Leis da termodinâmica, dilatação dos sólidos e tipos de calor

As questões do Enem sempre relacionam os assuntos teóricos aos fenômenos do cotidiano. Por isso, revise sobre Termodinâmica e temperatura com o Curso Enem Gratuito.

Você já quebrou um copo ao colocá-lo quente na pia gelada? Já percebeu que no verão os fios dos postes parecem mais compridos que no inverno? Tudo isso pode ser explicado pelos conceitos de Física, como a termodinâmica e a temperatura.

Dilatação dos sólidos

As dimensões de um corpo sólido são influenciadas pela variação de temperatura. Um exemplo mais visível desse fenômeno é o fato de uma barra metálica ou um fio (como os que levam eletricidade nos postes) aumentar/diminuir seu tamanho com o aumento/diminuição da temperatura. Em física, essa variação das dimensões de um corpo chama-se dilatação/contração térmica.

Um exemplo de uma situação bem prática da aplicação da dilatação (ou expansão térmica) é aquele pote cuja tampa é difícil de abrir. Algumas pessoas costumam colocá-la sob água quente para facilitar a abertura e intuitivamente estão utilizando o fenômeno de expansão térmica.

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Outro exemplo de aplicação da expansão térmica se dá em termômetros de mercúrio onde uma coluna desse líquido se expande à medida que a temperatura aumenta e se contrai caso a temperatura diminui.

O fenômeno de dilatação térmica pode ser classificado em linear, superficial e volumétrico dependendo da dimensão em que se dá a expansão/contração.

Dilatação linear

Considere uma barra de ferro submetida ao contato com as chamas de uma vela, como na figura abaixo. A variação de comprimento da barra  é diretamente proporcional ao seu comprimento inicia , à variação de temperatura e depende do material que constitui a barra.

temperatura - vela
Barra submetida a uma elevação de temperatura através das chamas de uma vela.

Matematicamente podemos escrever a fórmula da dilatação linear assim: ΔL = α . L0 . ΔT

Onde ΔL é a variação de comprimento da barra, α é o coeficiente de dilatação linear (que varia de material para material), L0 é o comprimento inicial da barra e ΔT é a variação de temperatura sofrida pela barra.

temperatura - linha férrea
Efeito da dilatação térmica em trilhos metálicos de uma linha férrea

A tabela abaixo apresenta os coeficientes de dilatação linear de alguns materiais. Perceba que quanto maior o coeficiente, maior será a dilatação/contração sofrida pelo material caso ocorra alguma variação de temperatura.

tabela de coeficiência de dilatação linear

Para entender melhor a dilatação térmica linear, assista à videoaula abaixo, com a professora Lia!

Dilatação superficial e volumétrica

Analogamente ao caso da dilatação linear, temos a dilatação superficial (relacionada ao aumento das dimensões de uma área) e a dilatação volumétrica (aumento das dimensões de volume de um objeto).

Como os fenômenos são análogos, podemos descrever a dilatação superficial como ΔA = A0 . β . ΔT

Onde ΔA é a variação de área sofrida pelo objeto, A0 é a área inicial, β é o coeficiente de dilatação superficial (característico de cada material) e ΔT é a variação de temperatura.

Uma dica valiosa para a resolução de exercícios é que podemos determinar o coeficiente de dilatação superficial de um material a partir do coeficiente de dilatação linear, fazendo β = 2α.

Já para a dilatação volumétrica temos a fórmula ΔV = V0 . γ . ΔT

Onde ΔV é a variação de volume sofrido por um objeto, V0 é o volume inicial, γ é o coeficiente de dilatação volumétrico (que depende do tipo de material) e ΔT é a variação de temperatura.

Analogamente ao caso superficial, podemos determinar o coeficiente de dilatação volumétrico de um material a partir do coeficiente de dilatação linear, fazendo γ = 3α.

A unidade de medida dos coeficientes de dilatação é °C-1.

Assista à videoaula a seguir para entender ainda melhor a dilatação superficial e volumétrica.

O conceito de calor

Calor (Q) nada mais é do que energia térmica em trânsito. Isso mesmo, calor é ENERGIA que está em trânsito, portanto não podemos dizer (pelo menos em terminologia correta da física) a famosa expressão “estou com calor”.

O correto seria dizer “estou com uma sensação térmica de aumento de temperatura”. Deixando o trocadilho de lado, passamos agora a investigar o que ocorre quando há calor.

Primeiramente, para que haja calor, é necessária uma diferença de temperatura entre os corpos. A figura abaixo apresenta dois corpos A e B com temperaturas diferentes  isolados termicamente do ambiente externo. Assim, surge espontaneamente uma troca de calor que flui do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

Essa troca de calor ocorrerá até que os corpos possuam a mesma temperatura, isto é, até que seja alcançado o equilíbrio térmico.

temperatura - troca de calor
Troca de calor entre dois corpos.

OBS.: A unidade de medida de calor é a caloria (cal), onde 1 cal = 4,18 J.

Calor sensível e calor latente

O calor cedido ou absorvido por um corpo pode ser classificado em calor sensível e calor latente. O calor sensível é responsável pela mudança de temperatura enquanto que o calor latente é responsável pela mudança de fase.

Por exemplo, enquanto aquecemos 1 L de água para fazermos um café (lembre-se que para fazer um bom café não podemos deixar a água ferver) aumentamos a temperatura da água da temperatura ambiente, seja 20°C, até aproximadamente 80°C.

A quantidade de calor que a água absorveu das chamas foi capaz de elevar a temperatura da água, portanto calor sensível. Agora considere o caso de um cubo de gelo em cima de uma mesa exposto ao meio ambiente. Esse gelo vai gradativamente derretendo, ou seja, o gelo vai se fundindo até o ponto de todo o gelo virar água.

Neste processo, NÃO HÁ mudança de temperatura, ocorre apenas uma mudança de fase, e, assim, a quantidade de calor recebida pelo gelo é chamada de calor latente.

Fórmula do calor sensível

Matematicamente calculamos o calor sensível através da fórmula Q = m . c . ΔT.

Onde Q é o calor sensível, m é a massa do corpo, c é o calor específico (que varia de material para material) e ΔT é a variação de temperatura. Para decorar a fórmula do calor sensível, há um macete muito usado em que basta decorar a frase “que macete”. Leia a frase “que macete” visualizando a fórmula Q = m . c . ΔT e perceba como é fácil decorá-la!

Fórmula do calor latente

Por sua vez, a quantidade de calor latente é dada pela fórmula Q = m . L.

Onde Q é a quantidade de calor latente, m é a massa e L é o calor latente, ou seja, a quantidade de calor que uma substância recebe ou cede, por unidade de massa, durante a mudança de fase. A unidade de medida do calor latente é cal/g. Para decorar a fórmula do calor latente, decore a frase “que mole”.

Leis da termodinâmica

A termodinâmica se baseia em três leis, que vamos conhecer em detalhes a seguir.

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica é uma decorrência direta do princípio da conservação da energia. Basicamente ela diz que há uma variação da energia interna de um sistema quando calor é absorvido ou cedido realizando trabalho.

Matematicamente, a primeira lei da termodinâmica pode ser escrita assim: ΔU = Q – W

Onde ΔU é a variação de energia interna de um sistema físico, Q é o calor cedido ou absorvido pelo sistema e W é o trabalho realizado pelo ou sobre o sistema.

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica diz que o calor flui naturalmente e espontaneamente do corpo com maior temperatura para o de menos temperatura e jamais no sentido contrário. Você provavelmente deve estar se perguntando “mas como as geladeiras podem tirar o calor dos alimentos?”.

Esse é um processo que NÃO É espontâneo e ocorre por que existe uma máquina/motor na geladeira que está cedendo calor para o meio ambiente. Você provavelmente já viu que o fundo das geladeiras é bem quente e possui um “circuito” metálico que é utilizado para a dissipação de calor.

Terceira lei da termodinâmica

A terceira e ultima lei da termodinâmica diz que é impossível atingirmos o zero absoluto. O zero absoluto neste caso está relacionado com a temperatura. Para diminuirmos a temperatura de um objeto devemos realizar um processo e para diminuir cada vez mais, você precisará de infinitos processos para fazê-lo o que torna o procedimento IMPOSSÍVEL.

Uma outra interpretação para essa lei é o fato de os acontecimentos do universo sempre tenderem para a desordem, que em física chamamos de entropia. A entropia é a quantidade física que mede o grau de desordem de um sistema.

Um ovo ao cair de sua mão diretamente no chão, espatifando-se ao final da queda, aumenta a desordem do universo (você nunca vai encontrar um ovo espatifado no chão se reintegrando e subindo de volta para sua mão em sua forma perfeita). Matematicamente podemos determinar a variação entropia através da seguinte equação: ΔS = Q / T

Videoaula sobre termodinâmica

Veja a aula do prof. Rossetto e continue aprendendo o conteúdo de termodinâmica!

Exercícios sobre termodinâmica

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Sobre o(a) autor(a):

O texto acima foi elaborado pelo Prof. Dr. Fernando Henrique Martins. Fernando é bacharel e licenciado em Física pela Universidade de Brasília, possui Mestrado (pela UnB) e Doutorado em Nanotecnologia pela Université Pièrre et Marie Curie (Paris/França). Foi professor de ciências, matemática e física em várias escolas de Brasília e Florianópolis atuando desde o ensino fundamental ao ensino médio. Fernando também lecionou disciplinas de física para diversos cursos de engenharia e física na Universidade Federal de Santa Catarina. E-mail: [email protected] Facebook: https://www.facebook.com/nando.martins.376?ref=bookmarks

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