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Portal:Formação Intermediária/Física/Calorimetria

Fonte: Wikiversidade

Até o início do século passado, os cientistas explicavam o equilíbrio térmico devido a uma substância chamada calórico.[1][2] Como esta teoria não era satisfatória, os cientistas alteraram o conceito de calórico para o de energia.[2][1]

Proibições da termodinâmica

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  • são proibidas transformações de energia em que nada se dissipe;
  • são proibidos dispositivos que realizem trabalho sem consumo de energia;
  • é proibido o fluxo de energia do corpo mais frio para o mais quente;
  • é impossível alcançar o nível térmico mais baixo do Universo.

Escalas Termométricas

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Para que uma escala termométrica seja criada, convenções arbitrárias são feitas, o que ao longo do tempo criou diversas escalas diferentes. [1] Para eliminar os inconvenientes científicos de tantas escalas, foi internacionalmente convencionado de que a escala Celsius deveria ser usada, e atualmente quase todos os países a usam.[1]

O valor indicado pelo termômetro em 0° equivale à temperatura de congelamento da água à pressão de 1 atm.[1] Em 100º, equivale à temperatura da água em ebulição à pressão de 1 atm.[1]

Conhecida também como escala absoluta, determina que o valor 0 corresponde à temperatura mínima que um corpo pode atingir, equivalente a -273ºC.[1] A variação de 1K equivale à de 1ºC.[1] Assim conclui-se que:

[1]

Equilíbrio térmico

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A temperatura é o grau de agitação das moléculas ou átomos de um corpo.[1]

Lei Zero da Termodinâmica: Se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e este por sua vez está em equilíbrio térmico com um corpo C, logo se deduz que A está em equilíbrio térmico com C.

O calor é a energia que se transfere de um corpo a outro apenas por causa da diferença de temperatura.[1] Também é chamada de energia térmica. Por ser uma forma de energia, é medido em Joules no SI.[1] (1 cal = 4,18 J)[1]

Capacidade térmica

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Normalmente corpos diferentes sofrem variações de temperaturas diferentes, mesmo se receberem uma quantidade de calor idêntica e forem feitos do mesmo material.[1][2] A capacidade térmica define esta diferença na variação através da seguinte fórmula:[1][2]

, onde ΔQ é a quantidade de calor fornecida e Δt é a diferença de temperatura obtida.[1][2]

Calor específico

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Como a capacidade térmica varia de corpo para corpo, dividindo-se esta grandeza pela massa do corpo que está sedo medido, descobre-se o calor específico daquele material.[1]

[1]

Através das fórmulas anteriores pode-se deduzir a quantidade de calor recebida ou emitida por um corpo:[1]

, onde C é a capacidade térmica do corpo e ΔT é a variação de temperatura.[1]
, onde m é a massa do objeto, c é o calor específico da substância, e ΔT é a variação de temperatura.[1]

Transferência de Calor

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A temperatura nem sempre varia quando uma substância perde ou absorve calor: a mudança de fase permite que o calor, ao invés de gerar energia cinética, gere energia potencial.

Calor latente

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Calor latente é a quantidade de energia necessária para certa massa de certa substância mudar de certa fase para outra certa fase sem alterar sua temperatura.[3]

Durante a mudança de fase, é constante a razão entre a quantidade de calor transferida (Q) e a massa (m) de certa substância.[4] Esta constante é o calor latente, e pode ser obtida pela razão: [4]

Fluxo de calor

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  • Fórmulas para cálculo de fluxo de calor:
  • , onde T é o tempo.[5]
  • , onde K é o coeficiente de condutividade térmica, A é a área da superfície da parede, T é a temperatura e é a espessura da parede. T2 é a temperatura maior de um dos lados da parede, e T1, a menor, do outro lado.[5]

É possível também juntar as duas fórmulas, possibilitando o cálculo do fluxo em função do tempo.

  • [6]

Exceto em casos específicos, todos os corpos se dilatam quando sua temperatura aumenta.[1]

Dilatação dos sólidos

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Dilatação linear

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Considerando uma barra de comprimento inicial L0 à temperatura t0, percebe-se que seu comprimento passa a ser L quando a temperatura é elevada para t.[1] Em outras palavras, Δt = t - t0 provocou ΔL = L - L0 no comprimento da barra.[1] Sendo as variações proporcionais aos valores iniciais, consegue-se deduzir que , onde α é o coeficiente de dilatação linear, pois [1]

Dilatação superficial

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, onde β = 2α[1]

Dilatação volumétrica

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, onde γ = 3α[1]

As seguintes leis não valem em quaisquer condições, pois as condições-limite tendem a liquefazer os gases (temperaturas próximas de 0K ou pressões muito altas). Por isto estes limites devem ser desconsiderados no estudo dos gases ideais do ensino médio.

A variação do volume de uma amostra de gás é inversamente proporcional à sua variação de pressão, desde que a temperatura permaneça constante.

Em outras palavras, pV = constante. Logo se deduz que também é válida a seguinte: p0V0=pV.

A temperatura e o volume de uma amostra de gás são diretamente proporcionais, desde que a pressão permaneça constante.

Em outras palavras,

Atenção: A temperatura não é t, é T, pois somente pode ser expressa em kelvin.

Lei geral dos gases perfeitos

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É possível unir as duas leis anteriores e formar uma nova, que permite calcular situações em que variam simultaneamente a pressão, a temperatura e o volume:

, onde T é a temperatura em Kelvin. Pressão e Volume podem ser expressos em qualquer unidade, desde que suas correspondências estejam na mesma.

Desta pode-se concluir que, em uma mesma amostra de gás:

Porém a Lei geral dos gases perfeitos também pode ser expressa de duas outras formas:

  • pV = nRT, onde n é o número de mol e R é a constante universal dos gases perfeitos, que vale 8,31 J/mol
  • pV = NkT, onde N é o número de Avogadro e k é a constante de Boltzmann, que vale 1,38 · 10-23 J/K

Ligações externas

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Referências

  1. 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,17 1,18 1,19 1,20 1,21 1,22 1,23 1,24 1,25 1,26 Física: ensino médio. 1.ed. São PauloScipione, 2011. 400 p. 3 v. v. 2. ISBN 978-85-262-6508-0
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Curso de Física. 6.ed. São PauloScipione, 2007. 335 p. 3 v. v. 2. ISBN 978-85-262-5894-4
  3. Calor Latente. Colégio Web. Página visitada em 11 de agosto de 2011.
  4. 4,0 4,1 Física. 1.ed. São PauloÁtica, 2009. Único v. v. Único. ISBN 978-85-08-10933-3
  5. 5,0 5,1 Fluxo de calor. Colégio Web. Página visitada em 9 de agosto de 2011.
  6. Transferência de calor. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Página visitada em 14 de agosto de 2011. “DQ/Dt = - k(A/L)DT”