Termodinâmica e temperatura

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 pela Física!

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. Tem aula gratuita do Descomplica, e depois um Simulado Online para testar seu nível.

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. 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.

Matematicamente podemos escrever:

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 .

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.

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:

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.

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!

Fique agora com algumas questões de vestibulares para fixar os conceitos abordados neste post.

1) UESC-BA

 

 Um fio de 5 m de comprimento, quando submetido a uma variação de temperatura igual a 120ºC, apresenta uma dilatação de 10,2 mm. A partir dessas informações e da tabela acima, constata-se que o fio é de:

a) cobre

b) zinco

c) alumínio

d) chumbo

d) invar

2) UFRS

 Uma mistura de gelo e água em estado líquido, com massa total de 100 g, encontra- se à temperatura de 0ºC. Certo tempo após receber 16.000 J de calor, a mistura acha-se completamente transformada em água líquida a 20ºC. Qual era, aproximadamente, a massa de gelo contida na mistura inicial?

Dados:

• calor de fusão do gelo = 334,4 J/g;
• calor específico da água = 4,18 J/(g ºC).

a) 22,8 g

b) 38,3 g

c) 47,8 g

d) 72,8 g

e) 77,2 g

3) UFSC

 Assinale a(s) proposição(ões) correta(s):

01. Sempre que um gás recebe calor, sua temperatura sofre um acréscimo.

02. Em uma transformação isotérmica o sistema não troca calor com o meio externo.

04. Numa compressão adiabática, a temperatura do sistema aumenta.

08. A variação da energia interna de um sistema termodinâmico é dada pela diferença entre a energia trocada com a vizinhança, na forma de calor, e o trabalho realizado pelo sistema, ou sobre o sistema.

16. O motor de combustão interna de um automóvel não é uma máquina térmica, porque não opera entre uma fonte quente e uma fonte fria e em ciclos.

32. Um refrigerador funciona como uma máquina térmica, operando em sentido inverso, isto é, retira calor da fonte fria e, através de trabalho realizado sobre ele, rejeita para a fonte quente.

64. Uma máquina térmica, operando segundo o Ciclo de Carnot, obtém um rendimento de 100%, isto é, converte todo o calor recebido em trabalho.

Dê, como resposta, a soma das alternativas corretas.

 4) FURG-RS

Analise cada uma das seguintes afirmativas relacionadas à segunda lei da termodinâmica e indique se são V (verdadeira) ou F (falsa).

(   ) Em uma máquina térmica, a transformação de energia térmica em trabalho nunca se dá totalmente.

(  ) Calor flui espontaneamente de sistemas mais frios para sistemas mais quentes.

(  ) Carnot idealizou um ciclo totalmente reversível com o qual se obteria o máximo rendimento possível.

Quais são, respectivamente, as indicações corretas?

a) F – F – V

b) F – V – F

c) F – V – V

 d) V – F – V

e) V – V – F

Gabarito:

1) A     2) A     3) 44   4) D

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