2. 1
Primeiras explicações para o fogo
― Ideia inicial:
•
• matéria composta por 4 elementos;
•
• defendida por: Empédocles (492-432 a.C.), Platão (ca. 427-347 a.C.) e Aristóteles (384-322 a.C.).
― Atomismo:
•
• tudo que havia na Terra era formado por átomos e vazios (linha de pensamento cuja formação é atribuída a Demócrito (460-
370 a.C.);
•
• para Demócrito, o calor surgia do movimento dos átomos nos espaços vazios entre eles.
História da Termologia
toloczko.
2021.
Digital.
2
4. Sai o flogístico, entra o calórico
― Influenciado por Black, Lavoisier adotou a teoria do calórico e o descreveu como “matéria do fogo”.
― Todos os corpos tinham o calórico e, quando ele fluía para fora dos corpos, a temperatura do corpo
diminuía e vice-versa.
3
Evandro
Marenda.
2021.
Digital.
4
6. Processos de transmissão de calor
temperatura
MATÉRIA
partículas
em constante
movimento
energias de ligação
energia térmica
é formada por
ligadas por
somadas
aumentam
que
apresentam
aumenta
logo
aumenta
ao
receber
energia interna
energia cinética
6
7. Temperatura
É uma propriedade de todo corpo,
que está relacionada com a energia
cinética média das partículas que o
constituem.
Calor
Indica a quantidade de energia
transferida espontaneamente de
um corpo de maior temperatura
para outro de menor, até que
as temperaturas dos corpos se
igualem, o que chamamos de
equilíbrio térmico.
5
7
9. Fluxo de calor
A condução é um processo de transferência de calor por contato
direto entre os corpos, em que a energia é transferida de partícula
para partícula. A quantidade de calor transferida depende do meio
material (em J/m • K • s), da área de contato (em m2
), da diferença de
temperatura (em K), do comprimento ou espessura (em m), bem como
do intervalo de tempo (em s).
7
9
12. Corpo negro
Uma definição importante em Física é a de corpo negro
– um corpo ideal que absorve toda energia radiante
incidente sobre ele, ou seja, sua taxa de refletividade é
iR
= 0 e sua taxa de absorção iA
= 1 (100%).
8
12
13. A taxa com que um corpo emite energia térmica
é diretamente proporcional à quarta potência da
temperatura (T4) e à área (A) da superfície do corpo
exposta ao ambiente. O corpo negro seria, então, o
emissor ideal, cuja potência é máxima e dada pela
expressão:
Pot
= σ • A • T
4
A potência líquida de um corpo negro a uma temperatura T em um
ambiente, cuja temperatura é Ta, é dada por:
Potlíquda
= σ • A • (Ta
4
– T
4
)
13
14. Estudo dos gases
trata-se
de um
que
apresentam
ocupam
maior do
que a
Definição de gases
devido à
alta
GASES
conjunto numeroso
de partículas
dispersas
energia de ligação
energia cinética
todo o volume
disponível
14
15. 9
Variáveis de um gás
Quantidade de matéria (número de Avogadro):
cada conjunto que usaremos de referência será definido
como quantidade de matéria (n) e conterá 6,02 · 1023
partículas, definida por:
15
16. Variáveis de um gás
Temperatura: relacionada com o grau de agitação médio das partículas.
Associa-se ainda com a energia de ligação dessas partículas e com a
energia interna do gás. No Sistema Internacional, a unidade de medida da
temperatura é o kelvin (K).
Volume: considerando o grau de liberdade das partículas que compõem
o gás (relacionada à temperatura), elas ocupam todo o espaço disponível
no recipiente, de modo que o volume do gás coincide com o volume do
recipiente. No SI, a unidade de volume é m3
.
16
18. Gases ideais
Definição
I. O gás é formado por um conjunto de moléculas muito pequenas comparadas ao volume
que as contém, de modo que poderemos ignorar o volume ocupado por elas.
II. As moléculas do gás não interagem umas com as outras ou com as paredes do
recipiente por forças intermoleculares, mas apenas pelas colisões, que são sempre
elásticas, isto é, a energia cinética é sempre conservada.
18
20. Transformação isobárica – lei de Charles
Numa transformação isobárica, pressão constante,
o volume de uma massa de gás aumenta com o
aumento da temperatura.
Transformação isovolumétrica – lei de Gay-Lussac
Quando uma massa de gás sofre uma transformação
isovolumétrica, a temperatura absoluta e a pressão desse
gás variam, mantendo uma proporção direta.
1 2
1 2
V V
T T
=
1 2
1 2
p p
T T
=
toloczko.
2021.
Digital.
toloczko.
2021.
Digital.
V3
V2
V1
20
21. Transformação isotérmica – lei de Boyle
Quando uma massa de gás ideal sofre uma transformação
isotérmica, a pressão e o volume desse gás variam de
forma inversamente proporcional.
p1
. V1
= p2
. V2
toloczko.
2021.
Digital.
T2
T3
T1
Para cada temperatura
diferente, a transformação
isotérmica apresenta um
ramo de hipérbole no
diagrama p × V.
21
22. Equação de Clayperon
O físico-químico e engenheiro francês Benoit Paul Emile
Clapeyron (1799-1864), mediante estudos, estabeleceu que
a combinação entre as variáveis de estado de um gás ideal,
p, V e T, é diretamente proporcional à quantidade de matéria
n desse gás. Podemos, então, escrever assim a equação de
Clapeyron:
p
n
V
T
R
⋅
= ⋅
Constante de proporcionalidade.
R é uma constante universal!
22
23. Mistura de gases ideais
Lei de Dalton das pressões parciais
A pressão total exercida por uma mistura de gases é a
soma da pressão que cada gás exerce individualmente (ou
pressões parciais).
pmistura
= pgás 1
+ pgás 2
+ ... + pgás x
Difusão
Quando misturamos gases, eles tendem a
se espalhar e tornar a mistura homogênea.
Efusão
Ocorre quando o tamanho das moléculas de um
gás é tão pequeno que elas também conseguem
atravessar pequenas aberturas e membranas.
23
25. Trabalho em processos termodinâmicos
Trabalho de um gás
Ao estudarmos uma máquina térmica, precisamos
considerar, além da quantidade de calor Q trocado entre o
sistema e o ambiente, o trabalho de uma forca, τF
, realizado
pelo gás ou pelo ambiente externo sobre o gás.
Trabalho de uma força e potência
Chamamos de potência a taxa temporal com que o trabalho
de uma força é realizado, ou seja, potência é a quantidade de
trabalho de uma força τF
realizada em relação à variação de
tempo ∆t:
!f = p " V
Volume
(m3)
Pressão
(Pa)
Trabalho (J)
F
ot
P
t
=
τ
Δ
Expressão para o trabalho realizado pelo
gás a pressão constante
∆t
25
26. Processos cíclicos: a máquina térmica
Rendimento
Clapeyron realizou estudos sobre o que poderia ser feito para
tornar as máquinas mais eficientes. Parte desses estudos
resultou em uma equação que relaciona o calor recebido
pela máquina e o trabalho executado por ela para determinar
seu rendimento.
Máquinas térmicas
A máquina térmica é uma máquina que transforma calor em
trabalho útil e, durante o ciclo, há, portanto, trocas de calor
entre o gás e o meio externo. Num processo cíclico, o calor
total trocado pelo gás e o ambiente é dado pela soma dos
calores trocados em cada etapa, ou seja:
Q = QAB
+ QBC
+ QCD
+ QDA
Rendimento de uma máquina térmica
F
Q
η =
τ
26
28. Ciclo de Carnot
Em seu trabalho de 1824, Carnot também afirmou que uma
máquina térmica operando em ciclos deve trabalhar com
temperaturas diferentes, e o rendimento máximo dessa máquina
depende da diferença dessas temperaturas.
Q
F
T
1
T
η = −
toloczko.
2021.
Digital.
toloczko.
2021.
Digital.
28
29. 1ª
.lei da Termodinâmica 12
Energias trocadas na forma de calor e trabalho podem
provocar variação da energia interna.
Q = !F + "U,
onde ΔU = # n # R # "T
A energia interna é a soma das energias
cinéticas de translação dos átomos
do gás e só depende da temperatura
absoluta desse gás.
3
2
29
30. Transformações termodinâmicas 13
Nome da
transformação
gasosa
Caracterização
Equação da
1ª. lei da
Termodinâmic
a
aplicada
Isométrica
Não há variação de volume, o gás não
realiza trabalho.
Q = !U
Isotérmica
A temperatura permanece constante.
Logo, não há variação de energia interna.
Q = "F
Isobárica
Ocorre à pressão constante; portanto,
vale a expressão "F = p # !V para o
trabalho realizado pelo gás, ou sobre o
gás.
Q = "F + !U
Adiabática
É aquela em que não há troca de
calor entre o gás e o ambiente.
!U = –"F
1a
.
Nome da
transformação
gasosa
Caracterização
Equação da
1ª. lei da
Termodinâmic
a
aplicada
Isométrica
Não há variação de volume, o gás não
realiza trabalho.
Q = !U
Isotérmica
A temperatura permanece constante.
Logo, não há variação de energia interna.
Q = "F
Isobárica
Ocorre à pressão constante; portanto,
vale a expressão "F = p # !V para o
trabalho realizado pelo gás, ou sobre o
gás.
Q = "F + !U
Adiabática
É aquela em que não há troca de
calor entre o gás e o ambiente.
!U = –"F
Nome da
transformação
gasosa
Caracterização
Equação da
1ª. lei da
Termodinâmic
a
aplicada
Isométrica
Não há variação de volume, o gás não
realiza trabalho.
Q = !U
Isotérmica
A temperatura permanece constante.
Logo, não há variação de energia interna.
Q = "F
Isobárica
Ocorre à pressão constante; portanto,
vale a expressão "F = p # !V para o
trabalho realizado pelo gás, ou sobre o
gás.
Q = "F + !U
Adiabática
É aquela em que não há troca de
calor entre o gás e o ambiente.
!U = –"F
Nome da
transformação
gasosa
Caracterização
Equação da
1ª. lei da
Termodinâmic
a
aplicada
Isométrica
Não há variação de volume, o gás não
realiza trabalho.
Q = !U
Isotérmica
A temperatura permanece constante.
Logo, não há variação de energia interna.
Q = "F
Isobárica
Ocorre à pressão constante; portanto,
vale a expressão "F = p # !V para o
trabalho realizado pelo gás, ou sobre o
gás.
Q = "F + !U
Adiabática
É aquela em que não há troca de
calor entre o gás e o ambiente.
!U = –"F
30
32. 2ª
. lei da Termodinâmica 15
Enunciado de Kelvin-Planck:
É impossível construir uma máquina termodinâmica que retire calor de
uma fonte e transforme esse calor integralmente em trabalho. (Motor)
É impossível construir uma máquina termodinâmica que retire calor
de uma fonte fria e o envie para a fonte quente espontaneamente.
(Refrigerador)
32
33. 16
Refrigeradores
Um refrigerador é uma máquina térmica funcionando no
sentindo reverso. Isto é, pela ação de uma fonte externa de
energia mecânica que realiza um trabalho τF
sobre o sistema,
o calor (Qf
) é extraído da fonte fria e rejeitado para a fonte
quente (QQ
).
toloczko.
2021.
Digital.
TQ
Tf
33
34. 17
Classius e a entropia
ENTROPIA
sistemas reversíveis
sistemas
irreversíveis
34
35.
36. 1 Espera-se que neste primeiro momento os alunos consigam vislumbrar a maneira como o conceito de calor evoluiu, deixando claro que não se
trata de um processo linear e que segue em desenvolvimento. Se achar interessante, o professor pode promover uma mesa redonda discutindo
as principais teorias que buscaram explicar a natureza do calor.
2 Espera-se que neste primeiro momento os alunos consigam vislumbrar a maneira como o conceito de calor evoluiu, deixando claro que não se
trata de um processo linear e que segue em desenvolvimento. Se achar interessante, o professor pode promover uma mesa redonda discutindo
as principais teorias que buscaram explicar a natureza do calor.
3 Espera-se que neste primeiro momento os alunos consigam vislumbrar a maneira como o conceito de calor evoluiu, deixando claro que não se
trata de um processo linear e que segue em desenvolvimento. Se achar interessante, o professor pode promover uma mesa redonda discutindo
as principais teorias que buscaram explicar a natureza do calor.
4 Espera-se que neste primeiro momento os alunos consigam vislumbrar a maneira como o conceito de calor evoluiu, deixando claro que não se
trata de um processo linear e que segue em desenvolvimento. Se achar interessante, o professor pode promover uma mesa redonda discutindo
as principais teorias que buscaram explicar a natureza do calor.
5 Destacar a definição de calor enquanto energia em movimento e associar a temperatura ao grau de agitação média das moléculas.
6 É interessante a proposição de experimentos que ilustram os processos de transmissão de calor. Caso esteja em regime remoto, pode-se
sugerir que os alunos gravem vídeos com experimentos simples.
7 Destacar a importância da definição dos pontos de gelo e de vapor para definição de uma escala termométrica.
Também comentar com os alunos que a escolha dos pontos de gelo e de vapor da água está relacionada com a reprodutibilidade da experiência
(em razão da abundância de água no planeta e da fácil obtenção experimental de gelo em fusão e água em ebulição).
O coeficiente de condutibilidade térmica é uma constante característica de cada material. Se ele for alto, o material é considerado um bom
condutor térmico. Se for baixo, o material é chamado de isolante térmico.
Orientações metodológicas
36
37. 8 Após a definição do corpo negro é possível aprofundar o estudo apresentando simulações disponíveis na Internet. Uma delas é a simulação
Espectro do corpo negro produzido pelo Phet.
9 Ao iniciar o estudo de gases, se adota um modelo ideal e, assim, pode-se discutir suas limitações em relação a situações reais e, de maneira
mais abrangente, o processo de desenvolvimento da ciência.
10 Falar sobre máquinas térmicas é uma excelente oportunidade para discutir a relação entre ciência, tecnologia e sociedade. Dessa maneira, uma
abordagem CTS torna-se bastante interessante, possibilitando desconstruir concepções prévias sobre o desenvolvimento científico e sobre os
próprios cientistas. Ainda, o professor pode realizar uma proposta interdisciplinar com o professor de História discutindo como a Revolução
Industrial contribuiu para o desenvolvimento da Termodinâmica e vice-versa. Para a discussão a respeito de máquinas de moto-perpétuo,
sugere-se a leitura do capítulo 9, Comoção perpétua, do livro Os Simpsons e a ciência: O que eles podem nos ensinar sobre Física, Robótica,
vida e Universo. O capítulo em questão discute, à luz da teoria da Termodinâmica, as razões pelas quais o moto perpétuo não é um mecanismo
viável, tendo como ponto de partida um episódio da animação Os Simpsons.
11 Deve ficar claro para os alunos que este tipo de transformação ocorre rapidamente.
12 Discuta com os alunos o sinal atribuído a cada uma dessas grandezas, haja vista as trocas ocorridas na transformação, convencionando o sinal
negativo para demonstrar a diminuição do volume do gás, de sua temperatura e a perda de calor. O livro didático apresenta as contribuições de
Julius Robert Von Mayer, destacando o cálculo equivalente mecânico do calor.
13 Para avaliar a aplicação da equação da 1.
ª lei da Termodinâmica, é possível, novamente, avaliar as simulações das transformações gasosas,
uma vez que elas nos permitem visualizar como varáveis do gás se comportam em cada transformação.
14 É necessário ressaltar que na prática o ciclo de Carnot real é um pouco diferente, uma vez que há interferências internas. Após a leitura do livro
didático pode ser indicado o vídeo “Entenda de uma vez como funciona o motor de um carro”, no qual, com o auxílio de um motor didático,
o Iberê Tenório discute os ciclos do motor de quatro tempo de maneira bastante didática. Considerando a duração do vídeo, ele pode ser
recomendado para ser visto em casa. Podem ser organizadas algumas questões norteadoras para direcionar a discussão.
37
38. 15 Uma outra maneira de definir a 2.
ª lei da Termodinâmica: “é impossível, por meio de um agente material inanimado, derivar efeito mecânico
de qualquer parte da matéria resfriando-a abaixo da temperatura do objeto mais frio dos arredores”, conforme foi proposto por Lord Kelvin. A
partir dessa definição pode-se introduzir a discussão a respeito dos refrigeradores, máquinas térmicas capazes de, a partir de trabalho externo,
remover calor de um ambiente frio para um ambiente quente. Podem ser propostos seminários aos alunos para que eles pesquisem outras
contribuições do Lord Kelvin e de Max Planck, ou, ainda, seminários versando sobre cientistas que contribuíram para o desenvolvimento dos
estudos da termodinâmica, mas que foram esquecidos.
16 Nos refrigeradores determinamos a quantidade de calor retirada da fonte fria em função do trabalho realizado. Tal grandeza é denominada
eficiência do refrigerador. Para que os alunos possam compreender melhor o funcionamento dos refrigeradores, é proposta a utilização do
seguinte simulador frigorífico, disponibilizado no QR code do slide. Na simulação, é possível ver o fluxo de calor e é de extrema importância que
fique claro para os alunos que tal sentido só é possível porque há a realização de um trabalho externo.
17 Para discutir o conceito de entropia, o professor pode citar o exemplo das cartas de baralho.
38
