quarta-feira, 29 de setembro de 2010
O comportamento térmico dos gases
1. VARIÁVEIS DE ESTADO
Todo gás é constituído de partículas (moléculas, átomos ou íons) que estão em contínuo movimento desordenado, por isso ocupa sempre o volume total do recipiente que o contém. A pressão que o gás exerce sobre uma superfície é o efeito causado pelos choques das partículas constituintes sobre essa superfície. Com o aumento da temperatura, a velocidade média das partículas constituintes do gás aumenta; a pressão aumenta se o recipiente que contém o gás conserva o mesmo volume. Sejam P (Pa), V (m3) e T (K), respectivamente, a pressão, o volume e a temperatura absoluta. As variáveis P, V e T especificam o estado de uma dada massa gasosa; por isso são denominadas variáveis de estado.
2. TRANSFORMAÇÕES DOS GASES
Uma dada massa sofre uma transformação gasosa quando passa a um novo estado, isto é, quando ocorrem variações nas grandezas P, V e T. Há transformações mais simples, onde uma das grandezas é fixa, modificando-se apenas as outras duas. Transformação isotérmica é aquela na qual a temperatura do gás é mantida constante.
Transformação isobárica é aquela na qual a pressão do gás é mantida constante.
Transformação isométrica ou isocórica é aquela na qual o volume do gás é mantido constante.
3. GASES PERFEITOS OU IDEAIS
São aqueles que (só existem teoricamente) obedecem à risca a equação geral dos gases perfeitos.
Os gases reais apresentam comportamentos que se aproximam dos ideais quanto mais baixa for a pressão e mais alta sua temperatura.
Observações: Quando nos referimos a uma dada massa gasosa, nas transformações, isto significa que a equação geral dos gases perfeitos só se aplica para massa constante do gás, no estado inicial e final. Ao se referir a condições normais de temperatura e pressão, abreviadamente CNTP, a temperatura considerada é 273K e a pressão de 1 atm (105 Pa). As variáveis de estado são medidas:
T - temperatura medida no termômetro. V - volume do gás é o volume do recipiente. P - pressão medida no manômetro.
Lei de Boyle-Mariotte:
Na transformação isotérmica de uma dada massa gasosa, a pressão é inversamente proporcional ao volume.
O diagrama anterior P x V denomina-se diagrama de Clapeyron e a isoterma é o conjunto de todos os pontos de mesma temperatura.
Lei de Charles (1ª Lei de Gay-Lussac):
Na transformação isobárica de uma dada massa gasosa, o volume é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
Lei de Charles (2ª Lei de Gay-Lussac):
Na transformação isométrica (isocórica) de uma dada massa gasosa, a pressão é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
fonte : http://www.fisica.net/einsteinjr/7/comportamento_termico_dos_gases.html
O comportamento térmico dos líquidos
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A figura mostra uma barra metálica, em duas temperaturas diferentes:1. DILATAÇÃO LINEAR
A constante de proporcionalidade que transforma essa relação em uma igualdade, é ocoeficiente de dilatação linear do material com o qual a peça foi construída. Desse modo temos:
fonte : http://www.algosobre.com.br/fisica/dilatacao-termica-dos-solidos-e-liquidos.html
Dilatação Térmica dos Sólidos e Liquídos |
A figura mostra uma barra metálica, em duas temperaturas diferentes:1. DILATAÇÃO LINEAR
Verifica-se, experimentalmente, que:
A constante de proporcionalidade que transforma essa relação em uma igualdade, é ocoeficiente de dilatação linear do material com o qual a peça foi construída. Desse modo temos:
2. DILATAÇÃO SUPERFICIAL
Verifica-se, também experimentalmente, que o acréscimo na área de uma superfície que apresenta variações de temperatura é diretamente proporcional à sua área inicial So e à correspondente variação de temperatura .
A constante de proporcionalidade é o coeficiente de dilatação superficial ,
tal que
,
,
teremos:
3. DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
Utilizando-se o mesmo raciocínio anterior e introduzindo-se o coeficiente de dilatação volumétrica , tal que
= 3 ,
teremos:
4. DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA
A maioria dos líquidos se dilatam com o aumento da temperatura e se contraem com a redução da temperatura, mas a ÁGUA constitui uma anomalia do comportamento geral entre 0ºC e 4ºC, vejamos:
A partir de 0ºC a medida que a temperatura se eleva, a água se contrai, porém essa contração cessa quando a temperatura é de 4ºC; a partir dessa temperatura ela começa a se dilatar.
Sendo assim, a água atinge um volume mínimo a 4ºC e nesta temperatura a sua densidade é máxima.
fonte : http://www.algosobre.com.br/fisica/dilatacao-termica-dos-solidos-e-liquidos.html
Trocas de Calor nas mudanças de estado . Calor latente
Calor Latente |
Quando uma quantidade de calor é fornecida ou retirada de um corpo, não modifica a suatemperatura, mas produz mudança de seu estado de agregação ou mudança fase, é denominado calor latente. |
Na transformação do gelo em água, embora o gelo esteja recebendo calor, sua temperatura não varia enquanto não se completa a mudança de fase | Na transformação da água em vapor, embora a água esteja recebendo calor, sua temperatura não varia enquanto não se completa a mudança de fase | |
Essa temperatura invariável denominamos de temperatura de mudança de fase. O calor específico latente L de um material informa a quantidade de calor que uma unidade de massa desse material precisa receber ou perder exclusivamente para mudar de estado de agregação. A quantidade de calor é determinada através da seguinte expressão: Q = m . |
Mudanças de Estados
- A troca de calor entre materiais, ou seja, propagação de energia térmica, pode causar mudanças nos materiais que trocam energia. As principais mudanças que podem ocorrer num material devido à variações de sua energia térmica são: variação da temperatura, variação de volume e mudança de estado físico.
- Todos os materiais são formados por moléculas (menor parte da matéria que conserva as característica de uma substância), sendo que a maioria dos materiais que encontramos na natureza são formados pela mistura de diferentes substâncias. O efeito do aumento de energia térmica num material é o aumento da velocidade com que as moléculas se movem (vibram) no material. O aumento de temperatura se dá por que a temperatura que sentimos é um indicativo da energia cinética com que as moléculas estão vibrando, ou seja, o quão rápido as moléculas estão se movimentando. O estado físico de um material, sólido, líquido ou gasoso, é devido à interação elétrica existente entre as moléculas das substâncias de que é formado o material. Com o aumento da energia térmica das moléculas, ou seja, com o aumento da intensidade com que vibram as moléculas, chega-se a uma certa temperatura onde a intensidade da vibração é suficiente para superar a interação molecular existente. Então ocorre a mudança de estado. As moléculas de um sólido vibram em torno de uma posição fixa; na mudança para o estado líquido as moléculas deixam de ter esta posição fixa de vibração, e com isso podem se deslocar de um lugar para outro. Na mudança do estado líquido para o gasoso, as moléculas deixam de ter interações entre si e passam a se movimentar para qualquer direção, se movendo pelo ambiente todo em que estiver o gás. A diminuição da quantidade de energia térmica simplesmente faz com que os mesmos fenômenos aconteçam, só que em ordem contrária.
- A idéia é usar parafina e provocar mudanças de estado: de sólido para líquido, de líquido para sólido e de líquido para gasoso. Primeiramente aquece-se um pedaço parafina, que é sólido, até que ocorra a mudança para o seu estado líquido. Depois deixa-se o líquido esfriar até que ele volte a ser sólido. Posteriormente aquece-se a parafina sólida até que haja a sua mudança para o estado líquido e, em seguida, gasoso.
Item | Observações |
Uma vela | para aquecer e retirar parafina |
Caixa de palitos de fósforo | para acender a vela |
Uma colher sopa | para colocar a parafina |
Um estilete | para retirar da vela a parafina a ser derretida |
- Retire com o estilete cerca de três milímetros cúbicos de parafina do lado da vela.
- Coloque na colher a parafina que foi retirada.
- Acenda a vela e a fixe em algum lugar.
- Segure a colher logo acima da chama da vela.
- Espere a parafina derreter.
- Retire a colher de cima da chama e espere a parafina esfriar até voltar para o seu estado sólido.
- Volte a segurar a colher logo acima da chama da vela.
- Espere até que a parafina se decomponha, passando para o estado gasoso.
Príncipio geral doas trocas de calor
Em física, o Princípio das Trocas de Calor diz que o somatório da quantidade de calor em um sistema deve ser nulo.
1. Fórmulas
O somatório pode ser representado matemáticamente, onde é a quantidade de calor de cada corpo, por:
Também, de forma mais direta, pode ser representado, sendo a massa de cada corpo, a temperatura do equilíbrio térmico, a temperatura inicial de cada corpo e o calor específico da substância de cada corpo, por:
A quantidade de calor trocada. O calor sensível
Calor - Energia térmica que flui de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles. Pode ser adicionado ou removido de uma substância. É medido em calorias ou joules S.I.
Capacidade térmica (C) - É a capacidade de um corpo de mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor. Ela é dada como a razão entre a quantidade de calor e a variação de temperatura.
- C: capacidade térmica do corpo.
- Q: quantidade de calor trocada pelo corpo.
- Δθ: variação de temperatura do corpo.
Capacidade Calorífica de um Corpo
Também chamada de capacidade térmica de um corpo, a capacidade calorífica de um corpo se refere à quantidade de calor que a massa total de um corpo precisa receber para variar sua temperatura, sendo calculada através da seguinte equação: Equação do Calor Sensível
Q = m.c.∆θ
Se vários corpos com temperaturas diferentes trocam calor e estão isolados termicamente, os de maior temperatura cedem calor aos de menor, até que se estabeleça o equilíbrio térmico. Assim, a soma desses calores sempre é igual a zero.
A unidade de capacidade térmica no S.I. é o J/K (Joule por Kelvin).
Calor específico (c): É a capacidade específica de uma substância de mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor para cada massa unitária que esta vier a se incluir. Isto quer dizer que a Capacidade Térmica de um corpo é dada pelo Calor Específico da substância que o compõe e sua massa.
A unidade usual para determinar o calor específico é
cal / g0C e no S.I. é o J/K.kg
- c: calor específico de um dado material.
- C: capacidade térmica da amostra deste material.
- M: massa da amostra deste material.
Uma caloria (1 cal): é a quantidade de calor necessária para aquecer, sob pressão normal, 1,0 g de água de 14,5°C a 15,5°C.
Função Fundamental da Calorimetria (Quantidade de Calor Sensível)
Ocorre mudança de temperatura nas substâncias.
- Q>0 (o corpo recebe calor) (o corpo se aquece).
- Q<0 (o corpo cede calor)(o corpo se esfria).
Quantidade de Calor Latente
Ocorre mudança de estado nas substâncias.
Propriedades Envolvidas nas trocas de Calor (Princípios da Calorimetria)
- Princípios de transformações inversas: a quantidade de calor que um corpo recebe é igual, em módulo, à quantidade de calor que um corpo cede ao voltar, pelo mesmo processo, à situação inicial.
- Princípio do Equilíbrio Térmico: quando vários corpos inicialmente a temperaturas diferentes trocam calor entre si, e só entre si, observamos que alguns perdem enquanto outros recebem calor, de tal maneira que decorrido um certo tempo, todos estacionam numa mesma temperatura, chamada temperatura de equilíbrio térmico.
- Princípio da Igualdade das Trocas de Calor: quando vários corpos trocam calor apenas entre si, a soma das quantidades de calor que alguns cedem é igual, em módulo, à soma das quantidades de calor que os restantes recebem.
Q1 + Q2 + ... + Qn = 0
Unidades
C= capacidade térmica (cal/°C)
Q= quantidade de calor (cal)
∆T ou ∆Θ= variação de temperatura
c= calor específico (cal/g°C ou J/kg K)
M= massa (g)
T= temperatura (°C)
Exemplo
1. Ao receber 6000 cal, um corpo de 250 g aumenta sua temperatura em 40°C, sem mudar de fase. Qual o calor específico do material desse corpo?
Quantidade de calor sensíveis:
Q = m.c.Δθ
6000 = 250.c.40
c = 6000/(250.40)
c = 0,6 cal/g.°C
2. Um bloco de vidro de massa m=300g está inicialmente á temperatura θi=25°C. Sabendo que o calor especifico do vidro é c=0,20cal/g°C, calcule a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do bloco até Θf=40°C.
Q = m.c.Δθ Q = 300.0.20.15 Q = 300.20/100.15 Q = 30.2.15 = 900cal
3. Uma fonte térmica fornece, em cada minuto, 20 cal. Para produzir um aquecimento de 30°C em 50g de um líquido, são necessários 15 min. Determine o calor específico do líquido e a capacidade térmica dessa quantidade de líquido.
Capacidade Térmica:
20/1 = x/15 Q = 300 C = 300/30 C = 10 cal/°C
F = m . a
Capacidade Térmica:
Q = 300 Δθ = 30ºC m = 50g
Q = m.c.Δθ 300 = 50.c.30 300 = 1500.c c = 0,2 cal/g.ºC
O calor específico de uma substância
Calor específico é uma grandeza física que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade decalor. Também é chamado de capacidade térmica mássica. É constante para cada substância em cada estado físico. Pode-se dizer que o calor específico caracteriza uma substância (em determinado estado físico).
A unidade no SI é J/(kg.K) (joule por quilogramas por Kelvin). Uma outra unidade mais usual para calor específico é cal/(g.°C) (caloria porgrama por grau celsius).
[editar]Fórmulas
É possível calcular o calor específico de uma substância () a partir da capacidade térmica de u corpo composto por ela () e da massadesse corpo ().
Também é possível determinar o calor específico de uma substância a partir da quantidade de calor cedida a um corpo dessa substância (), da massa desse corpo, e da variação térmica () que ele sofre (temperatura final - temperatura inicial).
A tabela abaixo apresenta o calor específico de algumas substâncias à pressão constante de 1 atm.veja abaixo
Substância | Calor Específico (cal/g.°C) |
---|---|
água | 1,0 |
álcool | 0,6 |
alumínio | 0,22 |
ar | 0,24 |
carbono | 0,12 |
chumbo | 0,031 |
cobre | 0,094 |
ferro | 0,11 |
gelo | 0,5 |
hélio | 1,25 |
hidrogênio | 3,4 |
latão | 0,092 |
madeira | 0,42 |
mercúrio | 0,033 |
nitrogênio | 0,25 |
ouro | 0,032 |
oxigênio | 0,22 |
prata | 0,056 |
rochas | 0,21 |
vidro | 0,16 |
zinco | 0,093 |
fonte:http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico
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