Física
Autor: Beatriz Lopes | Publicado: 2011-06-28T15:32:00-03:00

Alunos: Beatriz Lopes n° 09 - Hugo n° 17 - Inaiara n° 18 - Marco n° 30 2° ATRANSMISSÃO DE CALOR  Denomina-se transmissão de calor à passagem da energia térmica de um local para outro.São três as formas de transmissão de calor,são elas:CONDUÇÃO,CONVECÇÃO E RADIAÇÃO.  <!--[if gte vml 1]>                                                  <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->  TRANSMISSÃO DE DE CALOR POR COONDUÇÃO  Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato,as moléculas do corpo mais quente,colidindo com as moléculas do corpo mais frio,transferem energia para este.Esse processo de transferência de calor é chamado de condução.  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).  <!--[if gte vml 1]>                         <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->O primeiro fazer um estudo detalhado da transmissão de calor por condução foi o físico e matemático francês Joseph Fourier.Experimentalmente ele obteve uma formula.Consideramos uma placa feita em um único material,cuja espessura e L e cuja área e A.Suponhamos que as faces da placa sejam mantidas em temperaturas constantes T1 e T2.  <!--[if gte vml 1]>     <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->Sendo T o calor transmitido de uma face a outra,num intervalo de tempo (      t ),o fluxo de calor ( o ) é definido por:  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->                                                             o= Q/    t  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->No SI(Sistema Internacional),a unidade do fluxo de calor e J/s,que é equivalente a watt(W);isto é,a unidade do fluxo de calor é igual á unidade de potência.Os experimentos de Fourier mostraram que;  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->                                                             o= Q /    t =k.A(T2 – T1)/ L  Onde k é uma constante que depende do material e é denominada CONDUTIVIDADE TERMICA do material. Da equação anterior tiramos:  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->                                                            k = QL/(     t) .A. (T2 – T1)  Assim, no SI teremos:  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->                                     Unidade de k = J.m/s.m².K = J /s.m.K =J/s. 1/m.K =W/m.K                                                                                                                W  Podemos também expressar o calor em calorias  e a diferença de temperatura em °C.Assim:                                     Unidade de k = cal/s.m.°C = cal/s.m.°C  Temos uma tabela em que mostram alguns valores de k.Podemos verificar que a condutividade dos metais são bem maiores que as de outros matérias.Por isso dizemos que o metais são bons condutores,enquanto os matérias que têm pequenas condutividades são chamados isolantes.                                     CONDUTIVIDADES TÉRMICAS      Material                                                                       Condutividade Térmica (W/m.k)          Prata          420             Alumínio         200                              Gelo         2             Água         0,6             Madeira         0,8 a 0,16             Lã         0,04             Ar         0,023             Isopor         0,01            Exemplo:Se colocamos uma extremidade de uma barra metálica sobre uma chama e seguramos na outra extremidade,notamos que esta se torna cada vez mais  quente, apesar de não estar em contato direto com o fogo. Dizemos que o calor atingiu a extremidade mais fria da barra por condução através do material que a constitui. As moléculas da extremidade quente da barra aumentam a amplitude de sua vibração à medida que a temperatura aumenta.Verificam-se então colisões dessas moléculas com as suas vizinhas, menos próximas da extremidade mais quente, e que se movem mais lentamente: assim,  parte da energia das moléculas da extremidade mais quente é absorvida pelas vizinhas, e o processo se repete progressivamente. Desse modo, a energia térmica se propaga de uma molécula para a seguinte,sem que se desloquem as moléculas de sua posição inicial.É fato conhecido serem os metais bons condutores de calor e eletricidade.                                                                                               Exercício resolvido:  Em uma residência há uma vidraça de área A=5m² e espessura L=2 mm .Suponhamos que a temperatura no interior da residência seja 20°C e no exterior seja 18°C.Supondo que a condutividade térmica do vidro seja k= 0,84 J/s.m.°C,calcule o fluxo de calor através da vidraça.  L=2 mm =2. 0,001 m ; T1=20°C ; T2=18°C  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->                               o = k . A .( T2 – T1) /  L = (0,84).5.(20-18) / 2. 0,001 = 4200  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->                             o=Q /    t = 4200J/s = 4200 W  Portanto, a cada segundo.passa pela vidraça uma quantidade de calor Q=4200J.  T=Temperatura em K ou °C  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->o=Fluxo de calor em  J/s  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->Q= Quantidade de calor em  J      t =Diferença de temperatura   J=Joules   W=watt  k=Constante denominada condutividade térmica  A=Área em m²  L=Comprimento em m  m=Metro  s=Segundo  K=Kelvin   Cal=Caloria  °C=Grau Celsius    TRANSMISSÃO DE CALOR POR CONVECÇÃO  Trata-se da transmissão de calor que ocorre entre um corpo sólido e um fluido em movimento, podendo o corpo fluído ser líquido ou gasoso. A convecção pode ser natural ou forçada. Diz-se que a convecção é natural quando o movimento do fluído ocorre unicamente devido a variações de seu peso específico (densidade). Na convecção forçada o movimento do fluído é provocado por uma bomba, no caso de um líquido, ou por um ventilador, no caso de um fluido gasoso.  Exemplos:  I) Aparelho de ar-condicionado e aquecedor elétrico  No 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 litorâneas  À 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 mar  III) Geladeira doméstica  Nas 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 CALOR POR 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).  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 sentiu 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.  ESTUDO DOS GASES E LEI DOS GASES  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.Para uma mesma massa gasosa podemos afirmar que existe uma constante diretamente proporcional à pressão e volume do gás, e inversamente proporcional à sua temperatura,que é:                 <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->                                                    Podemos estabelecer uma equação mais geral,conhecida como equação de estado dos gases perfeitos ou ideais:                                      <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->  onde:  P=Pressão do gás em atm ou mmHg  V=Volume do gás em litros   n=quantidade de mols  T=Temperatura em K(Kelvin)  R=constante universal dos gases     Exemplo:Muitas vidas têm sido salvas nos últimos anos devido a um dispositivo colocado no interior dos painéis dos carros,o airbag.Seu funcionamento ocorre da seguinte maneira:quando um veículo desacelera abruptamente em uma colisão,uma bolsa(saco)se enche instantaneamente de gás a frente dos passageiros,protegendo-os.A substancia usada para esse fim é o azoteto ou azida de sódio(NaN3),que no caso de uma colisão e detonada Poe eletricidade,liberando rapidamente grande quantidade de gás nitrogênio(N2).Calcule.A quantidade de matéria de nitrogênio gasoso necessária para inflar o airbag,sabendo-se que seu volume é de 50 litros em uma região onde a pressão atmosférica é igual a 725 mm de Hg e a temperatura é de 22°C.   T(K)=22 + 273=295K  P.V=n.R.T  Como queremos a qunatidade de matéria:n=P.V/R.T  n= 725.50/62,3.295  n= 2mol             Processos gasosos particulares  São três os processos gasosos particulares:TRANSFORMAÇÃO ISOTERMICA, TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA E TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA     Transformação Isotérmica  Também chamado processo isotérmico. Afirma que, a temperatura e quantidade de matéria constante, o volume de um gás é inversamente proporcional à sua pressão:  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->     Exemplo:Um balão meteorológico com volume de 100L é lançado de uma cidade cuja temperatura é de 25°C e a pressão atmosférica local e igual a 1 atm.Qual será seu volume quando for resgatado em uma cidade com pressão atmosférica de 720 mmHg nessa mesma temperatura?Dados 1 atm =760mmHg.  1 atm _______________760 mmHg  X        ________________720 mmHg  X=0,95 atm  P1.V1=P2.V2    1 atm .100L = V2 . 0,95 atm  V2=105,3 L  Encontramos como volume final 105,3,justificando a lei de Boyle:diminuindo a pressão,aumentamos o volume em dada temperatura.      Transformação isobárica  A transformação isobárica é uma transformação gasosa em que a pressão do gás permanece constante e, a temperatura e o volume variam. Nas transformações isobáricas utilizamos a Lei de Gay-Lussac:  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->     Exemplo:Enche-se um balão com 5 mil litros de ar a temperatura de 27°C.Qual o volume final da massa gasosa no balão depois de aquecemos com um maçarico,sendo que a temperatura final e igual a 500K?  T(K)=27°C + 273  T(K)=300 K  V1/T1=V2/T2  5000/300=V2/500  V2= 8,33 .10³L     Transformação isovolumétrica      A transformação isovolumétrica, também conhecida como isométrica ou isocórica, é a transformação gasosa onde o volume do gás é constante e, a pressão e a temperatura variam. Nas transformações isovolumétricas utilizamos a Lei de Charles:   <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->     Exemplo:Um frasco rígido,contendo um gás a 27°C e certa pressão,foi resfriado ate a pressão ficar 2/3 da inicial.Qual a temperatura final do gás?  Frasco rígido=volume não varia  T(K)=27°C +273=300K  P1/T1=P2/T2  P1/300=2/3P1/T2  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->P1/300=2/3P1/T2  1/300=2/3 /T2  T2=300.2/3  T2 =200k           Lei de Avogadro  Amedeo Avogadro em 1811 e complementava as de Boyle, Charles e Gay-Lussac. Assegura que num processo a pressão e temperatura constante (isobárico e isotérmico), o volume de qualquer gás é proporcional ao número de moles presente, de tal modo que:  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->  Esta equação é válida incluindo para gases ideais distintos. Uma forma alternativa de enunciar esta lei é: sim, pois e equivalente a massa molar chamada de mol.  O volume que ocupa uma mol de qualquer gás ideal a uma temperatura e pressão dadas é sempre a mesma.  Uma mol de qualquer gás ideal a uma temperatura de 0 °C (=273,15 K) e uma pressão de 1013,25 hPa ocupa um volume de exactamente 22,4 litros.               Transformações         Volume         Pressão         Temperatura             Isotérmica         varia         varia         constante             Isobárica         varia         constante         varia             Isovolumétrica         constante         varia         varia                   TERMODINÂMICA  Durante o século XIX que o calor foi reconhecido como uma forma de energia e que foi estabelecido o Princípio da Conservação de Energia.Nessa época,então,passou-se a usar a palavra TERMODINÂMICA para designar o estudo das transformações do calor em trabalho e do trabalho em calor.Hoje,TERMODINÂMICA designa todo o estudo da termologia.  PRIMEIRA 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.   Durante a década de 1790, vários físicos entre os quais se encontravam Joule, Helmholtz e Meyer, foram desenvolvendo esta lei. No entanto, foram primeiro Clausius em 1790 e Thomson (Lord Kelvin) um ano depois quem escreveram os primeiros enunciados formais.   Consideramos um sistema qualquer formado por um ou mais corpos.Quando forneçamos ao sistema uma quantidade de energia Q,essa energia pode ser usada de dois modos:  &gt;Uma parte da energia poderá ser usada para o sistema realizar um trabalho(T),expandindo-se (T&gt;0)ou contraindo-se (T&lt;0).Eventualmente pode acontecer de o sistema não alterar seu volume;assim o trabalho será nulo.  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->&gt;A outra parte da energia será absorvida pelo sistema,transformando-se em energia interna.Dito de outro modo:essa outra parte da energia é igual á variação da energia (     U)do sistema.Eventualmente pode            acontecer    U=0;significa que,nesse caso,todo calor Q foi usado para realização do trabalho.Assim temos:  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->        Q=T +     U     ou          U=Q – T  A equação traduz a primeira lei da termodinâmica.  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->A primeira lei vale para qualquer sistema.Quando usarmos a esta equação,devemos tomar cuidado com os sinais de Q e T.Como  já vimos anteriormente,se o gás se expandis,isto é,aumentar de volume,o trabalho será positivo.Se o gás for comprimido(diminuindo o volume),o trabalho será negativo(nessa caso é o meio exterior que realiza o trabalho positivo).  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->        V aumenta         V &gt; 0      T &gt; 0  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->        V diminui           V &lt; 0     T &lt; 0  Para o calor a convecção:  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->         Sistema recebe calor     Q&gt;0  <!--[if gte vml 1]>   <![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->         Sistema perde calor      Q&lt;0  Exemplo:Um gás é comprimido por um agente externo,ao mesmo tempo que recebe um calor de 400J de uma chama.Sabendo que o trabalho do agente externo foi 700J,vamos calcular a variação da energia interna do gás.  O gás recebeu calor.Portanto,Q&gt;0                  Q=+400J  O agente externo realizou trabalho positivo,mas o gás realizou trabalho negativo,pois o volume diminuiu:                  T=-700J  Considerando o primeira lei da termodinâmica:  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->            U =Q – T = 400J - (-700J)=400J + 700J = 1100 J  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->O fato de     U ser positivo significa que a energia interna aumentou(uma quantidade igual a 1100J).  <!--[if gte vml 1]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->T=Trabalho      U =Variação da energia do sistema  Q=Quantidade de energia  J=Joules   SEGNDA 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 termodinamicamente tende 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.  Num sentido geral, a segunda lei da termodinâmica afirma que as diferenças entre sistemas em contato tendem a igualar-se. As diferenças de pressão, densidade e, particularmente, as diferenças de temperatura tendem a equalizar-se. Isto significa que um sistema isolado chegará a alcançar uma temperatura uniforme. Uma máquina térmica é aquela que provêm de trabalho eficaz graças à diferença de temperatura de dois corpos. Dado que qualquer máquina termodinâmica requer uma diferença de temperatura, se deriva pois que nenhum trabalho útil pode extrair-se de um sistema isolado em equilíbrio térmico, isto é, requerirá de alimentação de energia do exterior. A segunda lei se usa normalmente como a razão por a qual não se pode criar uma máquina de movimento perpétuo (moto contínuo).  A segunda lei da termodinâmica tem sido expressada de muitas maneiras diferentes. Sucintamente, se pode expressar assim:  <!--[if !supportLists]-->§                     <!--[endif]-->É impossível construir um dispositivo que opere, segundo um ciclo, e que não produza outros efeitos, além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente.   Em outras palavras:  É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem intervenção do meio exterior, consiga transferir calor de um corpo para outro de temperatura mais elevada  Enunciado de Clausius.  Deste enunciado, pode-se estabelecer a impossibilidade do "refrigerador ideal". Assim, todo aparato refrigerador, para retirar calor de um ambiente, produzirá mais calor externamente.  <!--[if !supportLists]-->§         <!--[endif]-->É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e troca de calor com um único reservatório térmico.   Em outras palavras:  É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem intervenção do meio exterior, consiga transformar integralmente em trabalho o calor absorvido de uma fonte a uma dada temperatura uniforme.  Enunciado de Kelvin - Planck.