IFSP - Pirituba Prof. Renato Pugliese renatopugliese.wordpress.com. Curso Preparatório para o ENEM (frente 2) 2º semestre de 2016

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1 IFSP - Pirituba Prof. Renato Pugliese renatopugliese.wordpress.com Curso Preparatório para o ENEM (frente 2) 2º semestre de 2016 Aula 1 - Temperatura e Equilíbrio térmico; Escalas Apresentação - Professor e turma - IFSP - Curso de física (frente 2) - Modo de estudo - ENEM, vestibulares, universidade, futuro... Temperatura A temperatura dos corpos é um daqueles assuntos-chave na história da física. Da mesma maneira em que qualquer corpo no Universo pode estar ou não em movimento, visto que não há um referencial absoluto, também qualquer corpo no Universo está em uma determinada temperatura. A temperatura de um objeto está relacionada com características dinâmicas de sua composição ou, em outras palavras, está relacionada com o movimento das partículas que constituem os corpos materiais. Desse modo, qualquer corpo material formado por quaisquer partículas está em alguma temperatura. Medição de temperatura - Qual(is) a(s) diferença(s) física entre um tanto de água a 20ºC e o mesmo tanto a 80ºC? - O que significa estarmos com 36ºC de temperatura? Mudanças de estado físico 1. Mudança de estado físico (solidificação) (liquefação/condensação) Sólido - Líquido - Gás (fusão) (ebulição/vaporização) 2. Termômetros (sublimação) - Tipos - Mercúrio, álcool, gás, termopar, termostato... Escalas termométricas Escalas clássicas: Celsius e Fahrenheit - século dezoito (~ 1720). a) Celsius (baseada na água) - Anders Celsius ( ) - 0º: congelamento da água no nível do mar º: fervura da água no nível do mar.

2 b) Fahrenheit (baseada em mistura abaixo) - Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) - 0º: congelamento da mistura álcool+água+sais - 100º: temperatura do corpo humano Escala termodinâmica: Kelvin - século dezenove (~ 1860) c) Kelvin (baseada na TCM) - William Thomson, ou Lord Kelvin ( ) - 0: Repouso absoluto das moléculas - 273,15: congelamento da água - 373,15: fervura da água Equilíbrio térmico e Lei zero da termodinâmica Na prática, corpos com diferentes temperaturas colocados em contato físico tendem a atingir o equilíbrio térmico, ou seja, tendem a ficar com a mesma temperatura. Dessa forma, podemos enunciar a lei zero da termodinâmica: Se os corpos A e B estão cada um em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então, eles estão em equilíbrio térmico entre si, ou seja, T A = T B = T C. Comparação entre escalas Celsius Fahrenheit Kelvin Tc 0 Tf 32 = = Tk Simplificando, temos: Tc 32 =Tf = Tk Assim, podemos separar: a) Celsius x Fahrenheit b) Celsius x Kelvin c) Fahrenheit x Kelvin Tc 32 Tc =Tf =Tk 273 Tf 32 = Tk

3 Aula 2 Calorimetria Calor Calor pode ser definido como a energia transferida entre corpos com diferentes temperaturas ou entre um corpo e sua vizinhança, desde que estejam com diferentes temperaturas. Essa forma de energia (o calor) está relacionada com a agitação térmica molecular ou, em outras palavras, com a energia cinética de cada partícula constituinte do corpo em questão. Dessa forma, quanto mais agitadas estão as partículas, maior possibilidade do corpo transferir energia para outro. Podemos afirmar também que o recebimento ou a perda de calor por um corpo ocasiona o aumento ou a diminuição de sua temperatura ou uma mudança em seu estado físico. Ex.: Água de 20ºC para 80ºC; Sensação de frio e de calor; Calorimetria Para medirmos a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo, precisamos levar em consideração o material do qual é feito e por qual a variação de temperatura ou de estado ele está passando. A princípio a unidade padrão de medida para o calor era a caloria (cal); na TCM, tratando calor como energia, utilizamos a unidade joule (J). Curvas de aquecimento Gráfico de Temperatura x Quantidade de calor: T x Q Exemplos: Água: T F = 0ºC T E = 100ºC Álcool: T F = -114ºC T E = 78ºC Estanho: T F = 231ºC T E : 2602ºC a) Quantidade de calor sensível (Q S ) Para mudanças de temperatura. Q S = m.c.δt Onde: m: massa do corpo c: calor específico do material ΔT: variação de temperatura Ex.: c(água) = 1 cal/gºc; b) Quantidade de calor latente (Q L ) Para mudanças de estado físico. Q L = m.l Onde: m: massa do corpo L: calor específico latente do material c) Equilíbrio térmico Corpos com temperatura diferente entram em equilíbrio térmico se colocados em contato físico por tempo indeterminado em um recipiente isolante térmico. O mais quente cede calor e o mais frio ganha calor, até que atinjam a temperatura de equilíbrio. Matematicamente: Q R + Q C = 0 Onde: Q R : calor recebido pelo corpo frio. Q C : calor cedido pelo corpo quente.

4 Aula 3 - Dilatação térmica Dilatação térmica Todo corpo, ao variar sua temperatura em função do recebimento ou da perda de calor, sofre dilatação térmica em seu volume, sendo que esta pode ser para mais ou para menos. Geralmente ao aumentarmos a temperatura de um corpo este aumenta seu volume, mas isto não é regra, pois em alguns casos ocorre o contrário. Considerando o espaço euclidiano tridimensional, podemos afirmar que todo corpo tem seu volume alterado nas três dimensões possíveis, fato este devido à maior agitação molecular de seus constituintes. Contudo, por vezes a variação em uma ou duas dimensões é desprezível ou insignificante para o problema, e trabalhamos apenas com a variação nas outras dimensões. Termômetros e termostatos geralmente possuem seu fundamento funcional na dilatação térmica de algum material, sólido, líquido ou gasoso, exceto os que funcionam a partir da absorção/emissão de ondas de infravermelho ou através de corrente ou resistência elétrica. Corpos rígidos Fluidos a) Linear Ocorre quando apenas uma dimensão da dilatação é significativa. Exemplos: régua, barra, corda, fio, tira bimetálica... Δl = l 0.α.ΔT Δl: variação do comprimento l 0 : comprimento inicial α: coeficiente de dilatação linear [α] = ºC -1 ou K -1 ΔT: variação de temperatura b) Superficial Ocorre quando duas dimensões da dilatação são significativas. Exemplo: pisos, azulejos, carros (partes), portas, chapas furadas... ΔS: S 0.β.ΔT ΔS: variação da área da superfície S 0 : Área da superfície inicial β: coeficiente de dilatação superficial β = 2.α c) Volumétrica a) Líquidos Ocorre quando as três dimensões da dilatação são significativas. Exemplos: prédios, TV, obturação dentária, próteses... ΔV = V 0.γ.ΔT ΔV: variação do volume V 0 : volume inicial γ: coef. de dilatação volumétrica γ = 3.α Como os fluidos não tẽm forma específica, quase sempre consideramos sua dilatação como volumétrica. Exemplos: Água em copo, álcool no tudo de ensaio, mercúrio no termômetro... Dilatação volumétrica

5 Exemplos ΔV = V 0.γ.ΔT Obs.1: A dilatação aparente de um líquido está relacionada com a diferença da dilatação do recipiente onde ele se encontra da dilatação real. Obs.2: A água sofre dilatação inversa entre 0ºC e 4ºC. b) Gases Exemplos: Ar em balão, gases no estômago... Dilatação volumétrica ΔV = V 0.γ.ΔT γ = 1/273ºC -1 = 0,00366ºC -1 Índice de coeficiente (γ) igual para qualquer gás, devido a não interação entre suas moléculas. α(aço) = K -1 α(latão) = K -1 α(invar) = 0, K -1 α(aço) = K -1

6 Aula 4 Trocas de Calor Trocas de calor Quando um corpo recebe ou cede calor, este pode o fazer de três maneiras distintas, a saber: condução, convecção ou irradiação. a) Condução: Corpos postos em contato físico permitem colisões entre suas moléculas mais externas, realizando troca de energia. Dessa forma, se dois corpos com temperaturas diferentes são postos em contato, as moléculas do corpo mais quente (com maior agitação) cederão energia durante as colisões, diminuindo sua temperatura e aumentando a do corpo mais frio. Alguns materiais são bons condutores, outros maus. Ex.: Cabo x panela, termômetro x pessoa... b) Convecção: Fluidos (ou um só fluido) com diferentes temperaturas possuem diferente densidade e, portanto, podem realizar movimentos de troca de posição (altitude, geralmente) permitindo que o calor seja recebido ou cedido por partes do sistema. Ex.: Geladeira, ventos, balão... c) Irradiação: Partículas com carga elétrica emitem/absorvem ondas eletromagnéticas quando aceleradas. Ondas com comprimento de onda da ordem do infravermelho (micro-ondas) são responsáveis pelo aquecimento ou resfriamento dos corpos; dessa forma, há troca de calor através do recebimento e/ou absorção destas ondas. Ex.: Sol, fogueira, ap. de micro-ondas... Capacidade térmica C = Q/dT [C] = J/K; cal/ºc; kj/ºc... Potência térmicas P = Q/dt [P] = J/s; W; cal/min...

7 Lista 1: Gabarito e distribuição 01. C Mudanças de estado (aula 1) 02. E Mudanças de estado (aula 1) 03. D Mudanças de estado (aula 1) , 04 e 08 Mudanças de estado (aula 1) , 02 e 16. Mudanças de estado (aula 1) e 04 Mudanças de estado (aula 1) 07. D Mudanças de estado (aula 1) 08. D Mudanças de estado (aula 1) 09. A Temperatura x Calor (aula 2) 10. B Equilíbrio térmico (aula 2) 11. B Calorimetria (aula 2) ,85 cal Calorimetria (aula 2) 13. C Calorimetria (aula 2) Calor específico (aula 2) 15. C Calorimetria (aula 2) 16. C Equilíbrio térmico (aula 2) 17. B Calorimetria (aula 2) 18. E Calorimetria (aula 2) 19. B Calorimetria (aula 2) 20. D Calorimetria (aula 2) 21. D Equilíbrio térmico (aula 2) 22. B Calorimetria (aula 2) 23. C Calorimetria (aula 2) 24. C Dilatação (aula 3) , 04 e 08 Dilatação (aula 3) 26. D Dilatação (aula 3) 27. C Dilatação (aula 3) 28. D idem 29. B idem 30. B idem 31. A Trocas de calor (aula 4) 32. E idem 33. C idem 34. A idem 35. B idem , 08 e 32 idem 37. A idem 38. D idem 39. C idem idem 41. A idem 42. B idem 43. D idem 44. A Trocas de calor / calor específico (aula 4) 45. C Capacidade térmica x condutividade (aula 4) 46. c = 0,15 cal/gºc Calorimetria / Potência térmica (aula 4) C = 75 cal/ºc