Apostila Termologia

Apostila Termologia

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

CAVG – Conjunto Agrotécnico “Visconde da Graça”

Disciplina de Física

Apostila de Física

1ª série –Ensino Médio

TERMOLOGIA

I - TERMOMETRIA

COMPETÊNCIAS

Ao final desta unidade, o aluno deverá ser capaz de:

- Reconhecer temperatura como uma propriedade de um corpo, que pode ser medida levando em conta o equilíbrio térmico.

- Conceituar grandezas termométricas e pontos fixos termométricos.

- Compreender a construção das escalas termométricas relativas e absolutas.

- Estabelecer relações matemáticas entre as escalas termométricas.

- Compreender que existe relação entre a temperatura e o grau de vibração das moléculas de um corpo.

1. CONCEITO DE TEMPERATURA

Como primeira idéia de temperatura é importante notar que “Temperatura não tem definição”. É um conceito intuitivo adquirido pelas sensações de quente e frio que sentimos quando tocamos um objeto.

Através do sentido do tato, podemos classificar os corpos em quentes e frios. Podemos, igualmente, verificar que um corpo pode ser aquecido ou esfriado. Isto nos revela a existência de uma propriedade em cada corpo causadora destas sensações térmicas à qual se deu o nome de temperatura.

A segunda idéia de temperatura, diz respeito à constituição interna dos corpos. Sabemos que as moléculas de um corpo estão em constante vibração. Esta vibração pode ser mais ou menos intensa havendo uma estreita relação entre a temperatura do corpo e o grau de vibração de suas moléculas. Isto é, uma temperatura mais alta corresponde a uma vibração mais intensa de suas moléculas e vice-versa. Podemos, pois dizer que “A temperatura é uma grandeza que está relacionada com o grau de vibração das moléculas de um corpo”.

2. EQUILÍBRIO TÉRMICO

Ao colocarmos dois corpos em contato, isolados do meio exterior, com temperaturas diferentes, verificamos que a temperatura mais alta diminui e a menor aumenta até que, após algum tempo, estas temperaturas não mais variam. Neste momento dizemos que os dois atingiram o equilíbrio térmico e que possuem a mesma temperatura. Este fato ocorre sempre, entre vários corpos que se encontram no mesmo ambiente por bastante tempo.

Por este motivo, podemos afirmar que os objetos no interior de uma sala, sem a presença de pessoas, estão à mesma temperatura, embora a sensação térmica que nos causam ao serem tocados possa ser diferente.

Ao medirmos a temperatura de um corpo com um termômetro, devemos sempre provocar o equilíbrio térmico entre o termômetro e o corpo em questão.

Com relação ao equilíbrio térmico, é válido um fato experimental, conhecido como "princípio número zero da Termodinâmica".

Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, estão em equilíbrio térmico entre si.”

3. SUBSTÂNCIAS E GRANDEZAS TERMOMÉTRICAS

Nosso objetivo é estabelecer um processo para medir a temperatura de um corpo. Para isto, precisamos de um critério seguro que nos possibilite dizer com certeza quando é que a temperatura de um corpo está ou não variando.

O sentido do tato, Embora seja o que nos revela a existência desta propriedade dos corpos chamada temperatura, não pode ser o critério adotado pois é muito falho e impreciso. Vejamos alguns exemplos.

Tocando com a mão um pedaço de metal e em seguida uma folha de papel, que estejam no mesmo ambiente por longo tempo, o papel nos parecerá mais quente (a uma temperatura mais alta) do que o metal. No entanto, como mostraremos no ponto seguinte, os dois estão à mesma temperatura.

Vejamos outro exemplo que nos mostra ser o sentido do tato falho para avaliar a temperatura. Colocamos uma das mãos no bolso, num dia frio de inverno, e a outra a mantemos fora. Em seguida tocamos com ambas um mesmo corpo, como a fórmica da cadeira, esta parecerá mais fria para a mão que estava quente (no bolso).

Precisamos, pois, de um critério mais exato para avaliar as variações de temperatura de um corpo.

A experiência mostra que existem grandezas de um corpo que se alteram com a variação da sua temperatura.

Exemplos:

- Comprimento de uma barra de metal.

- Volume de um líquido.

- Pressão exercida por um gás mantido a volume constante.

- Cor de um corpo.

- Resistência elétrica de um condutor.

Utilizamos uma destas grandezas, chamadas "grandezas termométricas" para verificar as variações e para medir a temperatura de um corpo.

“Grandeza termométrica é uma grandeza de um corpo que se altera com a variação da temperatura, sendo utilizada para verificar as variações de temperatura e para efetuar sua medida.”

Ao construir um termômetro utiliza-se uma substância que possua uma grandeza termométrica facilmente mensurável. Tal substância é denominada "substância termométrica" .

Exemplos: mercúrio, álcool.

4. PONTOS FIXOS TERMOMÉTRICOS

Para construir uma escala de temperaturas, precisamos de temperaturas de referência. Existem determinados fenômenos físicos que ocorrem sempre à mesma temperatura em condições idênticas. A temperatura em que ocorrem estes fenômenos é tomada como referência na construção de uma escala de temperaturas.

Exemplos:

- O ponto de fusão do gelo à pressão normal (ponto de gelo).

- O ponto de ebulição da água sob pressão normal (ponto de vapor).

- O ponto de fusão do chumbo.

- O ponto de ebulição do álcool.

"Pontos fixos Termométricos são temperaturas em que ocorrem determinados fenômenos físicos que sempre acontecem na mesma temperatura. Estas temperaturas são tomadas como referência na construção das escalas termométricas".

5. ESCALAS TERMOMÉTRICAS RELATIVAS

Para estabelecer uma escala de temperaturas devemos adotar os seguintes procedimentos:

1) Escolher uma substância termométrica. Por exemplo, o mercúrio.

2) Utilizar uma grandeza termométrica. Por exemplo, a altura da coluna de mercúrio.

3) Estabelecer uma relação entre a temperatura e a grandeza termométrica escolhida. Por exemplo, a temperatura é diretamente proporcional à altura da coluna de mercúrio.

4) Escolher dois pontos fixos. Por exemplo, o ponto de gelo e o ponto de vapor.

5) Estabelecer o equilíbrio térmico entre a substância termométrica utilizada e os pontos fixos.

6) Atribuir valores aos pontos fixos.

Foi assim que Celsius e Fahrenheit criaram suas escalas. A diferença entre elas consiste somente nos valores atribuídos aos pontos fixos. Enquanto Celsius atribuiu ao ponto de gelo e de vapor os valores 0 oC e 100 oC, respectivamente, Fahrenheit atribuiu aos mesmos os valores 32 oF e 212 oF.

Celsius Fahrenheit

Ponto de vapor............. 100 oC ................. 212 oF

100 partes iguais 180 partes iguais

Ponto de gelo .............. 0 oC ................... 32 oF

- A ESCALA CELSIUS (Unidade: ºC)

Atualmente, por sugestão de cientistas reunidos em congressos internacionais, usa-se, em praticamente todo o mundo, a escala Celsius (anteriormente denominada escala centígrada), que já era adotada em muitos países e que havia sido proposta, no século XVIII, pelo cientista sueco Anders Celsius (1701 – 1704).

- A ESCALA FAHRENHEIT (Unidade: ºF)

Nos países de língua inglesa, onde o SI ainda não se encontra amplamente difundido, costuma-se usar, na medida de temperaturas, uma escala denominada escala Fahrenheit, em homenagem ao cientista que a propôs.

- A ESCALA KELVIN (Unidade: K)

Lorde Kelvin criou uma escala de temperaturas na qual atribuiu o valor zero ao "zero absoluto" e cujo intervalo de um grau é igual ao da escala Celsius.

Ao se falar em “zero absoluto”, primeiramente devemos nos perguntar: Até onde podemos diminuir a temperatura de um corpo?

Descobriu-se que há um limite inferior de temperaturas, isto é, uma temperatura mínima para qualquer corpo. Deu-se a esta temperatura o nome de "zero absoluto".

2) Celsius p/ Fahrenheit

1 ºC ---- 1,8 ºF X = 36 ºF (Variou)

20ºC ---- X TF = 32 + X

TF = 32 + 36 = 68 ºF

O valor do zero absoluto foi estabelecido teoricamente com base nas leis da Termodinâmica.

Seu valor corresponde a -273,15oC (aproximadamente -273 oC).

Zero absoluto é a menor temperatura que um corpo, teoricamente, poderia atingir.”

A escala Kelvin é uma escala absoluta pois, sendo 0K a menor temperatura possível, teoricamente, não haverá temperaturas negativas. Ao passo que, nas escalas relativas, o valor zero corresponde a uma temperatura qualquer, existindo, pois, temperaturas negativas.

- RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS CELSIUS, FAHRENHEIT E KELVIN

Para transformar uma temperatura da escala Celsius para a escala Fahrenheit ou Kelvin, ou qualquer outra combinação entre essas, basta estabelecer uma proporção entre as variações de temperatura nas duas escalas (regra de três).

Celsius Fahrenheit Kelvin

Vapor.. 100 oC ........... 212 oF .............. 373 K

Fusão .. 0 oC ............ 32 oF ................ 273 K

100 180 100

Partes iguais

Vamos dividir por 100 as partes das escalas:

1 ºC – 1,8 ºF – 1 K

Repare que entre os pontos fixos existem pedaços iguais em escala, logo através de uma regra de três podemos fazer a conversão entre estas e quaisquer outras escalas.

Exemplo: Transforme 20 ºC em Fahrenheit e Kelvin.

1)Celsius p/ Kelvin

1 ºC ---- 1 K X = 20 K (Variou)

20ºC ---- X Tk = 273 + X

Tk = 273 + 20 = 293 K

A relação geral entre essas três escalas pode ser expressa da seguinte maneira:

TC = TF – 32 = TK – 273

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6. TIPOS DE TERMÔMETROS

Existem vários tipos de termômetros. Cada um permite medir a temperatura dentro de uma determinada faixa. Entre os mais utilizados podemos citar:

a) Termômetros de Líquido.

Substância termométrica: um líquido contido em um recipiente de vidro. Os mais usados são o mercúrio que se encontra na fase líquida entre as temperaturas

-39oC até 357oC. O álcool, outro líquido muito utilizado, encontra-se nesta fase entre -114oC e 78oC.

Grandeza Termométrica: O volume do líquido ou a altura da coluna de líquido dentro de um tubo capilar.

Entre os Termômetros de líquido destaca-se o termômetro clínico cuja finalidade é medir a temperatura de pessoas ou animais. É construído com um estrangulamento no tubo capilar próximo ao reservatório de líquido o qual não permite o retorno do líquido após subir, ficando registrada a máxima temperatura atingida.

b) Termômetros de gás.

Substância Termométrica: um gás como o hidrogênio e o hélio.

Grandeza Termométrica: pressão do gás mantido a volume constante.

c) Termômetros Elétricos.

Substância Termométrica: Um condutor elétrico como a platina.

Grandeza Termométricas resistência elétrica do condutor.

7. ENERGIA TÉRMICA

Os átomos ou moléculas de um corpo, tanto no estado sólido quanto no líquido ou gasoso, estão em constante movimento (agitação atômica).

Uma importante descoberta da Física Moderna foi constatar que a energia cinética deste movimento está relacionada com a temperatura que o corpo apresenta. Como o número de átomos e moléculas que constituem o corpo é muito grande, e como eles possuem energias cinéticas diferentes, trabalha-se sempre com um valor médio das energias dessas partículas. Assim destacamos:

quanto maior for a energia cinética média dos átomos (ou moléculas) que constituem um corpo, maior será a temperatura desse corpo”.

A energia cinética total de agitação dos átomos e moléculas de um corpo costuma ser denominado energia térmica deste corpo. A energia total (sob todas as formas possíveis) existente no interior de um corpo é sua energia interna.

Por exemplo: ao aumentarmos a temperatura de um gás, estaremos aumentando sua energia interna, em virtude do aumento da energia térmica de seus átomos ou moléculas.

Fig. 1.1: Quanto maior a temperatura de um gás, maior é a energia cinética do movimento de agitação de seus átomos ou moléculas.

QUESTÕES

01. Em que consiste o princípio do equilíbrio térmico?

02. O que devemos fazer para medir a temperatura de um corpo com um termômetro? Um termômetro comum de laboratório poderia ser usado para medir a temperatura de uma pessoa? Explique fisicamente.

03. O que são grandezas termométricas? Cita dois exemplos.

04. Existem temperaturas negativas na escala Kelvin? E nas outras escalas? Por quê?

05. Qual o valor do zero absoluto:

a) na escala Celsius? b) na escala Kelvin?

06. Um corpo A, a uma temperatura de 60 ºC, é colocado em contato com um corpo B, cuja temperatura é de 20 ºC, sendo ambos isolados de influências externas.

a) O que vai ocorrer com a temperatura do corpo A?

b) E com a temperatura do corpo B o que ocorre?

c) Como se denomina o estado comum que os dois corpos atingem após um certo tempo?

d) Quando esse estado é atingido, a temperatura de A é maior, menor ou igual à de B.

07. Com um termômetro de álcool pode-se medir a temperatura da água que está prestes a ferver? Por quê?

08. Em uma expedição científica à Antártida, é melhor levar um termômetro de mercúrio ou de álcool? Por quê?

09. Três estudantes tinham informações sobre a temperatura de uma certa região do espaço, extremamente fria. Cada um deles fez uma suposição sobre o possível valor dessa temperatura.

Estudante A: -327 ºC

Estudante B: -15 K

Estudante C: -253 ºC

Duas dessas suposições seguramente estão erradas. Quais são elas? Explique

10. Uma criança está febril, e a mãe coloca-lhe um termômetro clínico debaixo do braço. Depois de 5 minutos, o termômetro é retirado e marca 38,0ºC. Qual das opções abaixo melhor representa os gráficos temperatura x tempo da criança e do termômetro?

PROBLEMAS

01. Transformar para a escala Fahrenheit as seguintes temperaturas: a) 48oC b) -20 oC.

02. Transformar para a escala Celsius as seguintes temperaturas: a) 315 oF b) 10 oF.

03. Transformar as temperaturas dadas, para a escala Kelvin: a) 32 oC b) - 17 oC.

04. Transformar as temperaturas dadas para a escala Celsius: a) 300 K b) 251 K

05. Um corpo sofreu um aquecimento, aumentando sua temperatura em 45 oC. A quanto equivale esta variação nas escalas Fahrenheit e Kelvin?

06. Um corpo sofreu uma variação de temperatura de 28 K. A quanto equivale esta variação nas escalas Celsius e Fahrenheit?

07. Transformar a temperatura de 30 oC para as escalas Fahrenheit e Kelvin.

Respostas (Problemas)

01. a) 118,4 oF b) - 4 oF

02. a) 157,2 oC b) - 12,2 oC

03. a) 305 K b) 256 K

04. a) 27 oC b) - 22 oC

05. 81 oF e 45 K

06. 28 oC e 50,4 oF

07. a) 86 o F b) 303 K

II – DILATAÇÃO TÉRMICA

COMPETÊNCIAS

Ao final desta unidade, o aluno deverá ser capaz de:

- Reconhecer a dilatação de um corpo como um efeito da mudança de temperatura.

- Identificar nos sólidos os três problemas de dilatação: linear, superficial e volumétrica.

- Entender o significado físico do coeficiente de dilatação.

- Resolver problemas simples de dilatação dos sólidos.

- Reconhecer que no estudo da dilatação dos líquidos é necessário levar em consideração a dilatação do recipiente.

- Entender que a água apresenta uma dilatação irregular.

1. CONCEITO

Estudaremos, neste capítulo, os efeitos que as mudanças de temperatura causam nas dimensões de um corpo. Limitaremos nosso estudo aos corpos sólidos e líquidos. A dilatação dos gases será estudada em capítulo à parte, pois, como não possuem volume próprio, além da temperatura e do volume, teremos que levar em conta a pressão exercida.

Dilatação térmica é o fenômeno pelo qual um corpo sofre variações em suas dimensões quando varia a sua temperatura.

O aumento de temperatura de um corpo provoca, geralmente, um aumento de volume. No entanto, há exceções como é o caso da água que, de zero a 4 ºC, diminui de volume com o aumento da temperatura.

Num sólido, embora seja sempre o volume de um corpo que varia, na prática, muitas vezes, nos interessa somente a variação de uma das dimensões do corpo, como o comprimento ou a largura de uma chapa, o diâmetro de um anel ou o comprimento de um fio. Neste caso falamos em dilatação linear.

Quando nos interessa a variação de duas dimensões, ou seja, da superfície, falamos em dilatação superficial. Finalmente, quando nos interessa a variação das três dimensões, a dilatação é dita volumétrica.

2. DILATAÇÃO LINEAR

Consideremos a barra vista na figura. A uma temperatura inicial to apresenta um comprimento inicial Lo. Se a temperatura aumentar para t, seu comprimento aumentará para L.

to

L0 D L

t

L

to : temperatura inicial

t : temperatura final

Lo : comprimento inicial

L : comprimento final

Dt = t - to : variação da temperatura.

DL = L - Lo : variação do comprimento.

A experiência mostra que a variação de comprimento DL depende:

1o) Da variação da temperatura Dt: A variação de comprimento é diretamente proporcional à variação de temperatura.

2o) Do comprimento inicial Lo: A variação de comprimento é diretamente proporcional ao comprimento inicial.

Utilizando-se barras de mesmo material, verifica-se que a variação de comprimento depende somente destes dois fatores. Será, portanto, proporcional ao produto deles.

DL = a Lo Dt

A constante de proporcionalidade a que aparece na equação, é uma característica do material da barra e é chamada "coeficiente de dilatação linear". Há, pois, um outro fator que influi na dilatação linear de uma barra.

3o) A variação de comprimento DL depende do material de que é feita a barra (a).

Observação: O valor do coeficiente de dilatação linear é uma característica de cada material, mas não é rigorosamente constante, variando ligeiramente com a temperatura. Costuma-se usar um valor médio de a entre as temperaturas inicial e final.

Unidades de a: 1 / oC ou oC-1

1 / oF ou oF-1

1 / K ou K-1

Significado Físico de a:

Da equação acima tiramos que

Se Lo = 1 unidade e Dt = 1 unidade

então

O coeficiente de dilatação linear representa a variação de comprimento que sofre uma barra unitária, quando sua temperatura varia de uma unidade.

Considere, por exemplo, o coeficiente de dilatação linear do ferro que é 1,2.10-5 oC-1 (0,000012 oC-1). Este número significa que, se tomarmos uma barra de ferro de 1 m de comprimento e elevarmos sua temperatura em 1 oC, seu comprimento aumentará 12 milionésimos do metro (0,000012 m).

Tabela de Coeficientes de Dilatação Linear

Material

Coeficiente de dilatação a (oC-1)

chumbo

27.10-6

zinco

26.10-6

alumínio

24.10-6

prata

19.10-6

cobre

17.10-6

ouro

15.10-6

ferro

12.10-6

platina

09.10-6

vidro comum

09.10-6

vidro pirex

03.10-6

3. DILATAÇÃO SUPERFICIAL

Consideremos uma chapa que apresenta uma superfície inicial So a uma temperatura inicial to. Ao aumentarmos a temperatura para t, sua superfície aumentará para S.

So

S

to t

Dt = t - to : variação da temperatura

DS = S - So: variação da superfície

Verifica-se experimentalmente que a variação da superfície é diretamente proporcional à superfície inicial e à variação da temperatura e que depende do material de que é feita a chapa.

DS = b So Dt

A constante de proporcionalidade b, característica do material da chapa, é chamada de coeficiente de dilatação superficial.

Significado Físico de b: O coeficiente de dilatação superficial representa a variação que sofre uma superfície unitária quando a temperatura varia de uma unidade.

4. DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

Da mesma forma que na dilatação linear e superficial, na dilatação volumétrica a variação de volume é diretamente proporcional ao volume inicial e à variação de temperatura e depende do material de que é feito o corpo.

DV = g Vo Dt

Dt = t - to : variação da temperatura.

DV = V - Vo : variação do volume.

A constante de proporcionalidade g, característica do material de que é feito o corpo, é chamada "coeficiente de dilatação volumétrica".

Significado físico de g: O coeficiente de dilatação volumétrica representa a variação que sofre a unidade de volume quando a temperatura varia de uma unidade.

- RELAÇÃO ENTRE OS COEFICIENTES DE DILATAÇÃO

Pode-se demonstrar experimentalmente ou matematicamente que o coeficiente de dilatação superficial b é, aproximadamente, o dobro do coeficiente de dilatação linear a e que o coeficiente de dilatação volumétrica g é o triplo de a.

b = 2 a

g = 3 a

5. DILATAÇÃO DOS LÍQUIDOS

A dilatação volumétrica dos líquidos é análoga à dilatação dos sólidos. Podemos, pois, escrever

Onde: DVL é a variação de volume do líquido.

gL é o coeficiente de dilatação do líquido.

Na prática, porém, surge um problema. Como um líquido está sempre contido em um recipiente sólido, que também se dilata, não é possível observar e medir a variação real do volume do líquido.

A

o aquecermos um líquido de to a t, a variação de volume que se observa é uma variação aparente (DVA). A variação real de volume do líquido

(DVL) é obtida somando-se a variação aparente (DVA) com a variação de volume do recipiente (DVr).

DVL = DVA + DVr

Ao resolver um problema de dilatação de um líquido, temos que considerar um coeficiente de dilatação real do líquido (gL), um coeficiente de dilatação aparente do líquido (gA), além do coeficiente de dilatação do recipiente (gr). A relação entre os três coeficientes é igual à existente entre as variações de volume mostrada acima.

A tabela mostra alguns coeficientes de dilatação reais de líquidos.

Substância

gL (oC-1)

Álcool etílico

1,12.10-3

Glicerina

0,50.10-3

Mercúrio

0,18.10-3

6. DILATAÇÃO DA ÁGUA

Considerando o lugar de destaque ocupado pela água na natureza, é de interesse conhecer seu comportamento físico. Com respeito à dilatação térmica, a água exibe uma conduta particular.

Elevando-se, a partir de 0 oC, a temperatura de certa massa de água, observa-se que o volume inicialmente diminui, atingindo o valor mínimo a 4oC, aumentando após esta temperatura.

A tabela a seguir mostra como varia o volume de um quilograma de água com a temperatura. E o gráfico representa o comportamento do volume em função da temperatura.

t ( oC )

V (cm3)

0

1000,13

4

1000,00

10

1000,17

20

1001,77

50

1012,07

A massa específica (densidade) varia na razão inversa do volume. Portanto, a massa específica da água aumenta de zero a quatro graus Celsius, ponto de massa específica máxima, e diminui deste valor em diante.

Esta particularidade no comportamento da água explica porque ela congela sempre a partir da superfície.

Nas regiões frias, as águas dos rios, lagos e mares pode esfriar em toda a profundidade até 4 oC graças às correntes de convecção que levam a água mais fria ao fundo. Ao atingir 4 oC, ponto de massa específica máxima, a água tende a permanecer no fundo, mesmo que junto à superfície livre possa esfriar mais, chegar a 0oC e congelar. A camada de gelo, que é um isolante térmico, protege a água do frio reinante na atmosfera. Por isto a camada de gelo engrossa com dificuldade, raramente ultrapassando 1 dm. O fenômeno descrito é essencial para a sobrevivência de muitas espécies de seres vivos.

ATIVIDADES

QUESTÕES

1. Por que se costuma deixar um espaçamento entre dois trilhos consecutivos em uma ferrovia?

02. O que significa fisicamente dizer que o coeficiente de dilatação linear do cobre vale 17.10-6 oC-1?

03. Um pino de ferro é colocado em um orifício de uma chapa de cobre com pequena folga. Que efeito se observa na folga se:

a) apenas o pino é aquecido?

b) apenas a chapa é aquecida?

c) ambos são igualmente aquecidos?

d) ambos são resfriados (supondo que a pequena folga exista para temperaturas elevadas).

04. Duas barras metálicas são aquecidas sofrendo a mesma variação de temperatura. Qual delas apresentará a maior dilatação linear, considerando que:

a) tenham o mesmo comprimento inicial?

b) sejam feitas de mesmo material?

c) sejam de materiais diferentes e tenham comprimentos iniciais deferentes?

05. Uma lâmina bimetálica é formada por duas chapas de materiais diferentes, presas uma à outra por rebites. Se a chapa for plana a uma certa temperatura, explica o que acontecerá quando for aquecida.

06. O que se entende por dilatação aparente de um líquido?

07. Um líquido é aquecido em um recipiente. O que acontece com o nível do líquido se o seu coeficiente de dilatação for

a) maior que o do recipiente?

b) igual ao do recipiente?

c) menor que o do recipiente?

08. Um frasco, completamente cheio de um líquido, é aquecido e transborda. O volume de líquido que transborda mede

a. ( ) a dilatação real do líquido.

b. ( ) a dilatação aparente do líquido.

c. ( ) a dilatação do frasco.

09. Se uma pessoa enche completamente o tanque da gasolina de seu carro e, em seguida, deixa-o estacionado ao sol, o que acontecerá?

PROBLEMAS

01. Uma barra de alumínio mede 150 cm a 20 oC. Qual será seu comprimento a 160 oC?

02. Um fio de cobre mede 1000 m a 40 oC. Qual será seu comprimento a -20 oC?

03. Uma barra metálica mede 50 cm a 10 oC e 50,04cm a 110 oC. Determina o coeficiente de dilatação linear do metal.

04. Uma chapa de ferro apresenta uma área de 300 cm2 a 25 oC. Qual será sua área a 125 oC?

05. O lado de uma chapa quadrada de cobre mede 15cm a 15 oC. Qual será a área de sua superfície a 220oC?

06. Um fio de cobre de uma rede elétrica tem um comprimento de 1500 m a 0 oC. Qual será seu comprimento a 40 oC?

07. Uma placa de alumínio apresenta uma área de 500 cm2 a 0 oC. Qual será sua área a 80 oC?

08. Uma chapa metálica possui uma área de 500 cm2 a 0 oC e 504 cm2 a 250 oC. Determina o coeficiente de dilatação linear do seu material.

09. Um cubo de ferro possui um volume de 400 cm3 a 10 oC. Qual será seu volume a 160 oC?

10. Uma “barra” de ouro possui um volume de 100 cm3 a 12 oC. A que temperatura deve ser aquecida para que seu volume aumente 1 cm3 ?

11. Dois fios A e B de mesmo material possuem comprimentos segundo a relação 2lA=lB. Quando submetidos à mesma variação de temperatura, qual dos fios sofrera maior contração ou dilatação?

12. Na figura esta representada uma lamina bimetálica, sendo 3α1 = 2α2 a temperatura ambiente; se a temperatura for aumentada 150o C a lamina bimetálica: Justifique sua resposta.

a

1

2

) continua horizontal;

b) curvara para cima;

c) curvara para baixo;

d) curvara para direita;

e) curvara para esquerda;

13. Edificações com grandes extensões horizontais como pontes, linhas ferroviárias e grandes prédios são construídas em módulos, separadas por pequenos intervalos denominados juntas de dilatação. Essas juntas são espaços reservados para o aumento de comprimento dos módulos, devido ao aumento de temperatura a que eles ficam submetidos. Os comprimentos desses intervalos devem ser:

a) independentes do coeficiente de dilatação linear do material.

b) independentes do comprimento dos módulos.

c) inversamente proporcionais ao coeficiente de dilatação linear do material.

d) inversamente proporcionais ao comprimento dos módulos.

e) diretamente proporcionais ao comprimento dos módulos.

Explique com base em conceitos físicos a alternativa escolhida.

14. Duas esferas de cobre, uma oca e outra maciça, possuem raios iguais. Quando submetidas à mesma elevação de temperatura, a dilatação da esfera oca, comparada com a da maciça, é: Justifique sua resposta.

a) 1/3 b) 4/3 c) 2 d) ¾ e) a mesma

15. Um recipiente contém 200 cm3 de álcool à temperatura de 30ºC. Qual será o volume, em cm3, ocupado por esse álcool à temperatura de 50ºC? O coeficiente de dilatação cúbica do álcool é = 1,1.10-3 ºC-1.

a) 200. b) 201,2. c) 220. d) 204,4. e) 99.

16. Um recipiente de vidro, de volume interno Vi = 800 cm3, está completamente cheio de mercúrio, estando o conjunto á temperatura de 20ºC. Calcule o volume de mercúrio que extravasa o frasco, quando o conjunto é aquecido até que sua temperatura atinja 70ºC. Dados: v = 27.10-6 ºC-1, M = 180.10-6 ºC-1

17. Um caminhão-tanque com capacidade de 10.000 litros é cheio de gasolina quando a temperatura é de 30ºC. Qual a redução de volume sofrida pelo líquido ao ser descarregado numa ocasião em que a temperatura é de 10ºC? gasolina = 9,6.10-4 ºC-1

a) 0,96 litros c) 9,6 litros e) 192 litros

b) 1,92 litros d) 96 litros

18.Um petroleiro recebe uma carga de 1,0.106 barris de petróleo no Golfo Pérsico, a uma temperatura de aproximadamente 50ºC. Qual a perda em volume, por efeito de contração térmica, que esta carga apresenta, quando descarregada no sul do Brasil, a uma temperatura de 20ºC? petróleo = 1.10-3 ºC-1

a) 3 barris. b) 3.101 barris. c) 3.102 barris.

d) 3.103 barris. e) 3.104 barris.

19. Um recipiente cheio de um líquido é aquecido e com isso um pouco deste líquido extravasa do recipiente. O volume de líquido que extravasado é igual a:

a) à variação real de volume do líquido.

b) à variação de volume do recipiente.

c) à variação aparente de volume do líquido.

d) à soma das variações de volume do líquido e do recipiente.

20.Quando a água é aquecida de 0ºC a 100ºC ela se:

a) contrai e depois se dilata.

b) dilata e depois se contrai.

c) contrai sempre.

d) dilata sempre.

e) mantém com volume constante.

21. Ao ser aquecido de 0ºC até 4ºC, sob pressão normal, o volume de água:

a) diminui.

b) aumenta.

c) mantém-se constante.

d) aumenta e depois diminui.

e) diminui e depois aumenta.

22.Ao ser aquecida de 1ºC a 5ºC, sob pressão normal, a densidade de certa quantidade de água:

a) aumenta.

b) diminui.

c) permanece constante.

d) inicialmente diminui e em seguida aumenta.

e) inicialmente aumenta e em seguida diminui.

23.Um recipiente de vidro de capacidade 500 cm3 contém 200 cm3 de mercúrio, a 0 °C. Verifica-se que, em qualquer temperatura, o volume da parte vazia é sempre o mesmo. Nessas condições, sendo o coeficiente de dilatação volumétrica do mercúrio, o coeficiente de dilatação linear do vidro vale:

a) /15 c) /5 e) 6/5

b) 2/15 d) 3/5

24.O tanque de álcool de 45 litros de um automóvel é preenchido completamente pelo motorista numa noite fria (5ºC). Em seguida, o motorista guarda o veículo na garagem. Se a temperatura ambiente, na manhã seguinte, for de 25ºC, quanto álcool terá vazado pelo “ladrão”?

a) 1,008 litros. b) 1,004 litros.

c) 1,012 litros. d) 1,016 litros.

Respostas (Problemas)

01. 150,504 cm 06. 1501,02 m

02. 998,98 m 07. 501,92 cm2

03. 0,000008 oC 08. 0,000016

04. 300,72 cm2 09. 402,16 cm3

05. 225,803 cm2 10. 234,2 oC

_____________________________

11. l B 18. e

12. b 19. c

13. e 20. a

14. e 21. a

15. d 22. e

16. 6,12 cm3 23. b

17. e 24. a

III - CALORIMETRIA

COMPETÊNCIAS

Ao final desta unidade, o aluno deverá ser capaz de:

- Conceituar calor como um processo de transferência de energia.

- Diferençar calor sensível de calor latente.

- Definir Capacidade Térmica e Calor Específico.

- Calcular quantidades de Calor recebidas ou cedidas por um corpo.

- Reconhecer as três formas de transmissão do calor.

- Diferenciar condutor de calor de isolante térmico.

- Identificar os corpos emissores de energia radiante e os que melhor absorvem energia.

- Entender o processo de funcionamento de uma estufa de plantas.

1. CONCEITO DE CALOR

Quando dois corpos, com temperaturas diferentes, são colocados em contato, isolados do meio exterior, observamos que, após algum tempo, eles atingem um estado de equilíbrio térmico, caracterizado por serem iguais as temperaturas dos dois corpos. A temperatura de equilíbrio terá um valor intermediário entre as temperaturas iniciais dos dois corpos.

Para atingir o equilíbrio térmico, "algo" passa de um corpo para o outro. Percebeu-se que o que passa de um corpo para o outro, neste caso, é energia. Sabemos que todo o corpo possui em seu interior energia que pode ser chamada energia interna (Ei) do corpo. Essa energia existe sob várias formas, entre as quais destacamos aquela devida à vibração das moléculas do corpo, ou seja, a energia cinética das moléculas. Quando dois corpos com temperaturas diferentes, são colocados em contato, o corpo de maior temperatura cede parte de sua energia interna ao de menor temperatura. A energia que passa de um corpo para outro, neste caso, chama-se CALOR.

t1 t2

Ei (1) Ei (2)

t1 > t2

Energia em Trânsito (CALOR)

“Calor é a energia transferida de um corpo para outro em virtude unicamente de uma diferença de temperatura entre eles”.

UNIDADES DE CALOR

O calor, sendo uma forma de energia, será medido nas mesmas unidades de energia.

No Sistema Internacional de Unidades (SI), ele é medido em Joule (J).

Freqüentemente se utiliza uma outra unidade, muito antiga, denominada caloria. Esta unidade de calor não pertence a nenhum sistema de unidades.

"Caloria é a quantidade de calor que devemos fornecer a 1 g de água para elevar sua temperatura de 1º C, sob pressão normal".

A relação entre essas unidades é dada por:

1 cal = 4,18 J

2. TRANSMISSÃO DO CALOR

No início da Termologia, caracterizamos o equilíbrio térmico e vimos que dois corpos, inicialmente a temperaturas diferentes, acabam, após certo tempo, atingindo o equilíbrio térmico. Isto se dá porque o calor se propaga do corpo de maior para o de menor temperatura. O calor pode também se propagar de uma região para outra dentro de um mesmo corpo quando entre elas houver diferença de temperatura.

Nesta seção estudaremos as três maneiras de propagação do calor entre dois corpos ou de uma região para outra de um mesmo corpo: Condução, Convecção e Irradiação.

2.1. CONDUÇÃO DO CALOR

2.1.1. CONCEITO

Na condução, o calor passa de uma molécula para outra, sem que haja transporte de matéria mas apenas de energia.

Isto acontece porque a energia térmica, ao atingir uma molécula, provoca nela uma maior agitação e, devido aos choques com as vizinhas, há uma transferência de energia.

Por exemplo, ao colocarmos a extremidade de uma barra metálica em contato com a chama de um bico de gás, as moléculas desta extremidade passam a vibrar mais intensamente, transmitindo, pelos choques, energia às moléculas vizinhas. Estas, por sua vez, repetem este processo em relação às moléculas seguintes.

Após certo tempo a pessoa que segura a extremidade oposta da barra, sentirá o aumento de temperatura. Verifica-se, entretanto, que a temperatura não é a mesma em todas as secções da barra. Cada secção normal à direção de propagação do calor tem uma temperatura diferente, que é tanto menor quanto mais distante estiver da fonte de calor.

Descreveremos a seguir um caso bem particular chamado "transmissão em regime estacionário ou permanente".

Colocamos uma das extremidades de uma barra em contato com vapor de água em ebulição (100 ºC) e a outra extremidade imersa numa cuba que contém uma mistura de gelo e água (0 ºC). Veremos que, após algum tempo, a temperatura dos extremos ou de qualquer secção da barra permanecerá invariável. Neste caso, a condução do calor se dá em regime estacionário.

2.1.2. CONDUTORES E ISOLANTES

Existem materiais que conduzem facilmente o calor e outros que oferecem muita resistência à passagem do calor através deles. Podemos classificar os materiais em condutores de calor e isolantes térmicos.

Condutores são os materiais que conduzem o calor com facilidade e isolantes os que oferecem muita resistência à passagem do calor.

Podemos também distinguir os condutores dos Isolantes térmicos pelo valor da constante de condutibilidade térmica. "Quanto maior for a constante de condutibilidade térmica, melhor condutor de calor será e vice-versa.”

Os melhores condutores de calor são os metais como a prata e o cobre. Os melhores Isolantes térmicos são os gases (em repouso), a cortiça, a lã de vidro e o amianto. Até mesmo o gelo é um isolante térmico.

A tabela mostra a constante de condutibilidade térmica de alguns materiais colocados em ordem do melhor isolante térmica ao melhor condutor.

MATERIAL

Cal / s.cm.0C

Oxigênio

5,6.10-5

Ar

5,7.10-5

Hidrogênio

3,3.10-4

Hélio

3,4.10-4

Cortiça

1,0.10-4

Lã de vidro

1,0.10-4

Madeira

3,3.10-4

Tijolo de barro

1,5.10-3

Concreto

2,0.10-3

Vidro

2,5.10-3

Tijolo refratário

2,5.10-3

Gelo

4,0.10-3

Mercúrio

2,0.10-2

Chumbo

8,2.10-2

Aço

1,2.10-1

Alumínio

4,9.10-1

Cobre

9,2.10-1

Prata

9,7.10-1

2.2. CONVECÇÃO DO CALOR

Nos líquidos e gases, que são maus condutores de calor, este se propaga de outra maneira: por Convecção.

Quando há uma diferença de temperatura entre regiões diferentes de um líquido ou um gás, as massas que estão a uma temperatura mais elevada tendem a subir e as de menor temperatura a descer. A este movimento do líquido ou do gás chamamos de corrente de Convecção. Este movimento acontece porque, ao serem aquecidos, os líquidos e os gases aumentam de volume e diminuem sua massa específica.

Um exemplo ocorre quando se aquece água em uma chaleira. O fogo aquece a água que está no fundo, a qual se desloca para cima e a que está na parte mais alta desce, aquecendo-se por sua vez.

"Convecção é a modalidade de transmissão de calor que consiste no deslocamento de massas líquidas ou gasosas de regiões quentes para regiões frias e vice-versa, havendo, pois, deslocamento de matéria e energia".

2.3. IRRADIAÇÃO

Irradiação é o processo de transmissão de energia através de ondas eletromagnéticas. A irradiação pode ocorrer no vácuo, isto é, não exige um meio material para se propagar.

É este o processo pelo qual o Sol aquece a Terra, um aquecedor elétrico ou o fogo de uma lareira aquece uma pessoa que esteja próxima.

As ondas eletromagnéticas, na realidade, não transportam calor e sim energia radiante. Quando esta forma de energia incide sobre um corpo, uma parte é refletida, outra atravessa o corpo (é refratada) e uma terceira parte é absorvida pelo corpo e transformada em energia interna, provocando, geralmente, um aumento de sua temperatura. Como os raios infravermelhos são, em geral, os mais absorvidos pelos corpos, recebem a denominação de "ondas de calor". Na realidade são ondas eletromagnéticas como as demais.

As quantidades de energia absorvida, refletida ou refratada dependem do material de que é feito o corpo e do tipo de radiação envolvida. Há corpos que refletem a maioria das radiações que os atingem como, por exemplo, um espelho e os corpos de cores claras ou brancos. Outros permitem que a maioria das radiações os atravesse como o vidro, uma folha de papel ou a água limpa. Existem, ainda, os que absorvem a maioria das radiações que os atingem. Geralmente são os corpos de cores escuras ou pretos.

Um corpo pode ser opaco a um tipo de radiação e transparente para outra, como, por exemplo, o vidro que é transparente para a luz visível e opaco às radiações infravermelhas. As estufas para viveiros de plantas com telhado de vidro, mantém uma temperatura alta em seu interior por este motivo.

O mesmo ocorre com o dióxido de carbono, que é transparente para a luz visível e opaco ao infravermelho, causando o efeito estufa na atmosfera terrestre.

3. CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE

O calor recebido ou cedido por um corpo pode provocar dois efeitos: aumentar sua temperatura ou mudar seu estado físico.

Quando colocamos água no fogo em uma chaleira, por exemplo, o calor que passa do fogo para a água provoca, no início, um aumento de temperatura até atingir 100 oC. O calor que provocou este aumento de temperatura é denominado sensível. Neste momento, se a pressão for normal, a água começa a ferver. O calor que o fogo fornece á água a partir deste momento, não mais provocará aumento de temperatura e sim uma mudança de estado físico. Passará do estado líquido para o estado de vapor. Este calor é denominado latente.

Ao colocarmos um recipiente com água a uma temperatura qualquer, 20 oC por exemplo, no congelador de uma geladeira, esta água começa a ceder calor para o ar frio (- 5 oC por exemplo) que se encontra no interior da geladeira. A temperatura da água diminui até atingir 0oC. É calor sensível. A água a 0oC continua cedendo calor ao ar, mas não diminuirá sua temperatura e sim mudará de fase, mudará de líquido para sólido (gelo). O calor cedido pela água, neste caso, é denominado latente.

Quantidade de Calor Sensível é a quantidade de calor que provoca mudança de temperatura, ao ser fornecida ou retirada do corpo.

Quantidade de Calor Latente é a quantidade de calor que provoca mudança de fase, ao ser fornecida ou retirada de um corpo.

Vamos nos preocupar, neste capítulo, em calcular quantidades de calor sensíveis e no próximo, aprenderemos a calcular quantidades de calor latentes.

4. CAPACIDADE TÉRMICA DE UM CORPO

Experimentalmente, verifica-se que a variação de temperatura de um corpo é diretamente proporcional à quantidade de calor recebida ou cedida por ele. É constante, pois, a razão entre a quantidade de calor fornecida ou retirada de um corpo e a conseqüente variação de temperatura.

Esta constante (C) recebe o nome de CAPACIDADE TÉRMICA ou CAPACIDADE CALORÍFICA do corpo.

Capacidade térmica de um corpo é a razão entre a quantidade de calor que ele recebe ou cede e a correspondente variação de temperatura”.

Unidades de Capacidade Térmica: Cal/oC; J/K;

Significado físico da Capacidade Térmica:

A Capacidade Térmica de um corpo representa a quantidade de calor que devemos fornecer ou retirar do corpo para que sua temperatura varie de uma unidade (um grau).

Exemplo: Se um corpo tem uma capacidade térmica de 15 cal/oC, significa que ele deve receber ou ceder 15 cal para que sua temperatura varie de 1 oC.

5. CALOR ESPECÍFICO

Experimentalmente, verifica-se que, para um mesmo material, é constante a razão entre a capacidade térmica de um corpo qualquer deste material e a massa do mesmo.

(c)

A constante (c) recebeu o nome de CALOR ESPECÍFICO do material.

"Calor Específico de um material é a razão entre a capacidade térmica de um corpo deste material a massa do mesmo".

Unidades de Calor específico:

Significado Físico do Calor Específico;

O calor específico representa a quantidade de calor que devemos fornecer ou retirar da unidade de massa de um material, para que sua temperatura varie de uma unidade.

Exemplo: O calor específico do ferro vale 0,11cal/gºC. Isto significa que devemos fornecer 0,11 cal a um grama de ferro para que sua temperatura aumente 1ºC.

Observações:

a) A capacidade térmica é uma característica de um corpo. Depende, pois, da massa e do material do mesmo.

b) O calor específico é uma característica de um material. Portanto, não depende da massa, porque é um valor calculado para a unidade de massa.

TABELA DE CALORES ESPECÍFICOS

substância

cal/gºC

água

1,00

ferro

0,11

alumínio

0,22

ouro

0,032

glicerina

0,60

chumbo

0,031

cobre

0,09

mercúrio

0,33

álcool

0,58

estanho

0,056

gelo

0,55

iodo

0,053

níquel

0,109

prata

0,056

vidro

0,20

6. EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA CALORIMETRIA

Combinando as equações que definem capacidade térmica (Q = C Dt) e do calor específico (C = mc), obtemos

que é chamada equação fundamental da Calorimetria.

OBSERVAÇÕES

1ª) Espontaneamente, o calor passa dos corpos de maior para os de menor temperatura.

2ª) A quantidade de calor absorvida por um sistema para realizar uma transformação qualquer, é igual à quantidade de calor por ele cedida ao realizar a transformação inversa.

Exemplo: Se uma certa massa de alumínio absorve 300 cal para aumentar sua temperatura em 40 ºC, então deve ceder 300 cal para diminuir sua temperatura em 40 ºC.

3ª) Quando dois ou mais corpos trocam calor até atingir o equilíbrio térmico, num sistema termicamente isolado (conjunto de corpos que trocam calor entre si mas não trocam calor com o exterior), a soma das quantidades de calor cedidas é igual à soma das quantidades de calor recebidas.

Pensando em trocas de energia sob a forma de calor, existe a situação onde parte do calor fornecido ou retirado de um material pode ser utilizado para realizar uma mudança de estado físico, ou seja, podemos ter troca de calor entre objetos e não ocorrer variação de temperatura. Esta situação envolve calor latente. A quantidade de calor latente que devemos fornecer ou retirar de uma material para que o mesmo sofra uma mudança de estado físico é dada por

onde “m” é a massa de substância que mudou de estado físico e “L” é o calor latente característico da mudança que está ocorrendo e do material que está mudando de estado físico. Cada material apresenta um certo valor para o calor latente.

Exemplo: o calor latente de fusão (sólido  líquido) para a água é de 80 cal/g. Isto significa que:

Para que uma grama de gelo a 0oC passe para o estado líquido, é necessário fornecer a esta 1 grama de gelo, 80 caloria. Da mesma forma, se desejamos solidificar 1grama de água que já está a 0oC, devemos retirar desta 80 calorias.

ATIVIDADES

QUESTÕES

1. Diferencie condução de Convecção do calor.

2. Qual a diferença entre condutor de calor e isolante térmico?

3. Como são formadas as correntes de convecção?

4. Um aparelho refrigerador de ar deve ser instalado em local alto ou baixo num escritório? E um aquecedor de ar?

5. Quando aquecemos água em uma panela, colocamos fogo sob a panela. Para gelar chope, colocamos o gelo sobre o barril. Por que?

6. Por que a serragem é melhor isolante térmico que a madeira?

7. De que formas a garrafa térmica tenta impedir a transmissão do calor.

8. Uma esfera de alumínio quente (80 oC) é colocada num copo com água a 15 oC.

a) O que acontece com as temperaturas do alumínio e da água?

b) O que passa do alumínio para a água?

9. O que é necessário fazer para elevar a temperatura de um corpo? E para diminuí-la?

10. Sempre que um corpo recebe calor sua temperatura aumenta? Justifique

11. A capacidade térmica de um corpo vale 18 cal/oC. O que significa fisicamente este valor?

12. O calo específico do alumínio é de 0,22 cal/goC. O que significa fisicamente este valor?

13. Considerando que o calor específico da areia é pequeno, comparado com o da água, explica porque os desertos são muito quentes durante o dia e muito frios durante a noite.

IV – MUDANÇAS DE FASES

COMPETÊNCIAS

Ao final desta unidade, o aluno deverá ser capaz de:

- Identificar as mudanças de fases como uma alteração no estado de agregação das moléculas.

- Identificar temperatura e pressão como os fatores que determinam a fase na qual uma substância pode ser encontrada.

- Reconhecer que determinado corpo somente pode mudar de fase se receber ou perder energia.

- Reconhecer a influência da pressão na temperatura de mudança de fase.

- Entender os processos de troca de calor em uma geladeira.

1. FASES FUNDAMENTAIS DA MATÉRIA

Mudar a fase da matéria significa mudar o estado de agregação das moléculas.

Fase Sólida: Nesta fase, as moléculas estão bastante próximas umas das outras, agrupadas de tal maneira que formam sólidos espaciais. As forças de coesão molecular são muito fortes e as moléculas apresentam movimento de vibração.

Fase Líquida: Na fase líquida, as moléculas se agrupam de uma maneira mais simples, adquirindo movimento de translação além do movimento de vibração. As forças entre elas são mais fracas do que na fase sólida, mas continuam agrupadas.

Fase Gasosa: Nesta fase, as moléculas estão livres umas das outras, existindo grande movimento de translação. As forças entre as moléculas são muito fracas, a não ser no momento de colisão entre elas.

Qualquer substância pode ser encontrada nas três fases, dependendo da temperatura que possui e da pressão a que está submetida. Temperatura e pressão são, pois, os fatores que determinam a fase em que a substância pode ser encontrada. Para mudar de fase, porém, um corpo precisa receber ou ceder calor, chamado calor latente, que já foi discutido no capítulo anterior.

2. TIPOS DE MUDANÇAS DE FASES

Fusão – sólido  líquido

Solidificação – líquido  sólido

Vaporização – líquido  vapor

Condensação – vapor  líquido

Sublimação – sólido  vapor

Vapor  sólido

as diferentes mudanças de estado (mudança de fase)

3. FUSÃO E SOLIDIFICAÇÃO

3.1 TIPOS DE FUSÃO.

A passagem da fase sólida para a fase líquida se dá de duas formas diferentes, dependendo do tipo de substância. Algumas apresentam fusão cristalina e outras, fusão pastosa.

Fusão Cristalina: É a passagem direta da fase sólida para a líquida, a uma temperatura fixa.

Fusão Pastosa: A substância vai amolecendo aos poucos à medida que a temperatura aumenta. Não existe uma temperatura fixa para o fenômeno.

3.2 LEIS DA FUSÃO CRISTALINA

1a – Para um certo valor de pressão, a fusão de uma substância ocorre sempre à mesma temperatura. Esta temperatura é chamada de temperatura de fusão. Por exemplo, os pontos de fusão, sob pressão normal de 1 atmosfera para

água  0 oC

estanho  232 oC.

2a – Durante a fusão a temperatura permanece constante se a pressão permanecer constante.

3.3 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NA TEMPERATURA DE FUSÃO

Quando muda a pressão sobre um corpo, a temperatura em que ele funde se altera. Há dois casos a considerar:

A – substâncias que aumentam se volume ao fundir: Quanto maior a pressão, maior será a temperatura de fusão. Comportam-se desta maneira a maioria das substâncias.

B - substâncias que diminuem se volume ao fundir: Quanto maior a pressão, menor será a temperatura de fusão. Comportam-se desta maneira a água, o ferro, o bismuto e o antimônio.

3.4 A SOLIDIFICAÇÃO

Como a solidificação é a transformação inversa da fusão, tem-se que

- A temperatura de solidificação de uma substância é a mesma temperatura de fusão;

- As leis da solidificação são as mesmas da fusão;

- A quantidade de calor que devemos retirar de certa massa de uma substância para que ela solidifique, é a mesma quantidade de calor que devemos fornecer à mesma massa para fundi-la.

A tabela a seguir mostra as temperaturaS de fusão (TF) e os calores latentes de fusão (LF) de algumas substância.

Substância

TF (oC)

LF (cal/g)

água

0

80

chumbo

327

5,86

prata

961

21

Podemos analisar a tabela acima e discutir as questões abaixo.

Suponha que você aqueça 50 gramas de chumbo em uma colher de prata colocada sob uma chama.

a) a que temperatura o chumbo começa a se fundir?

b) A colher que contém o chumbo também se derreterá com ele?

c) Após o chumbo atingir a temperatura de fusão, qual a quantidade de calor que a chama deve fornecer ao chumbo para ele se fundir totalmente?

d) Se fossem fornecidas apenas 180 cal ao chumbo que já está a uma temperatura de 327 oC, e em seguida o sistema fosse retirado da chama e isolado termicamente, como se apresentaria o chumbo no interior da colher?

4. VAPORIZAÇÃO

4.1 TIPOS DE VAPORIZAÇÃO

Existem três maneiras de um líquido passar para a forma de vapor.

1a – Evaporação: Para uma certa quantidade de água, a uma temperatura qualquer (inferior a 100 oC), sabemos que suas moléculas estão em constante agitação. Existem, entretanto, algumas moléculas mais rápidas e outras mais lentas, com uma variedade muita ampla de valores de energia de movimento.

Quando as moléculas mais rápidas atingem a superfície do líquido, várias delas conseguem se libertar da atração das demais moléculas e escapam do meio líquido, passando para o estado de vapor. Dizemos que o líquido está evaporando, isto é:

A evaporação de um líquido é uma vaporização que ocorre a qualquer temperatura, constituindo-se em um processo lento.

A evaporação é observada com muita freqüência no nosso dia-a-dia. Ao estender uma roupa molhada, depois de um certo tempo a água “sumiu”, ou seja, a água evaporou. O processo de evaporação é o responsável pelo ciclo das chuvas.

2a – Ebulição: é a vaporização que ocorre em toda massa líquida, e uma temperatura fixa, caracterizando-se pela formação de bolhas de vapor no interior do líquido.

3a – Calefação: é a vaporização que ocorre quando um líquido é lançado sobre uma superfície que se encontra a uma temperatura superior a de ebulição do mesmo.

4.2. FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE EVAPORAÇÃO.

1o – Natureza do líquido: Experimentalmente, verifica-se que alguns líquidos evaporam mais rapidamente que outros. Diz-se então que alguns líquidos são mais voláteis que outros. O álcool é mais volátil que a água, pois se disponho de uma mesma quantidade de álcool e água, o álcool evapora mais rapidamente.

2o – Temperatura do líquido: Quanto maior a temperatura de um líquido, mais rapidamente ele evapora.

3o – Área da superfície livre do líquido: Quanto maior for a área da superfície livre do líquido, mais rapidamente ele evapora. A água contida num copo evapora mais rapidamente se espalhada no chão do que se ficar mantida no copo, pois a área da superfície livre do líquido foi aumentada.

4o – Concentração de vapor sobre a superfície do líquido: Quanto maior for a concentração de vapor do líquido sobre a superfície livre, menor será a velocidade de evaporação. Isto pode ser comprovado pelo fato das roupas no varal demorarem para secar num dia de alta umidade relativa do ar.

5o – Pressão exercida sobre a superfície do líquido: Quanto maior a pressão exercida sobre a superfície do líquido, menor será a rapidez com que ele evapora.

4.3 LEIS DA EBULIÇÃO

As leis da ebulição são semelhantes às leis da fusão cristalina.

1a – Sob determinada pressão, um líquido entra em ebulição sempre a mesma temperatura, chamada temperatura de ebulição.

2a – Durante a ebulição, a temperatura permanecer constante, se a pressão permanecer constante.

4.4. INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NA TEMPERATURA DE EBULIÇÃO

A temperatura de ebulição de um líquido depende da pressão a que está submetido, da mesma forma que ocorre com a temperatura de fusão. Para todos os líquidos, constata-se que:

Quanto maior for a pressão, maior será a temperatura de ebulição, e vice-versa.

O quadro a seguir, mostra a temperatura de ebulição da água em algumas cidades. Como sabemos, a pressão atmosférica diminui com o aumento da altitude, logo, como a temperatura de ebulição diminui com a redução da pressão, temos que a temperatura de ebulição diminui com o aumento da altitude.

5. CONDENSAÇÃO

Como a condensação é a transformação inversa da vaporização, observa-se que a quantidade de calor que devemos retirar de uma certa massa de vapor, para transformá-lo em líquido, é igual à quantidade de calor que devemos fornecer à mesma massa líquida, para vaporalizá-la.

A condensação de um vapor pode ser obtida por um dos seguinte processos:

- resfriamento sob pressão constante.

- compressão sob temperatura constante.

- resfriamento e compressão combinados.

6. SUBLIMAÇÃO

Sublimação é a passagem direta da fase sólida para a de vapor ou vice-versa. A sublimação só é verificada em condições especiais de temperatura e pressão. Nas condições ambientes (pressão de 1 atmosfera e temperatura ambiente) apenas a naftalina, iodo e o dióxido de carbono sublimam. A água sublima sob pressão igual ou menor do que 0,006 atmosferas.

7. CÁLCULO DA QUANTIDADE DE CALOR LATENTE.

Calor latente é o calor que, fornecido ou retirado de um corpo, provoca unicamente uma mudança de fase sem mudar a temperatura. Já verificamos anteriormente que esta quantidade de calor latente é calculada na forma

onde “m” é a massa de substância que mudou de estado físico e “L” é o calor latente característico da mudança que está ocorrendo e do material que está mudando de estado físico.

O calor latente de mudança de estado físico nos informa a quantidade de calor que devemos fornecer ou retirar de uma unidade de massa de uma substância, para que ela mude de estado físico.

Exemplos:

- O calor latente de fusão do gelo valor 80 cal/g. Isto quer dizer que devemos fornecer 80 calorias de calor para fundir 1 grama de gelo que se encontra a 0 oC, ou devemos retirar 1 caloria de 1 grama de água (a 0 oC) para solidificá-la.

- O calor latente de vaporização da água vale 540 cal/g. Isto significa que devemos fornecer 540 calorias a uma grama de água a 100 oC para vaporizá-la, ou devemos retirar 540 calorias de 1 grama de vapor de água (a 100 oC) para condensá-lo.

Observação: Os calores latentes de solidificação e de condensação de uma substância são numericamente iguais, respectivamente, aos de fusão e vaporização, porém com sinal negativo, pois o calor, nestes casos, é retirado do corpo.

A tabela a seguir mostra as temperatura de fusão (TF) e de ebulição (TE) e os calores latentes de fusão (LF) e de vaporização (LV) de algumas substâncias.

Substância

TF (oC)

LF (cal/g)

TE (oC)

LF (cal/g)

Água

0

80

100

540

Álcool etílico

-114

24,9

79

204

Chumbo

327

5,86

1744

222

Mercúrio

-39

2,82

357

65

Nitrogênio

-210

6,09

-196

48

Oxigênio

-219

3,3

-183

51

Prata

961

21,2

2212

552

ATIVIDADES

QUESTÕES

1. Diferencie fusão cristalina de fusão pastosa.

2. O gelo sempre funde a 0 oC? Explique.

3. Sob pressão normal de 1 atm, o gelo funde a 0 oC e o estanho a 232 oC. Sob pressão de 5 atm, o gelo fundirá a uma temperatura menor, maior ou igual que 0 oC? E o estanho fundirá a uma temperatura menor, maior ou igual a 232 oC?

4. Diferencia evaporação de ebulição.

5. Onde a água ferve a uma temperatura mais baixa, em Pelotas ou Caxias do Sul? Justifique.

6. Por que o tempo de cozimento dos alimentos em panelas de pressão é menor do que em panelas comuns?

7. A água pode entrar em ebulição a 60 oC? e a 200 oC?

8. Por que a roupa seca mais rapidamente estendida do que enrolada?

9. 100 ml de água evaporam mais rapidamente em um copo ou numa bacia grande? Por que?

10. Toda vez que um corpo recebe ou cede calor sua temperatura varia? Por que?

11. Uma moeda de prata possui massa igual a 100g. Consultando a tabela da página anterior responda:

a – Aquecendo-se a moeda, e qual temperatura ela começará a se fundir?

b – Se, ao ser atingida esta temperatura, o fornecimento de calor for interrompido, a moeda se fundirá? Justifique.

19

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