Calor - essencial e problemas 1/2

Calor: competĂŞncias essenciais Michael Fowler Calor, Temperatura, Calor EspecĂ­fico, Trabalho O primeiro termĂłmetro (o de Galileu) usava a expansĂŁo de um gĂĄs com a temperatura: nĂŁo era muito fiĂĄvel porque nĂŁo levava em conta a variação da pressĂŁo atmosfĂŠrica. MercĂşrio em vidro tornou-se a escolha padrĂŁo, e permitiu a descoberta da Lei Zero da Termodinâmica: Se dois objectos estĂŁo em equilĂ­brio tĂŠrmico com um terceiro, entĂŁo estĂŁo em equilĂ­brio tĂŠrmico entre si. (O “terceiro corpoâ€? numa situação prĂĄtica ĂŠ o termĂłmetro.) A unidade de calor: 1 caloria ĂŠ o calor necessĂĄrio para aumentar em 1 grau Celsius 1 grama de ĂĄgua. MAS as Calorias usadas nos produtos alimentares sĂŁo QUILOcalorias: o calor necessĂĄrio para aquecer em 1 grau 1 quilograma de ĂĄgua. O calor especĂ­fico de uma substância ĂŠ o calor, em calorias, necessĂĄrio para elevar a temperatura de 1 grama do material em 1 grau Celsius. Conhecer o resultado de Dulong e Petit, de que para uma sĂŠrie de elementos o produto do peso atĂłmico pelo calor especĂ­fico ĂŠ o mesmo, e o seu significado em termos de capacidade calorĂ­fica por ĂĄtomo. Calor latente: saber o que ĂŠ. Coeficientes de expansĂŁo: saber valores tĂ­picos para metais, e ser capaz de provar que o coeficiente volĂşmico ĂŠ o triplo do linear, e saber que a ĂĄgua contrai ao ser aquecida entre os zero e os quatro graus. Saber como varia a pressĂŁo com a temperatura na maioria dos gases, e compreender que daĂ­ decorre uma escala natural de temperatura e que, juntando a Lei de Boyle, se obtĂŠm a Lei dos Gases đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›. Deve saber o que ĂŠ uma mole de gĂĄs, o que significa o nĂşmero de Avogadro e qual o seu valor (aprox.).

Saber que a Teoria Calórica, que trata o calor como um fluido como a electricidade, då previsþes correctas do modo como o calor flui entre dois corpos, e falha apenas quando o calor Ê convertido em trabalho ou o trabalho em calor, e que quando isso acontece, a energia total Ê conservada: por outras palavras, o trabalho realizado Ê igual à quantidade de calor que desapareceu, sendo a equivalência dada por 1 caloria = 4.2 Joules aproximadamente. Não faça confusão com as quilocalorias nas conversþes!

Esta Ê a: Primeira Lei da Termodinâmica: a energia total (incluindo calor) Ê conservada.

Teoria CinĂŠtica dos Gases ���2 /3đ?‘‰đ?‘‰ considerando as sucessivas reflexĂľes de uma molĂŠcula nas Ser capaz de deduzir que đ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘Łđ?‘Ł paredes de uma caixa, e juntamente com a Lei dos Gases đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘› e a constante de Boltzmann đ?‘˜đ?‘˜ = đ?‘…đ?‘…/đ?‘ đ?‘ relacionar a temperatura com a energia cinĂŠtica molecular: �������� 1 3 ��� đ??¸đ??¸đ?‘?đ?‘? = đ?‘šđ?‘šđ?‘Łđ?‘Ł 2 = đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜. 2 2

Compreender o espaço de velocidades na descrição do estado instantâneo de um gås. Saber que a �� ��2

ďż˝âˆ’

ďż˝

distribuição das velocidades moleculares ĂŠ đ?‘“đ?‘“(đ?‘Łđ?‘Ł) âˆ? đ?‘Łđ?‘Ł 2 đ?‘’đ?‘’ 2đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜ , ser capaz de a esboçar (muito aproximadamente, qual ĂŠ o ser valor mĂĄximo?) e ter uma ideia de como varia com a temperatura. đ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘š â„Ž

Compreender da Lei dos Gases porque ĂŠ que đ?œŒđ?œŒ = đ?œŒđ?œŒ0 đ?‘’đ?‘’ −đ??śđ??śđ??śđ??śâ„Ž = đ?œŒđ?œŒ0 đ?‘’đ?‘’ − đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜ .

Graus de liberdade de uma molÊcula: translaccional (isto Ê, movimento numa direcção), rotacional, possivelmente vibracional. Termodinâmica do Gås Ideal: Calor específico, IsotÊrmicas, Adiabåticas 3

3

Para um gĂĄs monoatĂłmico (sem energia rotacional) đ??¸đ??¸đ?‘–đ?‘–đ?‘–đ?‘–đ?‘–đ?‘– = 2 đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜đ?‘˜ Ă— đ?‘ đ?‘ đ??´đ??´ = 2 đ?‘…đ?‘…đ?‘…đ?‘…. Logo đ??śđ??śđ?‘‰đ?‘‰ =

3 đ?‘…đ?‘…. 2

Ser capaz de deduzir a relação de Mayer đ??śđ??śđ?‘ƒđ?‘ƒ = đ??śđ??śđ?‘‰đ?‘‰ + đ?‘…đ?‘…. 5

Saber que đ??śđ??śđ?‘‰đ?‘‰ (đ?‘‚đ?‘‚2 ) = 2 đ?‘…đ?‘…, ter uma ideia do porquĂŞ, e saber a definição de đ?›žđ?›ž: đ??śđ??śđ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?›žđ?›ž. đ??śđ??śđ?‘‰đ?‘‰

GrĂĄficos PV e MĂĄquinas TĂŠrmicas As propriedades de uma quantidade fixa de um gĂĄs ideal sĂŁo completamente determinadas por đ?‘ƒđ?‘ƒ e đ?‘‰đ?‘‰, dado que đ?‘‡đ?‘‡ decorre da Lei dos Gases. Um cilindro contendo um gĂĄs quase ideal ĂŠ o mecanismo central de quase todas as mĂĄquinas tĂŠrmicas. O fluxo de energia calorĂ­fica para energia mecânica ĂŠ analisado

traçando a trajectĂłria do gĂĄs no plano đ?‘ƒđ?‘ƒ, đ?‘‰đ?‘‰.

GrĂĄficos simples tĂŞm segmentos dos seguintes tipos: (Importante! Isto compreende-se melhor seguindo o fluxo de energia.) 1. IsotĂŠrmicas, temperatura constante, logo energia interna constante. Portanto ao longo de uma isotĂŠrmica o trabalho realizado ĂŠ exactamente igual ao calor recebido. 2. AdiabĂĄticas: sem trocas de calor. Consequentemente, o trabalho realizado ĂŠ igual Ă variação da energia interna, e para um gĂĄs ideal ĂŠ simplesmente đ??śđ??śđ?‘‰đ?‘‰ (đ?‘‡đ?‘‡1 − đ?‘‡đ?‘‡2 ).

3. Volume constante: nĂŁo hĂĄ trabalho realizado, portanto calor absorvido = variação da energia interna. 4. PressĂŁo constante: trabalho realizado = đ?‘ƒđ?‘ƒ(đ?‘‰đ?‘‰2 − đ?‘‰đ?‘‰1 ) = đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›(đ?‘‡đ?‘‡2 − đ?‘‡đ?‘‡1 ). O Ciclo de Carnot Ser capaz de deduzir que đ?‘‰đ?‘‰

trabalho realizado isotermicamente = đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘›đ?‘› ln đ?‘‰đ?‘‰đ?‘?đ?‘? . đ?‘Žđ?‘Ž

Saber esboçar o ciclo de Carnot no plano đ?‘ƒđ?‘ƒ, đ?‘‰đ?‘‰, e ser capaz de explicar o que acontece em cada segmento. đ?‘‡đ?‘‡

Saber capaz de deduzir que đ?‘Šđ?‘Š = đ?‘„đ?‘„đ?‘„đ?‘„ − đ?‘„đ?‘„đ??šđ??š = ďż˝1 − đ?‘‡đ?‘‡ đ??šđ??š ďż˝ đ?‘„đ?‘„đ?‘„đ?‘„ , e daqui que o rendimento = đ?‘„đ?‘„

đ?‘Šđ?‘Š

đ?‘„đ?‘„đ?‘„đ?‘„

��

= 1 − đ?‘‡đ?‘‡ đ??śđ??ś . đ??ťđ??ť

Segunda Lei da Termodinâmica: Ê impossível construir uma måquina que funcione ciclicamente, extraindo calor de uma fonte fria para uma fonte quente ao mesmo tempo que realiza trabalho mecânico. Compreender como Ê que esta Lei conduz à conclusão de que nenhuma måquina pode ser mais eficiente do que o ciclo de Carnot.

Entropia Saber a definição de entropia de um gĂĄs ideal no plano đ?‘ƒđ?‘ƒ, đ?‘‰đ?‘‰,

(đ?‘ƒđ?‘ƒ ,đ?‘‰đ?‘‰ ) đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘

đ?‘†đ?‘†(đ?‘ƒđ?‘ƒ2 , đ?‘‰đ?‘‰2 ) = đ?‘†đ?‘†(đ?‘ƒđ?‘ƒ1 , đ?‘‰đ?‘‰1 ) + âˆŤ(đ?‘ƒđ?‘ƒ 2,đ?‘‰đ?‘‰ 2) 1 1

��

(ao longo de um caminho reversĂ­vel)

e ser capaz de provar que ĂŠ a mesma ao longo de qualquer caminho reversĂ­vel. Terceira Lei da Termodinâmica: um sistema Ă temperatura do zero absoluto tem entropia nula. (Primeiro era um postulado, adivinhado, e sĂł foi provado posteriormente com a mecânica quântica.) Para um gĂĄs perfeito: đ?‘†đ?‘†(đ?‘ƒđ?‘ƒ2 , đ?‘‰đ?‘‰2 ) − đ?‘†đ?‘†(đ?‘ƒđ?‘ƒ1 , đ?‘‰đ?‘‰1 ) = đ??śđ??śđ?‘‰đ?‘‰ ln

��2 ��2 + ���� ln . ��1 ��1

Isto significa que a variação da entropia depende apenas dos estados inicial e final, mesmo que o caminho seja irreversível. ��

Variação de entropia num gås expandindo-se no våcuo: ���� ln ��2 . 1

Entropia ĂŠ uma medida do nĂşmero de estados acessĂ­veis ao sistema a uma dada energia. A entropia aumenta sempre no mundo real.

Tradução/Adaptação Casa das Ciências 2009