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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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:
fig
2. DILATAÇÃO SUPERFICIAL
Verifica-se, também experimentalmente, que o acréscimo delta_S.gif (892 bytes)      na área de uma superfície que apresenta variações de temperatura é diretamente proporcional à sua área inicial So e à correspondente variação de temperatura delta_T.gif (881 bytes).
fig
A constante de proporcionalidade é o coeficiente de dilatação superficial beta.gif (871 bytes)  ,
tal que


fig,
teremos:
fig
3. DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
Utilizando-se o mesmo raciocínio anterior e introduzindo-se o coeficiente de dilatação volumétrica   , tal que 
fig
      gama.gif (852 bytes) = 3 alpha.gif (854 bytes) ,
teremos:
fig
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 faseNa 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.
Idéia do experimento
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.
Tabela do material
 
Item Observações
Uma velapara aquecer e retirar parafina 
Caixa de palitos de fósforopara acender a vela
Uma colher sopapara colocar a parafina
Um estiletepara retirar da vela a parafina a ser derretida
Montagem
  • 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=\frac{Q}{\Delta\theta}
  • C: capacidade térmica do corpo.
  • Q: quantidade de calor trocada pelo corpo.
  • Δθ: variação de temperatura do corpo.



Calor sensível é aquele que provoca apenas uma variação de temperatura dos corpos, diferenciando-se do calor latente, que muda a estrutura física dos mesmos. O calor específico determina a quantidade de calor que uma unidade de massa precisa perder ouganhar para que aconteça uma redução ou elevação de uma unidade de temperatura sem, contudo, alterar sua estrutura. Assim, se o corpo é sólido, continua sólido, se é líquido continua líquido e, se é gasoso, continua gasoso. 
O calor sensível é medido em cal/g.Cº. Essa medição irá nos informar a quantidade de calor (cal) que uma quantidade de massa (g) leva para aumentar ou diminuir sua temperatura (ºC). O calor sensível também é chamado de calor específico e se refere a uma unidade de massa, portanto não depende da massa do material considerado. 
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 Para calcularmos o calor sensível de um material, é necessário conhecer o calor específico do mesmo. Considerando o calor específico (c) de um corpo e a variação da temperatura (∆θ), a equação do calor sensível pode ser descrita da seguinte maneira:
Q = m.c.∆θ
Princípio Fundamental da Calorimetria 

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=\frac{C}{m}
  • 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=m\cdot c \cdot\Delta\theta
  • Q>0 (o corpo recebe calor)\rightarrow\Delta\theta >0 (o corpo se aquece).
  • Q<0 (o corpo cede calor)\rightarrow\Delta\theta <0(o corpo se esfria).
Quantidade de Calor Latente
Ocorre mudança de estado nas substâncias.
Q=m \cdot L


Propriedades Envolvidas nas trocas de Calor (Princípios da Calorimetria)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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:  C=\frac{Q}{\Delta\theta}
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 (c\,\!) a partir da capacidade térmica de u corpo composto por ela (C\,\!) e da massadesse corpo (m\,\!).
c=\frac{C}{m}\,\!
Também é possível determinar o calor específico de uma substância a partir da quantidade de calor cedida a um corpo dessa substância (Q_c\,\!), da massa desse corpo, e da variação térmica (\Delta T\,\!) que ele sofre (temperatura final - temperatura inicial).
c=\frac{Q}{m.\Delta T}\,\!
A tabela abaixo apresenta o calor específico de algumas substâncias à pressão constante de 1 atm.veja abaixo
SubstânciaCalor Específico (cal/g.°C)
água1,0
álcool0,6
alumínio0,22
ar0,24
carbono0,12
chumbo0,031
cobre0,094
ferro0,11
gelo0,5
hélio1,25
hidrogênio3,4
latão0,092
madeira0,42
mercúrio0,033
nitrogênio0,25
ouro0,032
oxigênio0,22
prata0,056
rochas0,21
vidro0,16
zinco0,093


fonte:http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico