Física 2º ano do ensino médio

Escola Estadual de Ensino Fundamental e Médio Matias Freires

Cidade: Baia da Traição-PB

Professor: Francisco Jacinto de Oliveira

Disciplina: Física      Turma: 2º Ano

Aluno : ...............................................................................................

Física

Baia da Traição, em 12 de Fevereiro de 2012

ü  Termologia

Conceito: é a ciência que estuda o calor e suas aplicações.

Temperatura, termômetros e Escalas Termométricas

TEMPERATURA: é uma grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de um corpo caracterizando o seu estado térmico ( quente ou frio ).

TERMOMETRO: dispositivo usado para medir a temperatura.

ESCALAS TERMOMETRICAS: corresponde a um conjunto de valores numéricos onde cada um desses valores esta associado a uma temperatura.

Para a graduação dessas escalas foram escolhidos, para os pontos fixos dois fenômenos que e reproduzem sempre nas mesmas condições: A fusão do gelo e a ebulição da água, ambos a pressão normal.

1º PONTO FIXO: corresponde ao ponto de fusão do gelo; chamado ponto de gelo (PG).

2º PONTO FIXO: corresponde a temperatura de ebulição da água; chamado ponto de vapor (PV).

ASSIM TEMOS:

                    

Obs//  A escala kelvin é chamada de escala absoluta de temperatura.

Kelvin propôs atribuir o zero absoluto da temperatura, a menor temperatura admitida na natureza.

ü  RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS CELSIUS E FAHRENHEIT

20.→

EX.: Transforme 100°C em graus fahrenheit.

R//     →

20.9 = Tf-32 → 180 = Tf-32 → Tf = 180 + 32 → Tf = 212 °F

1º Exercício

1. Um turista brasileiro sente-se mal durante uma viagem à Nova Iorque. Ao ser examinado em um hospital local a enfermeira lhe diz que sua temperatura no momento era 105°, mas que ele deveria ficar tranquilo, pois já havia baixado 4°. Após o susto, o turista percebeu que sua temperatura havia sido medida em uma escala Fahrenheit. Qual era a sua temperatura anteriormente e qual sua temperatura atual?

a) 110°F e 120°F

b) 130°F e 100°F

c) 100°F e 90°F

d) 109°F e 105°F

e) NDA.

2. (UEL PR/Janeiro) Quando Fahrenheit definiu a escala termométrica que hoje leva o seu nome, o primeiro ponto fixo definido por ele, o 0ºF, corresponde à temperatura obtida ao se misturar uma porção de cloreto de amônia com três porções de neve, à pressão de 1atm. Qual é esta temperatura na escala Celsius?
a)  32°C         

b)  273°C         

c)  37,7°C          

d)  212°C             

e)   –17,7°C

3. Ao tomar a temperatura de um paciente, um médico só dispunha de um termômetro graduado na escala Fahrenheit. Se o paciente estava com febre de , a leitura feita pelo médico no termômetro por ele utilizado foi de :

a)104°F       

 b)107°F                   

c)72°F                 

d)40°F                   

e) 106,2°F

4.Transforme 20°C em Fahrenheit

a) 30°F                

b) 60°F                    

 c)68°F                     

d) 80°F                

 e)69°F

5.Transforme 200°F  em graus Celsius.

a) 95,3°C               

b) 93,3°F              

c)  93,3°C                

d) 90,3°F               

e) 100°C

6. (URCAMP-SP) No interior de um forno, um termômetro Celsius marca Um termômetro Fahrenheit  marcaria na mesma situação, respectivamente:

a)
b)
c)
d)
e) NDA.

7. Um turista, ao descer no aeroporto de Nova Yorque, viu um termômetro marcando 68 °F. Fazendo algumas contas, esse turista verificou que essa temperatura era igual à de São Paulo, quando embarcara. A temperatura de São Paulo, no momento de seu embarque, era de:

a) 10 °C

b) 15°C

c) 20 °C

d) 25 °C

e) 28 °C

8. O verão de 1994 foi particularmente quente nos Estados Unidos da América. A diferença entre a máxima temperatura do verão e a mínima no inverno anterior foi de 60°C. Qual o valor dessa diferença na escala Fahreheit?

a) 108°F

b) 60°F

c) 140°F

d) 33°F

e) 92°F

9. A temperatura da cidade de Curitiba, em um certo dia, sofreu uma variação de 15°C. Na escala Fahrenheit, essa variação corresponde a:

a) 59

b) 45

c) 27

d) 18

e) 9

10. A temperatura crítica do corpo humano é 42°C. Em graus Fahrenheit, essa temperatura vale:

a) 106,2

b) 107,6

c) 102,6

d) 180,0

e) 104,4

ü  RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS CELSIUS E KELVIN

   

Tc = Tk – 273 → Tk = Tc + 273

Ex.: Transforme 27°C em Kelvin

Tk = Tc + 273 → Tk = 27 + 273 → Tk = 300K

Transforme 473K em Celsius

R// Sabemos que Tk = Tc + 273 logo:

473 = Tc + 273 → Tc = 473 – 273 → Tc = 200°C

2º Exercício

1.Um astrônomo analisa um buraco negro no espaço. Após muitos estudos ele chegou a conclusão que este corpo celeste tinha temperatura de 10K. Qual a temperatura do buraco negro em escala Celsius?

a)  273°C

b) -273°C

c) – 263°C

d) 263°C

e) 283°C

2.(F.F.O – Diamantina –MG) Um gás absorveu calor de uma fonte térmica. A variação de temperatura observada, medida em um termômetro Kelvin, foi de 27 K. Esta variação, medida num termômetro Celsius, será igual a:

a) Zero         
 b) 27°C              
c) 54°C                 
d) 247°C            
e) 300°C
3.(UFFluminenseRJ/2ºFase)Quando se deseja realizar experimentos a baixas temperaturas, é muito comum a utilização de nitrogênio líquido como refrigerante, pois seu ponto normal de ebulição é de - 196 ºC. Na escala Kelvin, esta temperatura vale:

a)  77K
b)  100K
c)  196K
d)  273K
e)   469 K

4.A temperatura de 300 K corresponde a que temperatura na escala Celsius?

Solução:

a)  30°C

b)  29°C

c)  28°C

d)  27°C

e)  26°C

5.A temperatura de 77 °C corresponde a que temperatura na escala Kelvin?

Solução:

a)  330K

b)  340K

c)  350K

d)  360K

e)  370K

6.A temperatura de 40 °C corresponde a que temperatura na escala Fahrenheit?

a) 107°F

b) 109°F

c) 112°F

d) 120°F

e) 130°F

7. Quando se deseja realizar experimentos a baixas temperaturas, é muito comum à utilização de nitrogênio líquido como refrigerante, pois seu ponto normal de ebulição é de - 196 °C. Na escala Kelvin, esta temperatura vale:

a)   77 K             

b) 100 K          

c) 196 K         

d) 273 K         

e) 469 K

8. Efetue a conversão para a escala Kelvin das seguintes temperaturas:

a) 40°C                                            b) – 50°C                                        c) 235°C

9. A temperatura interna de uma caverna varia de 17°C a 21°C. Em determinado dia, a caverna de Santana, localizada na cidade de Apiaí (SP), apresentou uma temperatura de 20°C. Que valor assinalaria um termômetro graduado na escala Kelvin no interior dessa caverna?

10. Um termômetro graduado na escala Kelvin é utilizado para medir a temperatura de um determinado líquido, acusando um valor de 173K.

a) Se for utilizado um termômetro graduado na escala Celsius para essa temperatura obtem-se um valor negativo.

b) Essa temperatura na escala Celsius seria dada pelo valor 373°C

c) Essa temperatura, na escala Celsius, seria dada pelo valor 73°C

d) Essa temperatura corresponde ao ponto de fusão do gelo

e) Essa temperatura corresponde ao ponto de ebulição da água.

ü  RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS FAHRENHEIT E KELVIN

   

   

→

Ex.: transforme 573 K em Fahrenheit

    →     → → →

Tf – 32 = 60.9→ Tf – 32 = 540 → Tf = 540 + 32 → Tf= 572°F

3º Exercicio

1.  A temperatura de determinada substância é 50°F. A temperatura absoluta dessa substância, em kelvins, é:

a) 343           

 b) 323               

c) 310           

d) 283              

e) 273

2.O sêmem bovino para inseminação artificial é conservado em nitrogênio liquido que, a pressão normal tem temperatura de 78K. Qual o valor dessa temperatura em graus Fahrenheit?

3. Um pesquisador observou que determinado vegetal se desenvolvia melhor quando cultivado num ambiente onde se mantinha a temperatura constante e igual a 68°F. Ao publicar seu trabalho, teve de fazê-lo em unidades SI. Como foi mencionada tal Temperatura?

4. Uma dada massa de gás sofre uma transformação e sua temperatura absoluta varia de 300K para 600K. A variação de temperatura do gás, medida na scala Fahrenheit, vale:

a) 180

b) 300

c) 540

d) 636

e) 960

5. A temperatura absoluta de determinada substância é 280K. A temperatura dessa substância na escala Fahrenheit é:

a)  30,6°F

b)  36,4°F

c)  40,6°F

d)  44,4°F

e)  44,6°F

ü  Dilatação Térmica

1)      Dilatação Linear

2)      Dilatação Superficial

3)      Dilatação Volumétrica

4)      Dilatação dos Líquidos

ü  DILATAÇÂO LINEAR

É aquela que predomina a variação em uma única dimensão, ou seja, o comprimento.

Em que   é a variação de comprimento, isto é, a dilatação linear da barra, na variação de temperatura  = Tf – Ti.

Experimentalmente verificou-se que:

1º  é diretamente proporcional ao comprimento inicial Li.

2º  é diretamente proporcional a variação de temperatura .

3º  depende do material que constitui a barra

A partir dessas relações podemos escrever:

 = Li  

Em que  é uma característica do material que constitui a barra, denominado de coeficiente de dilatação linear. A unidade de  é  = °C^-1.

4º Exercício

1. O comprimento de um fio de alumínio é de 40m a 20°C. Sabendo que o fio de alumínio é aquecido até uma temperatura de 60°C e que o coeficiente de dilatação térmica linear do alumínio é de 24.10^{- 5} °C ^{– 1} determine:

a) A dilatação do fio                                                          b) O comprimento final do fio.

2. Uma barra de ferro tem comprimento de 10m a 0°C sabendo que o coeficiente de dilatação térmica linear do ferro é igual a  12.10^{- 6} °C ^{– 1} calcule:

a) A dilatação da barra a 40°C                      b) O comprimento final da barra a 40°C.

3. Duas barras de 3 metros de alumínio encontram-se separadas por 1cm à 20°C. Qual deve ser a temperatura para que elas se encostem, considerando que a única direção da dilatação acontecerá no sentido do encontro? Sendo .

4. Um fazendeiro quer cercar com arame um terreno quadrado de lados 25m e para isso adquire 100m de fio. Fazendo o cercado, o fazendeiro percebe que faltaram 2cm de fio para a cerca ficar perfeita. Como não quer desperdiçar o material e seria impossível uma emenda no arame, o fazendeiro decide pensar em uma alternativa. Depois de algumas horas, ele percebe que naquele dia a temperatura da cidade está mais baixa do que a média e decide fazer cálculos para verificar se seria possível utilizar o fio num dia mais quente, já que ele estaria dilatado. Sabendo que o acréscimo no comprimento do fio é proporcional ao seu comprimento inicial, ao seu coeficiente de dilatação linear e à variação de temperatura sofrida, calcule o aumento de temperatura que deve ocorrer na cidade para que o fio atinja o tamanho desejado. (Dado: coeficiente de dilatação térmica linear do fio = .)

5. Uma barra constituída de um material cujo coeficiente de dilatação térmica linear é 2,5. 10^{- 5} °C ^-1, tem a 0°C um comprimento de 2,0000m. Ao ser aquecida  até a temperatura de 150°C, seu comprimento aumenta. Qual a dilatação térmica linear da barra e seu comprimento a 150°C ?

6. (UFPE) Uma ponte de concreto tem 50m de comprimento á noite, quando a temperatura é de 20°C. Seu coeficiente de dilatação térmica linear é 10 ^{– 5}°C ^-1. Qual é a variação do comprimento da ponte, em cm, que ocorre da noite até o meio-dia quando a temperatura atinge 40°C ?

7. (MACKENZIE-SP) Se uma haste de prata varia seu comprimento de acordo com o gráfico dado, o coeficiente de dilatação térmica linear desse material vale:

a)  4,0.10 ^-5 °C ^-1

b) 3,0. 10 ^-5 °C ^-1

c) 2,0. 10 ^-5 °C ^-1

d) 1,5. 10 ^-5 °C ^-1

e) 1,0, 10 ^-5 °C ^-1

ü  DILATAÇÃO SUPERFICIAL

Dilatação superficial é aquela em que predomina a variação em duas dimensões, ou seja, a variação da área.

Consideremos uma placa de área inicial Si a uma temperatura inicial Ti. Aumentando a temperatura da placa para Tf, sua área passa para Sf.

A experiência mostra que  é proporcional a Si e . Logo:

 = Si.

  Em que  é o coeficiente de dilatação superficial do material que constitui a barra. O coeficiente de dilatação superficial para cada substância é igual ao dobro do coeficiente de dilatação linear, isto é:

5º

  Exercício

1. Uma placa retangular tem 10cm de largura e 40cm de comprimento, á temperatura de 20°C. Essa placa é colocada num ambiente cuja a temperatura é de 50°C. Sabendo que al = 46.10^-6 °C^-1, calcule:

a) A dilatação superficial da placa            b)  A área da placa nesse ambiente

2. Uma chapa retangular de alumínio tem área de 30cm² a 0°C. Sabendo que o coeficiente de dilatação do alumínio é 48.10^-6 °C^-1, calcule: A área final da placa a 40°C.

3. Uma lâmina de ferro tem dimensões 10m x 15m em temperatura normal. Ao ser aquecida 500ºC, qual será a área desta superfície? Dado

4. Uma peça de zinco é constituída a partir de uma chapa de zinco com lados 30cm, da qual foi retirado um pedaço de área 500cm². Elevando-se de 50°C a temperatura da peça restante, qual será sua área final em centímetros quadrados? (Dado ).

5. Um disco de aço homogêneo (forma circular) de raio 20mm foi aquecido, tendo sua temperatura variado de 8°C para 108°C. Determine a dilatação superficial do disco. ( Dados:α_aço=1,2.10 ^{– 5} °C ^-1 e =3,14.)

6. (Mack-SP) Uma chapa plana de uma liga metálica de coeficiente de dilatação linear  2.10 ^-5 °C ^-1 tem área A_i à temperatura de 20°C. Para que a área dessa placa aumente 1%, devemos elevar sua temperatura para:

a) 520°C

b) 470°C

c) 320°C

d) 270°C

e) 170°C

ü  DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

É aquela que predomina a variação em três dimensões de um corpo: comprimento, altura e largura. A variação do volume.

Seja um cubo de volume V_i à temperatura t_i, e volume V à temperatura t, com  t › t_i.

Considere:

V_i = volume inicial

V  = volume final

∆V = variação do volume ( dilatação volumétrica )

A dilatação volumétrica pode ser obtida pela expressão:

∆V = V_i . ∆T

O coeficiente de dilatação volumétrica de uma substância é igual ao triplo do coeficiente de dilatação térmica linear, isto é:

                                                            = 3α

6º Exercício

1. Um paralelepípedo a 10° C possui dimensões iguais a 10cm X 20cm X 30cm, sendo constituído de um material cujo coeficiente de dilatação térmica linear é 8. 10^-6 °C^-1. Determine o acréscimo  de volume quando sua temperatura aumentar para 110 ° C.

2. Um recipiente de cobre tem 1 000cm³ de capacidade a 0°C. Sabendo que o coeficiente de dilatação linear é igual a 17. 10^-6 °C^-1, calcule a capacidade do recipiente a 100 °C.  

3. O cilindro circular de aço do desenho abaixo se encontra em um laboratório a uma temperatura de -100°C. Quando este chegar à temperatura ambiente (20°C), quanto ele terá dilatado? Dado que.

4. Um paralelepípedo de uma liga de alumínio () tem arestas que, à 0°C, medem 5cm, 40cm e 30cm. De quanto aumenta seu volume ao ser aquecido à temperatura de 100°C?

5. Uma esfera de aço possui volume de 50cm³, `a temperatura de vapor de água, à pressão normal (Dado: α_aço=12.10 ^-6 °C ^-1).

ü  DILATAÇÃO DOS LÍQUIDO

Como os líquidos não apresentam forma própria, só tem significado o estudo de sua dilatação volumétrica. Ao estudar a dilatação de um liquido, tem de se levar em conta a dilatação do recipiente sólido que o contém.

No aquecimento de  um liquido contido num recipiente, o liquido irá, ao dilatar-se juntamente com o recipiente, ocupar parte da dilatação sofrida pelo recipiente, além de mostrar uma dilatação própria, chamada dilatação aparente.

A dilatação aparente é aquela diretamente observada e a dilatação real é aquela que o liquido sofre realmente.

A dilatação aparente do liquido é igual ao volume que foi extravasado.

A dilatação real do liquido é dada pela soma da dilatação aparente do liquido e da dilatação volumétrica sofrida pelo recipiente.

∆V_real = ∆V_ap + ∆V_recip → V_{0  real} .∆t = V_{0  ap} .∆t = V_{0  recip} .∆t

7º Exercício

1. Um recipiente de vidro está completamente cheio com 400 cm³ de mercúrio a 20. Aquece-se o conjunto até 35. Dados  _Hg = 0,00018 ^-1 e  _vidro = 0,00003 ^-1, calcule:

a) A dilatação do recipiente

b) A dilatação real do mercúrio

c) O volume de mercúrio extravasado

2. Um copo graduado de capacidade 10dm³ é preenchido com álcool etílico, ambos inicialmente à mesma temperatura, e são aquecidos em 100ºC. Qual foi a dilatação real do álcool?

3. Um recipiente de vidro. com a capacidade de 3000cm³, está completamente cheio com líquido, a 0°C. O conjunto é aquecido até 100°C e observa-se que 15cm³ desse líquido extravasa do recipiente.

Considerando-se o coeficiente de dilatação linear do vidro como sendo constante no referido intervalo térmico e igual a , qual o coeficiente de dilatação real desse líquido?

4. Um vaso de alumínio a 20°C possui volume de 500cm³. Totalmente cheio de mercúrio, aquecido a 160°C. (Dados: α_al = 22.10 ^-6 °C ^-1,  _Hg = 1,8.10 ^-4 °C ^-1). Determine:

a)a variação real do volume do líquido;    b) o volume do mercúrio que transborda.

5. Um recipiente de vidro(α_vidro = 9.10 ^{– 6} °C ^{– 1}), de capacidade igual a 1 000 cm³, está completamente cheio de um liquido a 0°C. O conjunto é aquecido a 100°C e nota-se, então, um extravasamento de 20 cm³ da liquido. Determine:

a) o coeficiente de dilatação aparente do liquido;    

b) o coeficiente de dilatação aparente do liquido;

c) a dilatação real do liquido.

Ø  Estudo dos Gases

Os gases são constituídos de pequenas partículas, denominadas moléculas, que se movimentam desordenadamente em todas as direções e sentido.

O estado de um gás é caracterizado pelo valor de três grandezas físicas: Volume V, Temperatura T e a pressão P, que são denominadas variáveis de estado de um gás. As características mais importante dos gases são a compressibilidade e a expansibilidade.

 A pressão 1atm e a 273 K ou 0⁰C caracterizam as condições normais de temperatura e pressão (CNTP).

As transformações gasosas

ü  Transformação isocórica ( isométrica ou isovolumétrica )

Essa formula traduz a lei de Gay – Lussac e Charles para transformação isocórica.

Em uma transformação isocórica, a pressão P é diretamente proporcional á temperatura T.

Exemplo:

O motorista de um automóvel calibrou os pneus, à temperatura de 17°C, em 25 libras-força por poleada². Verificando a pressão dos pneus, após ter percorrido certa distância, encontrou o valor de 27,5 libras – força por polegada². Admitindo o ar como gás perfeito e que o volume interno dos pneus não sofre alteração. Qual foi a temperatura atingida por eles?

8º Exercício

1. Certa massa de gás perfeito está em um recipiente de volume constante. No inicio, a temperatura do gás é de 47°C e a pressão registrada é equivalente a 100 mmHg. Qual será a nova pressão do gás se a sua temperatura for alterada para 207°C?

2. Um recipiente apresenta uma certa massa gasosa à uma temperatura de 27°C e 15atm. Qual será a pressão dessa massa gasosa a uma temperatura de 47°C?

3. Um gás que se encontra à temperatura de 200K é aquecido até 300K, sem mudar de volume. Se a pressão exercida no final do processo de aquecimento é 1000Pa, qual era a pressão inicial?

4. Certa massa gasosa encontra-se  no interior de um vaso de volume constante, a -20°C e sob pressão de 70 cm de mercúrio. Calcular a pressão exercida por essa massa sobre as paredes do vaso, quando o conjunto for aquecido a 20°C.

ü  Transformação isotérmica

Essa formula, obtida originalmente pelo físico e químico irlandês Robert Boyle. Traduz a lei que leva seu nome ( lei de Boyle ).

Em uma transformação isotérmica a pressão de uma dada massa de um gás é inversamente proporcional ao volume ocupado pelo gás.

Exemplo:

15 litros de uma determinada massa gasosa encontra-se a uma pressão de 8 atm e a temperatura de 30. Ao sofrer uma expansão isotérmica, seu volume passa a 20 litros. Qual a nova pressão do gás?

Resolução:

                            

9º Exercício

1. Uma massa de ar que ocupava um volume de 1 L quando sua temperatura e sua pressão eram, respectivamente, iguais a 20  e 1 atm foi comprimida isotermicamente até passar a ocupar um volume de apenas 0,5 L.

a) Qual a temperatura da massa de ar no final do processo?

b) Qual a pressão da massa de ar no final do processo ?

2. Uma amostra de um gás ocupa um volume de 4 L e exerce uma pressão de 6 atm para que o gás reduza seu volume para 1,5 L. Qual a pressão necessária?

3. Certo gás contido em um recipiente de 1m³ com êmbolo exerce uma pressão de 250Pa. Ao ser comprimido isotermicamente a um volume de 0,6m³ qual será a pressão exercida pelo gás?

4. (UECE) Um gás perfeito está contido num balão A de 20 L, sob pressão de 3 atm. Fazendo-se uma comunicação, através de um tubo rígido de volume desprezível, entre o balão A e um segundo balão B, vazio, a pressão passa a valer 0,5 atm. O processo é isotérmico. Determine o volume do balão B.

ü  Transformação isobárica

Essa formula traduz a lei de Gay – Lussac e Charles para transformação isobárica.

Em uma transformação isobárica, o volume ocupado por uma dada massa gasosa é diretamente proporcional á temperatura.

Exemplo:

A temperatura e o volume inicial de uma certa massa gasosa de um gás perfeito valem, respectivamente, 27 e 2 litros. O gás é aquecido isobaricamente, até ocupar um volume de 3,0 litros

a)      Determine, em graus Celsius, a temperatura final desse gás.

b)      Trace o gráfico volume versos temperatura absoluta para essa transformação.

         

                     

10º Exercício

1. A 27, um gás ideal ocupa 500 cm³. Que volume ocupará a -73°C, sendo a transformação isobárica?

2. Uma esfera não rígida tem volume inicial de 1 litro, de um gás ideal a temperatura de equilíbrio de 127 °C. O gás é resfriado isobaricamente até atingir um novo equilíbrio à temperatura de 27 °C. Qual será o novo volume desse gás?

3. Um gás de volume 0,5m³ à temperatura de 20°C é aquecido até a temperatura de 70°C. Qual será o volume ocupado por ele, se esta transformação acontecer sob pressão constante?

4. O gráfico representa a transformação de uma certa quantidade de gás ideal do estado A para o estado B. O valor de V_A é:

 

ü  Equação de Clapeyron

Relacionando as Leis de Boyle, Charles Gay-Lussac e de Charles é possível estabelecer uma equação que relacione as variáveis de estado: pressão (p), volume (V) e temperatura absoluta (T) de um gás.

Esta equação é chamada Equação de Clapeyron, em homenagem ao físico francês Paul Emile Clapeyron que foi quem a estabeleceu.

Onde:        p=pressão;       V=volume;       n=nº de mols do gás;      R=constante universal dos gases perfeitos;             T=temperatura absoluta.

 Exemplo:

A quantidade de 2,0 mols de um gás perfeito se expande isotermicamente. Se a pressão e o volume iniciais são de 5,0 atm e 5,0 L, e o volume final de 25,0 L, qual a pressão final ? Qual a temperatura que se realiza a transformação? (Dado: constante universal dos gases: R = 0,082)

RESOLUÇÂO:

Transformação isotérmica:

P_i . V_i  =  p . V   →  5 . 5  =  p . 25  →  1 atm

Aplicando a equação de Clapeyron ao estado final, vem:

P . V = n RT  →  1 . 25 = 2 . 0,082. T  → T   152,4 K

ü  Lei geral dos gases perfeitos

Através da equação de Clapeyron é possível obter uma lei que relaciona dois estados diferentes de uma transformação gasosa, desde que não haja variação na massa do gás.

Considerando um estado (1) e (2) onde:

Através da lei de Clapeyron:

esta equação é chamada Lei geral dos gases perfeitos.

12º Exercício

1. Uma massa de gás perfeito inicialmente ocupa um volume de 12 litros, sob pressão de 5 atm e temperatura de 50°C. Calcule a temperatura do gás a uma pressão de 2 atm e volume de 8 litros.

2. Uma massa de hidrogênio, sob pressão de 2,5 atm e temperatura de 77°C ocupa um volume de 500 cm³. Calcule seu volume nas CNTP.

Ø  CALORIMETRIA

ü  Calor

Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor.

Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes.

A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5°C para 15,5°C.

A relação entre a caloria e o joule é dada por:

1 cal = 4,186J

Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples.

Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a quilocaloria.

1 kcal = 10³cal

ü  Capacidade térmica

É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade.

Então, pode-se expressar esta relação por:

Sua unidade usual é cal/°C.

A capacidade térmica de 1g de água é de 1cal/°C já que seu calor específico é 1cal/g.°C.

13º Exercício

1. Uma fonte térmica fornece calor a razão de 20 cal/min. Um corpo é aquecido nessa fonte durante meia hora e sua temperatura, então, sobe de 50°C para 130°C. Desprezando as perdas de calor para o ambiente, determine a quantidade de calor recebido pelo corpo e sua capacidade térmica.

2. Um refrigerador retira calor do seu interior à razão de 20 cal/min. Um corpo de capacidade térmica 5 cal/°C é colocado nesse refrigerador e nele permanece durante 40 minutos, sendo retirado ao atingir a temperatura de 20°C. Determine:

a) a variação de temperatura sofrida pelo corpo;

b) a tempera do corpo ao ser colocado no refrigerante.

3. (UFPA) Dois  corpos são aquecidos, separadamente, pela mesma fonte de calor, que fornece 120 calorias por minuto.

a) C_A= C_B/6              b) C_A=C_B/6              c) C_A=C_B/3               d) C_A=2C_B           e) C_A= 3C_B 

4. Um corpo de massa 70Kg, ao sofrer aquecimento, apresenta a variação de temperatura conforme o gráfico. Qual a capacidade térmica do corpo?

     

ü  Calor sensível

É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo.

Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico.

Assim:

Onde:

Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).

c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).

m = massa do corpo (g ou kg).

Δθ = variação de temperatura (°C).

E  da equação fundamental da calorimetria:

, vem:  C =

Resulta:      C = m.c

Portanto a capacidade térmica C de um corpo homogêneo é diretamente proporcional à sua massa m, sendo o calor especifico c, da substância que constitui o corpo, a constante de proporcionalidade.

É interessante conhecer alguns valores de calores específicos:

Substância	c (cal/g°C)
Alumínio	0,219
Água	1,000
Álcool	0,590
Cobre	0,093
Chumbo	0,031
Estanho	0,055
Ferro	0,119
Gelo	0,550
Mercúrio	0,033
Ouro	0,031
Prata	0,056
Vapor d'água	0,480
Zinco	0,093

Quando:

Q>0: o corpo ganha calor.

Q<0: o corpo perde calor.

Exemplo:

Qual a quantidade de calor sensível necessária para aquecer uma barra de ferro de 2kg de 20°C para 200°C? Dado: calor específico do ferro = 0,119cal/g°C.

2kg = 2000g

14º Exercício

1. Consideremos uma amostra de alumínio, cujo calor específico é c = 0,217 cal/(g.°C). Se a massa da amostra é m = 50g, qual a quantidade de calor que deve trocar para que sua temperatura:

a) aumente de 10°C para 50°C?

b) diminua de 80°C para 20°C?

2. Uma peça de chumbo, de massa 60g, foi aquecida e recebeu uma quantidade de calor de 540 cal. Sabendo-se que sua temperatura inicial era de 25°C, calcule a temperatura final. (Dado: c = 0,03 cal/g°C)

3. Uma panela de cobre possui massa de 200g à temperatura de 20°C.Tendo perdido 800 cal, calcule: (Dado: c _cobre=0,094 cal/g°C)

a) o valor de sua capacidade térmica;

b) a temperatura final.

4. Aquecem-se 20g de água a uma temperatura inicial de 12°C até atingirem 60°C. Determine a quantidade de calor recebida pela água. (Dado: c _água= 1 cal/g°C)

ü  Calor latente

Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente.

A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).

Assim:

A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra.

Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico.

Por exemplo, para a água:

Calor latente de fusão		80cal/g
Calor latente de vaporização		540cal/g
Calor latente de solidificação		-80cal/g
Calor latente de condensação		-540cal/g

Quando:

Q>0: o corpo funde ou vaporiza.

Q<0: o corpo solidifica ou condensa.

Exemplo:

Qual a quantidade de calor necessária para que um litro de água vaporize? Dado: densidade da água=1g/cm³ e calor latente de vaporização da água=540cal/g.

Assim:

15º Exercício

1. Calcule a quantidade de calor necessária para converter 40g de álcool etílico, que está a uma temperatura de 79°C, do estado liquido para o estado gasoso.

2. Um bloco de gelo de massa igual a 300 g encontra-se a 0°C. Para que todo gelo se derreta, obtendo água a 0°C, são necessárias 24.000 cal. Determine o calor latente de fusão do gelo.

3. (Unifor-CE) O gráfico  representa a temperatura de  uma amostra de massa 100g de determinado metal, inicialmente sólido, em função da quantidade de calor por ela absorvida.

Pode-se afirmar que o calor latente tem fusão desse metal, em cal/g é:
a) 12
b) 10
c) 8
d) 6
e) 2

4.  Inicialmente em estado líquido, um corpo com massa igual a 40g, é resfriado e alcança devido ao resfriamento o estado de fusão. Sabendo que a quantidade de calor é 1200 cal, determine o calor latente de fusão desse corpo. ver resposta

5.  Um corpo de massa 6g em estado sólido, é aquecido até o ponto de fusão. Sabendo que o calor latente do corpo é de 35 cal/g, determine a quantidade de calor recebida pelo corpo.

ü  Curva de aquecimento

Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variação de temperatura. Assim podemos elaborar um gráfico de temperatura em função da quantidade de calor absorvida. Chamamos este gráfico de Curva de Aquecimento:

ü  Trocas de calor

Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente e com seu interior.

Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontram, toda a energia térmica passa de um corpo ao outro.

Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja:

ΣQ=0

(lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero)

Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.

Exemplo:

Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200g à 20°C mergulhado em um litro de água à 80°C? Dados calor específico: água=1cal/g°C e alumínio = 0,219cal/g°C.