TRABALHO DE FÍSICA
Autor: Jhennyfer Lima *-* | Publicado: 2011-06-29T18:19:00-03:00

Transmissão de Calor  Denomina-se transmissão de calor à passagem da energia térmica de um local para outro. Essa transmissão pode ocorrer de três formas diferentes: condução, convecção e radiação.Transmissão de Condução                                                      É o processo de transmissão de calor em que a energia térmita passa de um local para o outro através das partículas do meio que os separa. Na condução, a passagem da energia térmica de uma região para outra se faz da seguinte maneira: na região de maior temperatura, as partículas estão mais energizadas, vibrando com maior intensidade; assim, estas partículas transmitem energia para as partículas vizinhas, menos energizadas, que passa a vibrar com intensidade maior; estas, por sua vez, transmitem energia térmica para as seguintes, e assim sucessivamente.Notemos que, se não existissem as partículas constituintes do meio, não haveria a condução de calor. Portanto:  A condução de calor é um processo que exige a presença de um meio material para a sua realização, não podendo ocorrer no vácuo (local isento de partículas).O calor propaga-se através da parede do forno de uma pizzaria.Transmissão de Convecção  Para ilustrarmos a convecção, imagine uma sala onde ligamos um aquecedor elétrico que está colocado no chão, no centro dessa sala.O ar em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso que o restante. Com isto, ele sobe e o ar frio desce, havendo uma troca de posição do ar quente que sobe com o ar frio que desce. A este movimento de massas de fluido chamamos convecção e as correntes de ar formadas são correntes de convecção.  Na sala, o ar quente (menos denso) sobe, enquanto o ar frio (mais denso) desce.  Portanto. a convecção se constitui de movimentos de massas fluidas. trocando de posição. Notemos que não tem significado falar em convecção no vácuo.Assim, podemos afirmar que a convecção somente ocorre nos fluidos (líquidos, gases e vapores), não podendo ocorrer nos sólidos c no vácuo.A convecção pode ser natural, quando é ocasionada por diferenças de densidade devido à diferença de temperatura entre as massas de fluido, ou forçada, quando é ocasionada por bombas ou ventiladores. Observemos que na convecção não há passagem de energia de um corpo para outro, mas apenas estes é que mudam de posição.  Sendo assim, concluímos que, a rigor, a convecção não é um processo de transmissão de calor, pois não há passagem de energia de um corpo para outro.Exemplos:  I) Aparelho de ar-condicionado e aquecedor elétricoNo verão, o aparelho de ar-condicionado introduz o ar frio nas salas, pela parte superior. Desse modo, devido à sua maior densidade, o ar frio desce, provocando a circulação do ar contido na sala.  O aparelho de ar-condicionado deve ser colocado na parte superior da parede da sala.  No inverno, o ar aquecido pelo aquecedor elétrico deve ser produzido na parte inferior da sala.  Note-se que se fosse feito o contrário, o ar frio (mais denso) continuaria embaixo e o ar quente (menos denso) continuaria em cima, não havendo circulação de ar.  II) Brisas litorâneasÀ beira-mar, a areia, tendo calor específico muito menor que o da água, aquece-se mais rapidamente que a água durante o dia e resfria-se mais rapidamente durante a noite.Sendo assim, temos:DURANTE O DIA: O ar próximo da areia fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da água para a terra. o vento que, durante o dia, sopra do mar para a terra.  Durante o dia, as brisas sopram do mar para a terra.DURANTE A NOITE: O ar próximo da superfície da água resfria-se menos que o restante. Com isso, ele fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da terra para a água. Éo vento que, durante a noite, sopra da terra para o mar.  Durante a noite, as brisas sopram da terra para o marIII) Geladeira domésticaNas geladeiras, o congelador é sempre colocado na parte superior, para que o ar se resfrie na sua presença e desça, dando lugar ao ar mais quente, que sobe.Nas geladeiras domésticas, os alimentos são resfriados pelo ar frio, que desce devido à convecção. As prateleiras são feitas em grades (e não inteiriças) para permitir a convecção do ar dentro da geladeira.Transmissão de Radiação   É o processo de transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro, através do espaço que os separa.Sendo uma transmissão de calor feita por ondas eletromagnéticas, a radiação não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo e também em meios materiais.Entretanto, não são todos os meios materiais que permitem a propagação das ondas de calor através deles.Desta forma, podemos classificar os meios materiais em:— Diatérmicos: São os meios que permitem a propagação das ondas de calor atravésdeles (são os meios transparentes às ondas de calor).Ex.: ar atmosférico.— Atérmicos: São os meios que não permitem a propagação das ondas de calor através deles (são os meios opacos às ondas de calor).  A energia térmica vem do Sol por meio de ondas eletromagnéticas.Como exemplo de radiação, podemos citar a energia solar que recebemos diariamente, a energia emitida por uma lareira que nos aquece no inverno, a energia emitida por uma lâmpada de filamento, cujo efeito sentimos eficazmente quando dela nos aproximamos etc.  Toda energia radiante, transportada por onda de rádio, infravermelha, ultravioleta, luz visível, raios X, raios y etc., pode converter-se em energia térmica por absorção. Entretanto, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor ou radiações caloríficas.Vaso de Dewar - garrafa térmica      O vaso de Dewar ou garrafa térmica é um dispositivo utilizado para manter a temperatura do seu conteúdo inalterada o maior intervalo de tempo possível. Para tanto, as paredes do sistema devem ser adiabáticas, nãopermitindo transmissão de calor com o meio ambiente.Como a energia térmica pode ser trocada por condução, convecção e radiação, foram usados os seguintes artifícios:1) Para evitar a saída ou entrada de calor por condução, o líquido foi envolvido por vácuo. Por isso a garrafa térmica possui parede dupla de vidro (péssimo condutor) entre as quais se faz o vácuo.2) Para evitar a convecção (processo que exige trocas de partículas), deve-se manter sempre bem fechada a tampa da garrafa.3) Para evitar a radiação, as paredes são espelhadas, assim os raios infravermelhos e as demais radiações refletem-se no espelho, retornando ao meio de origem.É bom observar que este sistema não é perfeito; assim, depois de algumas horas, o líquido interno acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente.A estufa  Principalmente em países onde o inverno é muito rigoroso, são usadas estufas para o cultivo de verduras, legumes e flores. A estufa é um local fechado, com paredes e teto de vidro que recebem as radiações solares.  O vidro é transparente à luz visível e praticamente opaco às ondas de calor (raios infravermelhos). Porém, uma pequena parte de raios infravermelhos consegue passar pelo vidro e são os principais responsáveis pelo aquecimento do interior da estufa. Esses raios são absorvidos e depois são emitidos numa forma mais ampla de raios infravermelhos que poderão sair pelo vidro apenas numa pequena parte; o restante volta a ser absorvido pelas plantas.                        Estudo dos gasesTeoria cinética dos gasesCaracterísticas de uma substância no estado gasoso  Não tem forma e nem volume próprios. Um gás tem a forma do recipiente onde está contido e ocupa todo o espaço limitado pelas paredes do recipiente. O volume de um gás é o volume do recipiente onde está contido.  Modelo do estado gasoso (teoria cinética dos gases)  Um gás é constituído por moléculas isoladas, separadas umas das outras por grandes espaços vazios em relação ao seu tamanho e em contínuo movimento de translação, rotação e vibração.  Gás idealGás ideal ou gás perfeito  É um modelo teórico. É um gás que obedece às equações p·V/T = k e p·V = n·R·T, com exatidão matemática.Na prática, temos gases reais. Um gás real tende para o gás ideal quando a pressão tende a zero e a temperatura se eleva.                               Leis dos gasesLei de Boyle e lei de Charles e Gay-Lussac  Lei de Boyle  A temperatura constante, o volume ocupado por uma quantidade fixa de um gás é inversamente proporcional à sua pressão.P·V = k = constante  Lei de Charles e Gay-Lussac  A volume constante, a pressão de uma massa fixa de um gás varia linearmente com a temperatura do gás em graus Celsius.  A pressão constante, o volume de uma massa fixa de um gás varia linearmente com a temperatura do gás em graus Celsius.  Com a introdução da escala absoluta, as leis de Charles e Gay-Lussac foram assim enunciadas:A      volume constante, a pressão de uma massa fixa de gás é diretamente      proporcional à temperatura absoluta do gás.  A      pressão constante, o volume de uma massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta do gás.   Transformações GasosasAs transformações gasosas podem ser de três tipos: isotérmica, isobárica e isocórica (ou isovolumétrica).  IsotérmicaÀ temperatura constante, uma massa fixa de um gás tem o seu volume inversamente proporcional à pressão exercida. Portanto aumentando-se apressão sobre esse gás haverá diminuição do volume que ele ocupa, assim o produto entre a pressão e o volume de um gás é constante.Essa relação é também conhecida como Lei de Boyle.        <!--[if gte mso 9]>     <![endif]-->  IsobáricaNuma 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.IsovolumétricaUma 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. Portanto o quociente entre a pressão e a temperatura de um gás é constante.Essa relação é conhecida como a Lei de Gay-Lussac.        <!--[if gte mso 9]>     <![endif]-->                           Equação Geral dos GasesAo relacionar as três transformações gasosas obtemos a equação geral dos gasesPodemos estabelecer uma equação mais geral, conhecida como equação de estadodos gases perfeitos ou ideais:       onde:  P = pressão do gásV = volume do gás  n = quantidade de molsT = temperatura absoluta (Kelvin)R = constante universal dos gasesEssa equação também é conhecida como equação de Clapeyron, onde R é a constante de proporcionalidade dos gases perfeitos. Os valores de R estão relacionados às unidades empregadas para indicar as outras grandezas. Os três valores de R mais utilizados são: (2)  R= 0,082 atm . L . mol-1 . K-1R= 62,3 mmHg . L . mol-1 . K-1R= 8,31 KPa . L . mol-1 . K-1               1ª Lei da TermodinâmicaA primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia  e, apesar de serestudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho.Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:  1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.                                                                          ΔU= Q – tAssim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por ele realizado durante uma transformação.  Aplicando a lei de conservação da energia, temos:  ΔU= Q – t à Q = ΔU + t  * Q à Quantidade de calor trocado com o meio:Q &gt; 0 à o sistema recebe calor;Q &lt; 0 à o sistema perde calor.* ΔU à Variação da energia interna do gás:ΔU &gt; 0 à a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;                                                         ΔU &lt; 0 à a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.* t à Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:t &gt; 0 à o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;t &lt; 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.                2ª Lei da TermodinâmicaDentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas.A segunda lei da termodinâmica envolve o funcionamento das máquinas térmicas, ou seja, situações em que o calor é transformado em outras formas de energia.    O estudo das máquinas térmicas deixou os físicos bastante intrigados com situações que não ocorriam de maneira esperada, mesmo não violando a Lei da conservação de Energia.Uma dessas situações que não ocorriam era a passagem espontânea de calor de um corpo frio para um corpo quente, o que sempre ocorre é o inverso, passagem espontânea de calor de um corpo quente para um corpo frio. Alguém poderia citar o refrigerador como a passagem de calor da região fria para uma região quente, mas não é espontâneo, para que ocorra é necessária à utilização de um motor que realizeo trabalho.A outra situação que não ocorre é a transformação integral de calor em trabalho. As máquinas térmicas trabalham utilizando duas fontes de temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é enviada a fonte fria. Não é possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho.  Foram essas duas situação também chamadas de proibições que deram origem a segunda lei da termodinâmica:  O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio, o inverso só ocorre com a realização de trabalho e nenhuma máquina térmica que opera em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transforma-lo integralmente em trabalho.Fazendo uma comparação entre a primeira e a segunda lei da termodinâmica, podemos dizer que 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.Dois enunciados, aparentemente diferentes ilustram a 2ª Lei da Termodinâmica, os enunciados de Clausius e Kelvin-Planck:Enunciado      de Clausius:   O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.  Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.    Enunciado      de Kelvin-Planck:   É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo.     Maquinas térmicas  As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época.  Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utilizando duas fontes térmicas, faz com que a energia térmica se converta em energia mecânica (trabalho).Assim é válido que:A fonte térmica fornece uma quantidade de calor     que no dispositivo transforma-se em trabalho   mais uma quantidade de calor que não é capaz de ser utilizado como trabalho    .Utiliza-se o valor absolutos das quantidade de calor pois, em uma máquina que tem como objetivo o resfriamento, por exemplo, estes valores serão negativos.Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja um trabalho externo, assim:Trabalho dos gases  No estudo da termodinâmica temos que, para um determinado gás, podemos calcular o trabalho da força exercida por ele. Para isso, vamos imaginar um vaso com um êmbolo móvel na parte superior (uma seringa, por exemplo), de forma que este possa se mover sempre que necessário, conforme a figura a seguir:                                                      Quando aplicamos uma força F sobre o embolo esta pode ser expressa pela equação F = P . A, onde P é a pressão exercida sobre a área de contato (A). Sobre o trabalho de uma força, sabemos que ele é descrito pelo produto entre a força e a variação do espaço promovida pelo mesmo, logo temos que, Porém temos quePortanto:            Podemos também, calcular o trabalho através da área do gráfico expresso no plano P x Δv, conforme a figura ao lado.