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.
Neste post, você terá algumas de dicas de como trabalhar com as variáveis de temperatura e calor num tema que costuma cair bastante no Enem: a termodinâmica.
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.
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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.
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.
Barra submetida a uma elevação de temperatura através das chamas de uma vela.
Matematicamente podemos escrever:
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.
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:
Já para a dilatação volumétrica temos:
OBS.: A unidade de medida dos coeficientes de dilatação é °C-1.
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.
Troca de calor entre dois corpos.
OBS.: A unidade de medida de calor é a caloria (cal), onde 1 cal = 4,18 J.
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.
Matematicamente calculamos o calor sensível através da equação:
OBS.: A unidade de medida do calor específico é geralmente cal/g°C.
A quantidade de calor latente é dada pela seguinte relação:
OBS.: A unidade de medida do calor latente é cal/g.
O que é Termodinâmica?
A termodinâmica se baseia em três leis. A primeira delas 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/cedido realizando trabalho. Matematicamente, escrevemos:
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:
Veja a aula do prof. Rossetto e continue aprendendo o conteúdo de termodinâmica!
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Pergunta 1 de 10
1. Pergunta
(UEFS BA/2017)
A primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados foi originalmente comprovada pela observação empírica, no entanto é hoje considerada como a definição de calor através da lei da conservação da energia e da definição de trabalho em termos de mudanças nos parâmetros externos de um sistema.
Com base nos conhecimentos sobre a Termodinâmica, é correto afirmar:
Correto
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Incorreto
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Pergunta 2 de 10
2. Pergunta
(ACAFE SC/2017)
Os Cilindros medicinais são destinados a armazenar gases sob alta pressão. Os cilindros são específicos para cada tipo de gás e são identificados segundo normas da ABNT, por cores diferentes e válvulas especificas para cada tipo de gás a ser envazado, como: Oxigênio Medicinal, Ar Comprimido Medicinal, Nitrogênio, Dióxido de Carbono e Óxido Nitroso.
Um residente recebe um cilindro fechado com um determinado gás (considerar ideal e monoatômico) superaquecido a temperatura inicial de 327 ºC e baixa sua temperatura para uso a 27 ºC.
Com diminuição da temperatura como fica a energia cinética média das moléculas?
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Pergunta 3 de 10
3. Pergunta
(Fac. Direito de São Bernardo do Campo SP/2017)
Em uma máquina a vapor que opera segundo o ciclo de Carnot, o fluido inicia o ciclo na fonte quente a 1160,6ºF e o abandona, na fonte fria, ao sofrer uma variação de 270ºC. Nessas condições, o rendimento máximo teórico, em porcentagem, dessa máquina é de
Correto
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Pergunta 4 de 10
4. Pergunta
(IFRS/2017)
Em relação às propriedades termodinâmicas da água, são apresentadas algumas afirmações.
Assinale a alternativa que descreve corretamente uma dessas propriedades.
Correto
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Pergunta 5 de 10
5. Pergunta
(PUC RS/2017)
Em uma máquina térmica ideal que opere em ciclos, todos os processos termodinâmicos, além de reversíveis, não apresentariam dissipação de energia causada por possíveis efeitos dos atritos internos nos mecanismos ou turbulências no fluido operador da máquina. O ciclo de Carnot é um bom exemplo de processo termodinâmico idealizado, que apresentaria a maior eficiência possível na transformação de calor em trabalho útil. A eficiência para uma máquina de Carnot operando entre as temperaturas absolutas de 300 K e 900 K seria de aproximadamente _________, e a entropia do sistema ficaria _________ durante o processo.
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Pergunta 6 de 10
6. Pergunta
(PUC SP/2017)
Para os exercícios de Física, adote os seguintes valores quando necessário:
Módulo da aceleração da gravidade (g) = 10m.s–2
1 quilograma-força (kgf) = 10N
1 cal = 4J
1 c.v. = 740W
1 tonelada = 103 kg
1 atm = 1.105 N.m–2
Um motor de potência 2,5 c.v. absorve 925 cal/s de uma fonte térmica quente, cuja temperatura é de 927ºC. Sendo a temperatura da fonte fria de 80,6ºF, determine a razão entre o rendimento de um motor de Carnot que operasse entre essas mesmas fontes térmicas e o rendimento do referido motor.
Correto
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Pergunta 7 de 10
7. Pergunta
(UEA AM/2017)
Em uma máquina térmica, uma fonte quente fornece 80 kJ de energia na forma de calor, enquanto uma fonte fria descarrega 60 kJ de calor para o meio ambiente. Portanto, o rendimento desta máquina é igual a
Correto
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Pergunta 8 de 10
8. Pergunta
(UDESC/2017)
Considere as afirmações com relação à Termodinâmica.
I. A energia interna de uma dada quantidade de gás ideal depende apenas da temperatura.
II. Quando um sistema pode ir do estado (1) para o estado (2) por vários processos diferentes, a quantidade de calor absorvida pelo sistema será a mesma para todos os processos.
III. Quando um sistema pode ir do estado (1) para o estado (2) por vários processos diferentes, a variação da entropia do sistema será a mesma para todos os processos.
IV. Quando um sistema pode ir do estado (1) para o estado (2) por vários processos diferentes, a variação da energia interna do sistema será a mesma para todos os processos.
V. Quando um sistema pode ir do estado (1) para o estado (2) por vários processos diferentes, a quantidade de trabalho realizado sobre o sistema será a mesma para todos os processos.
Assinale a alternativa correta.
Correto
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Incorreto
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Pergunta 9 de 10
9. Pergunta
(UNIUBE MG/2016)
A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia, que, apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema é trocada com o meio externo na forma de calor e trabalho.
Observe a seguinte situação:
Um sistema termodinâmico realiza um trabalho de 80kcal quando recebe 60kcal de calor. Nesse processo, a variação de energia interna desse sistema é de:
Correto
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Pergunta 10 de 10
10. Pergunta
(UDESC/2016)
Com relação à termodinâmica, analise as proposições.
I. Todas as substâncias aumentam de volume quando a temperatura delas aumenta.
II. Analisando o calor específico de um corpo, pode-se saber como é a taxa de aquecimento ou de resfriamento dele.
III. Correntes de convecção são geradas devido à variação de energia interna de um gás em um recipiente fechado.
IV. Uma transformação adiabática ocorre sem trocas de energia térmica entre o sistema e o meio externo e, consequentemente, sem variação de temperatura.
Assinale a alternativa correta.
Correto
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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.
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