Trabalho de Física
Autor: Vivian | Publicado: 2011-06-28T13:58:00-07:00

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.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 através deles (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.ESTUDOS 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:  po Vo/To=pV/TOnde 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 = PVA 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.  Lei de Gay-Lussac A lei de Gay-Lussac é a lei que rege as transformações de um gás perfeito à pressão constante. Essa lei, apesar de levar o nome de Gay-Lussac, já havia sido descoberta pelo físico e químico A.C. Charles. Segundo a lei, quando um gás sofre uma transformação isobárica o volume do gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. Matematicamente essa lei pode ser expressa da seguinte forma:Vo/To=V/TOnde Vo e To correspondem respectivamente ao volume inicial e à temperatura inicial.  TRANSFORMAÇÕES GASOSAS  Quando se estuda a dilatação dos sólidos e líquidos, não se faz referência sobre a influência que a pressão tem sobre esse acontecimento. Isto acontece porque somente grandes variações da pressão podem influenciar sensivelmente na dilatação dos corpos sólidos e líquidos. Assim, despreza-se a influência da pressão. No entanto, quando do estudo das transformações gasosas essa grandeza física tem grande influência e, dessa maneira, não podemos desprezar sua atuação sobre as transformações dos gases, as quais são: transformação isobárica, transformação isométrica e transformação isotérmica. Além da pressão, duas outras grandezas físicas são muito importantes no decorrer do estudo das transformações gasosas: a temperatura e o volume do gás.Transformação Isobárica Nessa transformação, a pressão é mantida constante e o volume ocupado pelo gás varia proporcionalmente à temperatura absoluta do mesmo. Essa é conhecida como Lei de Gay-Lussac e matematicamente pode ser escrita da seguinte forma:V/T=ConstanteTransformação Isotérmica  Nessa transformação, a pressão exercida pelo gás é inversamente proporcional ao volume que ele ocupa. Essa definição ficou conhecida como a Lei de Boyle e matematicamente pode ser escrita da seguinte maneira:  p.V = ConstanteTransformação Isométrica Também chamada de transformação isovolumétrica e transformação isocórica, essa é a transformação em que a pressão exercida pelo gás varia diretamente proporcional ao volume ocupado pelo mesmo. Essa definição ficou conhecida como Lei de Charles e pode ser escrita através da seguinte fórmula matemática:p/T=Constante-TermodinâmicaEnergia Interna       As partículas de um sistema têm vários tipos de energia, e a soma de todas elas é o que chamamos Energia 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:        U=3/2.n.R.T              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:                                  p.V=n.R.T                                  U=3/2.n.R.T                                  2/3U=n.R.T                                  2/3U=p.V                                  U=3/2p.V    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, permenescendo 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).               Com esta verificação é possível encontrar o trabalho realizado por um gás com pressão variável durante sua tranformação, que é calculado usando esta conclusão, através de um método de nível acadêmico de cálculo integral, que consiste em uma aproximação dividindo toda a área sob o gráfico em pequenos retângulos e trapézios.                                                                                           1ª Lei da Termodinâmica               Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.       Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:       Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente: de calor, esta poderá realizar um trabalho               Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).       Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:                                        Calor             Trabalho             Energia Interna             Q//ΔU                                   Recebe             Realiza             Aumenta             &gt;0                                   Cede             Recebe             Diminui             &lt;0                                   não troca             não realiza e nem recebe             não varia             =0                                          Exemplo:       (1) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?              2ª Lei da Termodinâmica       Dentre 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.       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).              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        Assim é válido que:              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:       Alunos:Marco Antônio,Vivian F.,Laercio.