a teoria do calórico (~1779) para atingir o estado de equilíbrio térmico, t1t1 t2t2 t 1 > t 2...
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Calor e a 1ª Lei da Termodinâmica
A teoria do “calórico” (~1779)
Para atingir o estado de equilíbrio térmico,
T1 T2T1 > T2
-Substância fluida- invisível- peso desprezível
T a quantidade de calóricoEsta teoria explicava um grande número de fenômenos, mas não todos!
Capacidade calorífica e calor específico
TmcTCQ Onde C é a capacidade calorífica ou térmica
C é a quantidade de energia transferida, através de aquecimento, necessária para elevar a temperatura de uma
substância de 1 grau.
m
Cc Calor específico é definido por:
1 cal = 4,184 J (14,5 oC p/ 15,5 oC)1 Btu = 252 cal = 1,054 kJ
Cágua = 1 cal / g oC = 1 kcal / kg oC = 1 kcal / kg K = 4,184 kJ / kg KCágua = 1 Btu/lb Fo
A capacidade calorífica por mol capacidade calorífica molar,ou ainda, calor molar c’
n
Cc , Mc
n
mc
n
Cc ,
Ex 18-1 Que quantidade de calor é necessária para elevar de 20 oC a temperatura de 3 kg de cobre?
c da água é muito grande! Ótimo refrigerador e ótimo aquecedor!
Calorimetria – medir trocas de calor entre corpos
Calorímetro: recipiente com água termicamente isoladoSeja um corpo com massa mc calor específico cc com temperatura inicial Tic e, após o banho com água atinge uma temperatura final Tf
Supondo que Tic > Tia
O calor liberado pelo corpo será:
icfccsai TTcmQ
Se Tia for a temperatura inicial da água e do recipiente e Tf for a temperatura final de equilíbrio, então o calor absorvido
será:
0
0
iafrriafaaicfcc
entrasai
iafrriafaaentra
TTcmTTcmTTcm
TTcmTTcmQ
Ex 18-2 Para medir o calor específico do chumbo, uma pessoa aquece 600 g de granalha de chumbo até a temperatura de 100 oC e depois coloca este conteúdo num calorímetro de alumínio com 200 g de massa, contendo 500 g de água, inicialmente a 17,3 oC. Se a temperatura final do conjunto for 20,0 oC, qual o calor específico do chumbo? (cAl = 900 J/kg K)
Sólidos, Líquidos e Gases
Substâncias na natureza
3 fases ou
estados
Sólida ou líquida ou
gasosa
Determinada pela T e p
Ex.: Nas condições ambientes (24 oC e 1 atm)
Fe (sólido) líquido (quando aumenta a T)H2O (líquida) gás (quando aumenta a T ou abaixa a p)
Quando uma substância passa de uma fase para outra, diz-se que houve uma mudança de fase ou de estado
Estudaremos as leis que descrevem o comportamento das substâncias ao mudarem de fase
ESTADO SÓLIDOÁtomos muito próximos e ligados por forças elétricas relativamente fortes (não existe translação), porém, existe vibração (agitação térmica)
Devido a forte ligação: forma própria e resistência a deformação
Cristais
Uma mesma substância pode se apresentar em estruturas cristalinas diferentes
Fulerenos
C20+2m (m=0,2,3,...)
“Carbynes”
CCCC
CCCC
Poliênica
Cumulênica
“Onions”
Nanotubos
Amorfos – quando os átomos não estão distribuídos numa estrutura organizada (vidro, asfalto, plásticos, borracha, etc)
ESTADO LÍQUIDO
• Átomos estão mais afastados.• A força de ligação entre eles é mais fraca que nos sólidos• Existem pequenas translações dos átomos
Propriedades: -podem escoar - não oferecem resistência a penetração - tomam a forma do recipiente - átomos estão distribuídos aleatoriamente
ESTADO GASOSO ( já estudamos!)
Fornecendo ou retirando calor
Varia a agitação molecular kTEcinética 2
3
A força de ligação entre os átomos é alterada
Acarretando modificações na organização e separação dos átomos
Ou seja, pode ocasionar uma mudança de fase
FUSÃO E SOLIDIFICAÇÃO
Leis da Fusão:
1) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a fusão (ponto de fusão) é bem determinada para cada substância.
2) Se um sólido se encontra em sua temperatura de fusão, é necessário fornecer calor a ele para que ocorra a mudança de estado. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de fusão, que é característico de cada substância.
3) Durante a fusão, a temperatura do sólido permanece constante.
Pontos de fusão e calores latentes de fusão (à p = 1 atm)
Substância Ponto de fusão (o C) Calor latente (cal/g)
Platina 1775 27
Prata 961 21
Chumbo 327 5,8
Enxofre 119 13
Água 0 80
Mercúrio -39 2,8
Álcool etílico -115 25
Nitrogênio -210 6,1
- Estas leis valem apenas para sólidos cristalinos
- Nos amorfos a mudança de fase é gradativa (estados intermediários pastosos)
Ebulição
Leis da Ebulição:
1) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a EBULIÇÃO (ponto de ebulição) é bem determinada para cada substância.
2) Se um líquido se encontra em sua temperatura de ebulição, é necessário fornecer calor a ele para que o processo seja mantido. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de vaporização, que é característico de cada substância.
3) Durante a ebulição, apesar de se fornecer calor ao líquido, sua temperatura permanece constante e o vapor que vai sendo formado encontra-se à mesma temperatura do líquido.
Pontos de ebulição e calores latentes de vaporização (à p = 1 atm)
Substância Ponto de fusão (o C) Calor latente (cal/g)
Iodo 184 24
Bromo 59 44
Hélio -269 6
Água 100 540
Mercúrio 357 65
Álcool etílico 78 204
Nitrogênio -196 48
VAPORIZAÇÃO
Duas maneiras:
1) por Evaporação - a passagem se faz lentamente, a qualquer temperatura. Ex.: secagem de uma roupa molhada
2) por Ebulição - passagem rápida, a uma temperatura bem determinada. Ex.: a p = 1 atm a água começa a ferver aos 100 oC.
Evaporação:
A qualquer temperatura ocorre agitação das moléculas (v variável)
As moléculas de maior velocidade deixam o líquido e as que sobram no líquido possuem v menor. a temperatura do líquido diminui.
Velocidade de evaporação:
1) Quanto maior a temperatura, maior a rapidez com que o líquido evapora, isto é, Q a Dt a v2 e maior será a probabilidade das moléculas escaparem da superfície livre do líquido;
2) Quanto maior for a área da superfície livre do líquido maior é a probabilidade das moléculas escaparem;
3) Com VENTO, seca mais rápido.
Já, com clima úmido, demora mais.
A energia necessária para fundir uma substância de massa m sem alterar sua temperatura é:
ff mLQ
onde Lf é o calor latente de fusão da substância
E, para vaporizar: vv mLQ
Ex 18-3 Qual a quantidade de calor necessária para transformar 1,5 kg de gelo a -20 oC e 1 atm em vapor?
Ex 18-4 Um jarro de 2 litros, com limonada, foi colocado sobre uma mesa de piquenique, ao sol o dia inteiro, a 33 oC. Uma amostra de 0,24 kg de limonada é derramada numa xícara com dois cubos de gelo (cada um com 0,025 kg, a 0 oC). Considere que a xícara é feita com isolante térmico isopor. a) admitindo que não haja perda de calor para o ambiente, qual a temperatura final da limonada? b) qual seria a temperatura final se fossem colocados 6 cubos de gelo?
627 kJ
500 kJ
61,5 kJ
3390 kJ
A experiência de Joule e a 1ª Lei da termodinâmica
É possível elevar a temperatura de um sistema fornecendo-lhe calor, ou também realizando um trabalho sobre ele
Pesos de 772 lb cadaPara aumentar 1 oF a uma distância de um
pé (30,48 cm)
1 cal = 4,184 JEquivalente
mecânico do calor
Ex 18-5 Você deixa cair um recipiente com água, termicamente isolado, de uma altura h do solo. Se a colisão for perfeitamente inelástica e toda a energia mecânica se transformar em energia interna da água, qual deve ser a altura h para a temperatura da água aumentar de 1 oC?
mcDT = mghh=426m
Q = 100 JW = 30 J
DEint = 70 J
Generalizando,
DEint = Q - Wsistema
Esta é a variação na quantidade de energia interna de um
sistema quando uma quantidade de calor é
absorvida ou cedida e um trabalho é realizado por este
sistema ou sobre ele.
Ex 18-6 Realiza-se 25 kJ de trabalho sobre um sistema que consiste em 3 kg de água agitando-se essa água por meio de uma roda de palhetas. Durante este período o sistema perde 15 kcal de calor devido a ineficiência do isolamento. Qual a variação da energia interna do sistema?
1ª Lei da Termodinâmica