser de três tipos: isotérmica, isobárica e isocórica (ou isovolumétrica).

Isotérmica

 À temperatura constante, uma massa fixa de um gás tem o seu volume inversamente proporcional à pressão exercida. Portanto aumentando-se a pressão sobre esse gás haverá diminuição do volume que ele ocupa, assim o produto entre a pressão e o volume de um gás é constante

também conhecida como Lei de Boyle.

Isobárica

Numa quantidade fixa de um gás à pressão constante, o volume ocupado por essa massa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta, a qual se for aumentada acarreta também um aumento no volume ocupado. Assim, a relação entre o volume e a temperatura do gás é constante

Essa relação é conhecida como a Lei de Charles.

Isovolumétrica

Uma determinada massa de um gás a volume constante tem sua pressão aumentada com o aumento da temperatura, o que nos faz concluir que a pressão exercida pelo gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta. 

    Essa relação é conhecida como a Lei de Gay-Lussac.

Gráficos - Transformações Gasosas

Equações Gasosas O estado gasoso é o estado fluido da matéria, para estudar esse

estado físico precisamos levar em consideração as seguintes

grandezas: temperatura (T), pressão (P), volume (V).  Transformação isobárica:

V =  k T

V1 = V2 T1      T2

P =  K T 

P1 = P2 T1 T2

PV=K.

Transformação isotérmica :

P1V1 = P2V2

1º Lei da Termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica é a lei de conservação da energia. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor. Esta lei enuncia que a energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna.

A expressão matemática que traduz esta lei para um sistema não-isolado é:

onde Q representa troca de calor, W a realização de trabalho (sendo respectivamente positivos quando o sistema recebe calor ou nele é realizado trabalho, negativos do contrário) e R a emissão ou absorção de radiação. Podemos simplificar dizendo que existe uma função U (energia interna) cuja variação durante uma transformação depende unicamente de dois estados, o inicial e o final. Num sistema fechado a indicação desta variação é dada como:  

2° Lei da Termodinâmica A segunda lei da termodinâmica ou segundo princípio

da termodinâmica expressa, de uma forma concisa, que "A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado termodinamicamentetende a incrementar-se com o tempo, até alcançar um valor máximo". Mais sensivelmente, quando uma parte de um sistema fechado interage com outra parte, a energia tende a dividir-se por igual, até que o sistema alcance um equilíbrio térmico.

Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.

Energia Interna

As partículas de um sistema têm vários tipos de energia, e a soma de todas elas é o que chamamosEnergia interna de um sistema.

Para que este somatório seja calculado, são consideradas as energias cinéticas de agitação , potencial de agregação, de ligação e nuclear entre as partículas.

Nem todas estas energias consideradas são térmicas. Ao ser fornecida a um corpo energia térmica, provoca-se uma variação na energia interna deste corpo. Esta variação é no que se baseiam os princípios da termodinâmica.

Se o sistema em que a energia interna está sofrendo variação for um gás perfeito, a energia interna será resumida na energia de translação de suas partículas, sendo calculada através da Lei de Joule:

     Onde:U: energia interna do gás;n: número de mol do gás;

R: constante universal dos gases perfeitos;T: temperatura absoluta (kelvin).

Como, para determinada massa de gás, n e R são constantes, a variação da energia interna dependerá da variação da temperatura absoluta do gás, ou seja :

*Quando houver aumento da temperatura absoluta ocorrerá uma variação positiva da energia interna .

*Quando houver diminuição da temperatura absoluta, há uma variação negativa de energia interna .

*E quando não houver variação na temperatura do gás, a variação da energia interna será igual a zero .

Conhecendo a equação de Clepeyron, é possível compará-la a equação descrita na Lei de Joule, e assim obteremos:

Trabalho de um gás

Considere um gás de massa m contido em um cilindro com área de base A, provido de um êmbolo. Ao ser fornecida uma quantidade de calor Q ao sistema, este sofrerá uma expansão, sob pressão constante, como é garantido pela Lei de Gay-Lussac, e o êmbolo será deslocado.

Assim como para os sistemas mecânicos, o trabalho do sistema será dado pelo produto da força aplicada no êmbolo com o deslocamento do êmbolo no cilindro:

Assim, o trabalho realizado por um sistema, em uma tranformação com pressão constante, é dado pelo produto entre a pressão e a variação do volume do gás.

Quando :

o volume aumenta no sistema, o trabalho é positivo, ou seja, é realizado sobre o meio em que se encontra (como por exemplo empurrando o êmbolo contra seu próprio peso);

o volume diminui no sistema, o trabalho é negativo, ou seja, é necessário que o sistema receba um trabalho do meio externo;

o volume não é alterado, não há realização de trabalho pelo sistema.

Exemplo :

(1) Um gás ideal de volume 12m³ sofre uma transformação, permanecendo sob pressão constante igual a 250Pa. Qual é o volume do gás quando o trabalho realizado por ele for 2kJ?

Diagrama p x V

É possível representar a tranformação isobárica de um gás através de

um diagrama pressão por volume:

Comparando o diagrama à expressão do cálculo do trabalho realizado por um gás   , é possível verificar que o trabalho realizado é numericamente igual à area sob a curva do gráfico (em azul na figura).

Bibliografia http://physicalpink.blogspot.com/2010/03/graficos-transformacoes-gasosas.html

http://www.uenf.br/uenf/centros/cct/qambiental/ga_transformacoes.html http://pt.wikipedia.org/wiki/Primeira_lei_da_termodin%C3%A2mica http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/energiainterna.

php http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/trabalho.

php http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Calorimetria/transm.php http://www.brasilescola.com/fisica/estudo-dos-gases.htm

Alunos : Nº:

Alice Sena 03 Allan Augusto 04 Beatriz Rocha 10 Isabella Cristina 19