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Universidade Estadual do Maranhão
Disciplina: Calor e Ondas
Professora Luciana Araújo
TERMOLOGIA
1. Termometria
2. Expansão térmica de sólidos e líquidos
3. Calorimetria
4. Mudanças de estado de agregação
5. Transmissão de calor
6. Leis dos gases ideais
7. Termodinâmica
Termologia  -profª_luciana
1. Termometria


   1.1 Temperatura
   1.2 A escala Celsius
   1.3 A escala Fahrenheit
       1.3.1 Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit
   1.4 A escala Kelvin
   1.5 Definição de calor
TERMOLOGIA
Termologia é o estudo do calor, (do grego thermé, que significa calor
e logia também do grego, que significa estudo.)
Um corpo se aquece quando aumenta o valor médio das energias
cinéticas de vibração de suas moléculas e esfria quando diminui o
valor médio dessas energias.
1. Termometria
  1.1 Temperatura
  O valor da temperatura está associada ao nível de agitação das
  partículas de um corpo. Portanto quanto maior a temperatura
  maior o estado de agitação.




          Menor temperatura             Maior temperatura
Termologia  -profª_luciana
Termologia  -profª_luciana
TERMÔMETROS



São os instrumentos usados na determinação da temperatura
de um corpo. Um termômetro comum deve ter,uma substância
termométrica que varia seu volume ao sofrer alguma variação
de temperatura, como o mercúrio por exemplo, e uma escala
que registrará o valor correspondente da temperatura.
TIPOS DE TERMÔMETROS




       Termômetro clínico (vidro e mercúrio)
Termômetro para ambiente
Termômetro Digital
Termômetro bimetálico
Termômetro à gás
Termômetro infravermelho (pirômetro óptico)
ESCALAS TERMOMÉTRICAS


Atualmente temos três escalas importantes em uso:
Celsius, Fahrenheit e Kelvin.
1.2 A escala Celsius
Foi uma escala construída,
tomando-se como referência
a temperatura do gelo
fundente como primeiro ponto
fixo e a temperatura do vapor
d´água em ebulição como
segundo ponto fixo, atribuindo
para estes dois pontos os
valores     0 0C   e     1000C
respectivamente.

 (Anders Celsius, 1701-1744 )
Termologia  -profª_luciana
1.3 A escala Fahrenheit
Existem várias versões para a
construção da escala Fahrenheit,
mas nenhuma delas confirmada.
Porém sabemos que nesta escala
o ponto de gelo fundente e o
vapor d´água em ebulição são
registradas com os valores 320F e
2120F.


 Daniel Fahrenheit (1686–1736)
Termologia  -profª_luciana
1.3.1 Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit
1.4 A escala Kelvin
É a escala oficial do Sistema
Internacional admitida para a
temperatura       termodinâmica,
onde o valor correspondente ao
gelo fundente é 273,15K e para o
vapor d´água em ebulição é
373,15K. É também chamada de
escala absoluta ou científica pois
define como 0K (zero absoluto) a
temperatura teórica em que as
partículas que compõem um
corpo estariam paralisadas.

 William Thomson (1824 –1907)
Termologia  -profª_luciana
Zero Absoluto
   Escala Kelvin
 Menor estado térmico.
Ponto de energia mínima
Relação entre as Escalas Termométricas




Equações de Conversão         Relação de Conversão de Variações
Relação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit (-40)
Escalas termométricas Rankine e Réaumur
Construção de uma escala
qualquer




                  X − X1     Y − Y1
                           =
                  X 2 − X 1 Y 2 − Y1
1.5 Definição de calor

O calor é uma forma de energia que se transmite de um
corpo a outro em razão da diferença de temperatura.
Essa energia só é chamada calor enquanto está sendo
transferida (energia em trânsito). Depois que ela é
absorvida pelo corpo não pode ser chamada de calor.
Equilíbrio Térmico

Ocorre quando a temperatura dos corpos se igualam,
ou seja, possuem o mesmo valor.
2. Expansão térmica de sólidos e líquidos


   2.1 Dilatação linear dos sólidos
        2.1.1 Lâmina bimetálica
   2.2 Dilatação superficial e volumétrica
   2.3 Dilatação dos líquidos
   2.4 Dilatação anômala da água
2. Expansão térmica de sólidos e líquidos

 Quando a temperatura de um corpo aumenta, aumenta também
 a agitação de suas moléculas. Em geral, isso ocasiona um
 aumento da distância média entre elas, o que, por sua vez,
 acarreta uma expansão (ou dilatação) do corpo.
2.1 Dilatação linear dos sólidos
   Estuda a dilatação em apenas uma dimensão (comprimento).


   θo

   θ


   ΔL = L – Lo e Δθ = θ – θo

   A experiência mostra que:

   ΔL = α Lo . Δθ              ΔL = variação de comprimento (m)
                               Lo = comprimento inicial (m)
   L = Lo (1 + α . Δθ)
                               L = comprimento final (m)
                               Δθ = variação de temperatura (K)
                               α = coeficiente de dilatação linear (K-1)
Tabela de coeficientes de dilatação linear
2.1.1 Lâmina bimetálica

Uma lâmina bimetálica é formada por duas lâminas muito
finas, de metais diferentes e fortemente ligadas, de mesmo
comprimento, mesma temperatura inicial e coeficientes de
dilatação linear diferentes. Quando se aquecer ou se resfriar o
conjunto, o mesmo se encurvará para cima ou para baixo
conforme coeficiente de cada lâmina.
Uma das aplicações dessas lâminas é servir como
termostato (dispositivo que liga ou desliga ao atingir
determinada temperatura). Elas são colocadas em circuitos
elétricos de modo que, quando a temperatura desejada é
atingida, as lâminas adquirem uma curvatura tal que ligam (ou
desligam) o circuito.
termostato
2.2 Dilatação superficial e volumétrica
    Dilatação superficial
   Estuda a dilatação em     apenas   duas   dimensões
   (comprimento x largura)
Dilatação volumétrica
Estuda a dilatação em três dimensões
(comprimento x largura x espessura).




                        ∆V = V0 γ . ∆θ

                        V = V0(1 + γ ) . ∆θ
Relação entre coeficientes




Quando um corpo apresenta espaços vazios no seu
interior, desde que o material do corpo seja homogêneo e
isótropo, esses espaços vazios se dilatam como se
fossem constituídos do mesmo material de que é feito o
corpo.
2.3 Dilatação dos líquidos
Para líquidos, não tem sentido falar em coeficiente de dilatação
linear ou superficial, já que eles não possuem forma própria. Só
existe o coeficiente de dilatação volumétrica.




∆V = Vo .γ .∆T
Tabela de coeficientes de dilatação volumétrica de
alguns líquidos a 20 °C


              Líquido           γ (°C-1)
  Álcool etílico               1,20 . 10-3
  Gasolina                     0,95 . 10-3
  Glicerina                    0,50 . 10-3
  Mercúrio                     18,2 . 10-3
2.4 Dilatação anômala da água
  A água é o líquido mais comum, no entanto, seu comportamento
  em termos de dilatação térmica é uma verdadeira exceção.




Aumentando a temperatura, o nível do líquido desce até a
temperatura atingir 4 ºC. A partir daí, se o aquecimento continua, o
nível do líquido passa a elevar-se. A conclusão que se pode tirar
desse efeito é a de que, no aquecimento de 0 ºC a 4 ºC, a água
sofre contração. No aquecimento acima de 4 ºC, ocorre dilatação.
3. Calorimetria


    3.1 Caloria
    3.2 Capacidade térmica e calor específico
        3.2.1 Capacidade térmica
        3.2.2 Calor específico
    3.3 Trocas de calor
3. Calorimetria

    3.1 Caloria
           Os estudos sobre os efeitos do calor começaram antes
    de se saber que ele era uma forma de energia e, por isso, foi
    definida uma unidade de calor que é muito usada até hoje, embora
    não pertença ao SI: a caloria (cal).

            Uma caloria é a quantidade de calor necessária para
    elevar em 1 ºC a temperatura de 1 grama de água.

             Mais tarde percebeu-se que essa quantidade de calor
    variava um pouco, conforme a temperatura inicial da água,
    assim foi escolhido o intervalo de temperatura que vai de 14,5
    ºC a 15,5 ºC. Depois de estabelecido o fato de que o calor é
    uma forma de energia, passou-se a usar o joule (J) para medir
    o calor, no SI. Com base na experiência de Joule, ficou definido
    que: 1 cal = 4,186 J (exatamente), isto é, a definição de
    caloria, hoje em dia, não depende mais da água.
3.2 Capacidade térmica e calor específico
Quando um corpo recebe ou perde calor, pode ter sua temperatura
aumentada ou diminuída.
    3.2.1 Capacidade térmica
É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder
para que sua temperatura varie uma unidade.


    Q
 C=
                   Q = quantidade de calor (J)
                   Δθ = variação de temperatura (K)
    ∆θ             C = capacidade térmica (J/K)
3.2.2 Calor específico
Calor específico (Constante) é uma grandeza física que define a
variação térmica de determinada substância ao receber
determinada quantidade de calor.
É possível calcular o calor específico de uma substância a partir da
capacidade térmica de um corpo composto por ela e da massa
desse corpo.


                 C      C = capacidade térmica (J/K)
            c=
                 m      m = massa (kg)
                        c = calor específico (J/kg.K)



     Q                  Q = quantidade de calor (J)
 c=                     m = massa (kg)

    m.∆θ                Δθ = variação de temperatura (K)
                        c = calor específico (J/kg.K)
calor específico é igual à quantidade de calor necessária para
elevar 1 unidade a temperatura de 1 unidade de massa do
material.

 Tabela de Calores específicos a 20 ºC e pressão igual a 1 atm.

        Substância            Calor específico (c) (cal/g°C)
      Água                                 1,0
      Álcool etílico                      0,58
      Ferro                               0,113
      Cobre                               0,092
      Mercúrio                            0,033
      Alumínio                            0,215
Calor sensível
Calor sensível é a quantidade de calor necessária para variar a
temperatura de um corpo sem que haja variação do estado físico
da matéria, ou seja, se um corpo está no estado sólido, sua
temperatura pode variar para mais ou para menos e seu estado de
agregação das moléculas continua o mesmo (sólido).
A equação que mede a quantidade de calor cedida ou recebida
por um corpo é:

                    m = massa (kg)
Q = m.c.∆θ          c = calor específico (J/kg.K)
                    Δθ = variação de temperatura (K)
                    Q = calor sensível (J)


Estado =
Temperatura ≠
Calor latente
O calor latente é a quantidade de calor necessária para se variar o
estado físico da matéria sem variar a temperatura. Acontece, por
exemplo, no derretimento do gelo, onde podemos analisar a água
no estado líquido e no estado sólido à mesma temperatura. Essa
temperatura é chamada de temperatura de fusão do gelo, que
em condições normais de temperatura e pressão corresponde a 0º
C ou 273 K (SI).
O calor latente pode ser calculado usando a equação:

    Q          Q = quantidade de calor (J)
 L=            m = massa (kg)
    m          L = calor latente (J/kg)


 Estado ≠
 Temperatura =
Termologia  -profª_luciana
O calor específico da água


O calor específico da água elevado, se comparado com outras
substâncias, explica, por exemplo, por que pela manhã, em
regiões litorâneas, o mar está mais frio que a areia. Por ter calor
específico maior que o da areia, a água demora mais para se
aquecer, pois precisa de maior quantidade de calor para sofrer a
mesma variação de temperatura.
3.3 Trocas de calor
Para estudar as trocas de calor entre os corpos, os pesquisadores
procuraram construir recipientes especiais cujas paredes fossem
isolantes de calor, isto é, não deixassem o calor passar. Paredes
isolantes são chamadas também de adiabáticas (do grego
adiábatos, que significa “impenetrável”). Como exemplo desse tipo
de recipiente podemos citar a garrafa térmica. Introduzindo um
termômetro no recipiente, obtemos um calorímetro.
Em física, o Princípio das Trocas de Calor diz que o somatório da
quantidade de calor em um sistema deve ser nulo.

O somatório pode ser representado matematicamente, onde Q é a
quantidade de calor de cada corpo, por:


 ∑Q = 0
Também, de forma mais direta, pode ser representado, sendo m a
massa de cada corpo, θE a temperatura do equilíbrio térmico, θ0
a temperatura inicial de cada corpo e o c calor específico da
substância de cada corpo, por:


∑ (m.c.(θ      E   − θ 0 )) = 0
4. Mudanças de estado de agregação


   4.1 Fusão e solidificação
   4.2 Vaporização e liquefação
       4.2.1 Evaporação
       4.2.2 Ebulição
   4.3 Influência da pressão
   4.4 Gás e vapor
4. Mudanças de estado de agregação

Quando um corpo recebe ou perde calor pode ocorrer uma
mudança no seu estado de agregação (ou fase).
4.1 Fusão e solidificação
Fusão é o nome dado ao processo de passagem de uma
substância do estado sólido para o estado líquido. O processo
inverso designa-se como solidificação.
Para uma substância passar do estado sólido para o estado líquido,
a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa (m):

                    Q = quantidade de calor (J)

Q = LF.m            LF = calor de fusão = calor de solidificação
                    (cal/g) “constante”
                    m = massa (m)


No caso da água (LF = 80 cal/g) são necessárias 80 calorias para
fundir cada grama de gelo a 0 ºC, assim como cada grama de água
líquida a 0 ºC precisa perder 80 calorias para se transformar em
gelo.
Fusão


        Solidificação
4.2 Vaporização e liquefação
A vaporização é um processo mais complexo que a fusão, pois
pode ocorrer de dois modos: por evaporação ou por ebulição.
      4.2.1 Evaporação
Evaporação é a passagem lenta de uma substância do estado
líquido para o estado de vapor. A evapora pode ocorre a qualquer
temperatura.
4.2.2 Ebulição
Ebulição é a passagem turbulenta de uma substância do estado
líquido para o estado de vapor. A ebulição se inicia a uma
determinada temperatura, chamada de temperatura de ebulição.
Para uma substância passar do estado líquido para o estado de
vapor, a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa
(m):
                    Q = quantidade de calor (J)

Q = LV .m           LV = calor de vaporização = calor de
                    liquefação (cal/g) “constante”
                    m = massa (m)

 No caso da água (LV ≈ 540 cal/g): são necessárias 540 calorias para
 vaporizar 1 grama de água a 100 ºC, assim como cada grama de
 vapor d`água a 100 ºC precisa perder 540 calorias para se
 transformar em água líquida.
4.3 Influência da pressão
Durante uma mudança de fase, em geral ocorre variação de
volume. Portanto, uma mudança da pressão externa altera a
temperatura em que ocorre a mudança de fase.

A panela de pressão
Quando a panela de pressão é aquecida, a pressão interna pode
ficar maior do que um 1 atm e, assim, a água ferve a uma
temperatura maior do que 100 ºC.
4.4 Gás e vapor
Aumentando suficientemente a pressão sobre o vapor (a
temperatura constante), o mesmo transforma-se em líquido e depois
em sólido.
Para cada substância existe uma temperatura, denominada
temperatura crítica (θC), acima da qual a substância só pode
existir na forma de vapor (gás). Por maior que seja a pressão
aplicada sobre a substância, não se consegue passá-la para a fase
líquida nem para a sólida.

                    Tabela de temperaturas críticas

         Substância                   Temperatura crítica
       Água                                 374 ºC
       Dióxido de                           31 ºC
       carbono
       Oxigênio                            -119 ºC
       Hidrogênio                          -240 ºC
5. Transmissão de calor


    5.1 Transmissão de calor por condução
    5.2 Transmissão de calor por convecção
    5.3 Transmissão de calor por irradiação
5. Transmissão de calor
A transmissão de calor entre locais diferentes, situados no mesmo
meio ou não, é um dos fenômenos físicos mais comuns.
Basicamente, ela acontece em três modos distintos:
• por condução
• por convecção
• por irradiação
5.1 Transmissão de calor por condução
Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em
contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as
moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse
processo de transferência de calor é chamado de condução.
O primeiro a fazer um estudo detalhado da transmissão de calor por
condução foi o físico e matemático francês Joseph Fourier (1768 -
1830). Experimentalmente ele obteve uma fórmula que nos dá a
“rapidez” com que o calor é transmitido por condução.
        Fluxo de calor

             Q
          φ=
             ∆t
 Q = quantidade de calor (J)
 Δt = intervalo de tempo (s)
 Φ = fluxo de calor (J/s) ou W
Os experimentos de Fourier mostraram
 que:

    Q     A(θ 1 − θ 2)
 φ=    =k
    ∆t        L
              QL
   k=
      (∆t ). A.(θ 1 − θ 2)
Q = quantidade de calor (J)
Δt = intervalo de tempo (s)
k = condutividade térmica (W/m.K)
A = área (m2)
(θ1 – θ2) = diferença de temperatura (K)
L = comprimento (m)
Φ = fluxo de calor (J/s) ou W
Tabela de condutividades térmicas


Material           Condutividade térmica (W/m.K)

Prata                           420
Alumínio                        200
Gelo                             2
Água                            0,6
Madeira                     0,08 a 0,16
Lã                             0,04
Ar                             0,023
Isopor                         0,01
5.2 Transmissão de calor por convecção

Os líquidos e os gases não são bons condutores de calor. No
entanto, eles podem transmitir calor de modo significativo por um
outro processo: a convecção. Esse processo consiste na
movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido.
A geladeira e o aquecedor
Numa geladeira o ar frio fica mais denso e desce; o ar que está
embaixo, mais quente, sobe. Já os aquecedores devem ficar na parte
de baixo do recinto em que se encontram. O ar aquecido fica menos
denso e sobe; o ar de cima, mais frio, fica mais denso e desce.
A inversão térmica
Na inversão térmica, condições desfavoráveis podem, entretanto,
provocar uma alteração na disposição das camadas na atmosfera.
Geralmente no inverno, pode ocorrer um rápido resfriamento do solo
ou um rápido aquecimento das camadas atmosféricas superiores.
A inversão térmica é uma ocasião na qual a ação dos poluentes do ar
pode ser bastante agravada.
5.2 Transmissão de calor por irradiação

É a transmissão de energia térmica que não necessita de um meio
material para acontecer, pois o calor se propaga através de ondas
eletromagnéticas.
A estufa
O vidro normalmente deixa passar as ondas de infravermelho
vindas do Sol. As estufas de plantas são construídas de forma que
se tire proveito disso. Suas paredes, de vidro, permitem que a luz e
as ondas de infravermelho entrem na estufa, onde são absorvidas
pelo fundo escuro, aquecendo-o. Esse fundo passa a transmitir
ondas de infravermelho de frequências mais baixas, que não
conseguem atravessar a parede de vidro. Desse modo, o interior da
estufa fica mais quente que seu exterior.
O efeito estufa
O dióxido de carbono (CO2) e o vapor d`água presentes na
atmosfera da Terra deixam passar as ondas de infravermelho de
alta frequência que vêm Sol e são absorvidas pela Terra. Esta se
aquece e passa a emitir ondas de infravermelho de frequências
mais baixas, que por sua vez têm dificuldade de atravessar a
camada de vapor d`água e dióxido de carbono. Isso impede que a
Terra perca muito calor por irradiação, principalmente a noite.
A garrafa térmica

A parte interna é uma garrafa de vidro
(bom isolante) com paredes duplas,
havendo quase vácuo entre elas. Isso
dificulta a transmissão de calor por
condução. As partes interna e
externa da garrafa são espelhadas
para evitar transmissão de calor por
irradiação. A tampa deve deixar a
boca da garrafa bem vedada, para
evitar transmissão de calor por
convecção.
6. Leis dos gases ideais


   6.1 Lei Geral dos Gases
   6.2 Transformações particulares
        6.2.1 Transformação isotérmica
        6.2.2 Transformação isobárica
        6.2.3 Transformação isocórica
   6.3 O mol
   6.4 Equação de Clapeyron
        6.4.1 Estado normal de um gás
6. Leis dos gases ideais

   6.1 Lei Geral dos Gases
         No estado gasoso as moléculas se movem como um
   enxame de abelhas “enfurecidas”; a cada instante há moléculas
   movendo-se em todas as direções, com velocidades diferentes.
         O movimento individual de uma molécula é caótico; as
   mudanças de direção ocorrem em virtude das eventuais colisões.
Para caracterizar a situação de uma certa porção de gás há
três grandezas importantes: a pressão (p) o volume (V) e a temperatura
absoluta (T). Essas grandezas são chamadas variáveis de estado do
gás. Os vários gases, desde que estejam bastante rarefeitos (baixas)
densidades e acima das respectivas temperaturas críticas, obedecem
aproximadamente a seguinte lei, Lei Geral dos Gases:

                                            p1V1 p 2 V2
                                    ou          =
                                             T1   T2
             pV
                = constante
                      p=  pressão (Pa)
             T
                      V = volume (m3)
                      T = temperatura (K)


       Um gás é chamado ideal quando obedece exatamente essa lei.
Quando uma (ou mais) variável de estado sofre alguma alteração,
dizemos que o gás sofreu uma transformação.
6.2 Transformações particulares
        Às vezes ocorre que, durante uma transformação do gás,
uma das variáveis de estado fique constante, variando apenas as
outras duas.

             6.2.1 Transformação isotérmica

             Quando a temperatura fica constante a
     transformação é chamada isotérmica. Nesse caso a Lei
     Geral dos Gases fica:



       p1V1 = p2V2
Numa transformação isotérmica o gráfico de p em função
de V será uma hipérbole equilátera, denominada isoterma.
         Para uma mesma quantidade de gás, quanto maior a
temperatura maior será o produto pV e mais afastada dos eixos
estará a isoterma.




                                               Os dois gráficos
                                               mostram        duas
                                               isotermas, sendo
                                               TA >TB. A área sob
                                               o gráfico é uma
                                               medida           do
                                               trabalho realizado.
6.2.2 Transformação isobárica

          A transformação é chamada isobárica quando a
   pressão fica constante. Nesse caso a Lei Geral dos Gases
   fica:
            V1 V2
              =
            T1 T2
O volume é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
6.2.3 Transformação isocórica

        Quando o volume fica constante, a transformação é
chamada isocórica, isométrica ou isovolumétrica. Nesse caso a Lei
Geral dos Gases fica:

 p1 p2
   =
 T1 T2
A pressão é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
6.3 O mol
Para a contagem do número de objetos microscópicos, como átomos e
moléculas, frequentemente usa-se o mol:
1 mol de objetos = 6,023.1023 objetos
Assim, 1 mol de átomos = 6,023.1023 átomos e 2 mols de átomos = 2
(6,023.1023) = 12,046.1023.
O número 6,023.1023 é conhecido por número de Avogadro e
apresentado por NA:
NA = 6,023.1023 partículas/mol = 6,023.1023 mol-1
A massa molar (M) de um elemento é a massa de 1 mol de átomos
desse elemento. A massa molar (M) de uma substância é a massa de
1 mol de moléculas dessa substância. Assim, dada uma amostra de
massa m de um elemento (ou substância) o número n de mols de
átomo (ou moléculas) da amostra é dada por:

          m            m = amostra de massa (kg)
       n=              M = massa molar (kg)
          M            n = número de mols (mol)
6.4 Equação de Clapeyron
A Lei Geral dos Gases vale para uma quantidade de gás cuja massa é
constante:
 pV
    = constante
 T
Em meados do século XIX, o físico francês Émile Clapeyron (1799-
1864), estudando o comportamento de massas diferentes, de gases
diferentes, concluiu que a constante acima é proporcional ao número
de moléculas do gás (e não à massa do gás). Assim, a equação pode
ser escrita:
                  p = pressão (Pa)
 pV               V = volume (m3)

    = R.n         T = temperatura (K)
                  R = constante universal dos gases ideais = 8,31 (Pa.m3/mol.K)
 T                n = número de mols (mol)

Estado normal de um gás
Dizemos que um gás está no estado normal quando se encontra nas
condições normais de pressão e temperatura (CNPT):
p = 1 atm = 760mmHg e T = 273 K (0 ºC)
7. Termodinâmica


   7.1 Trabalho numa transformação gasosa
   7.2 Energia interna
   7.3 Primeira Lei da Termodinâmica
   7.4 Transformação cíclica
   7.5 Segunda Lei da Termodinâmica
7. Termodinâmica

A Termodinâmica (do grego, thermé, significa "calor" e dynamis,
significa "potência") é o ramo da Física que estuda os efeitos da
mudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na
escala macroscópica. A grosso modo, calor significa "energia" em
trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em
essência, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como
a energia cria movimento.
7.1 Trabalho numa transformação gasosa
Na figura abaixo representa-se um gás ideal contido num cilindro
cuja seção reta tem área A e que é munido de um êmbolo; FG é a
força exercida pelo gás sobre o êmbolo. Vamos supor que o gás
sofra uma expansão isobárica (pressão constante), de modo que o
êmbolo tenha um deslocamento d.
Como a força e o deslocamento tem o mesmo sentido, o trabalho
    da força exercida pelo gás será dado por:


    τ  G   = FG.d
    Mas, sendo pG a pressão exercida pelo gás, temos:

     FG = pG. A           Unidade de pressão
                          1 atm ≈ 105 Pa




τ
    Das duas fórmulas acima, tem-se:

G   = FG.d = pG.d
                A.                d = distância (m)
                                  A = área (m2)
                                  ΔV = variação de volume (m3)
                          ∆V      FG= força exercida pelo gás (N)


τ
G   = pG.(∆V )
                                  pG = pressão exercida pelo gás (Pa)
                                  TG = trabalho da força exercida pelo gás (J)

     Se o gás sofrer uma compressão isobárica, FG e d terão sentidos
     opostos e o trabalho será negativo.
O gráfico da pressão em função do volume (p x V)
Como consideramos a pressão constante, o gráfico de p G em função
do volume é o da figura abaixo, na qual a área da região sombreada
nos dá o módulo do trabalho. Se a pressão variar, pode-se
demonstrar que o trabalho ainda é dado pela área sob o gráfico
abaixo.
7.2 Energia interna
A energia interna de um corpo é a soma das energias de todas as
suas moléculas. Isso inclui as energias cinéticas e as energias
potenciais correspondentes às forças elétricas existentes entre os
átomos (ou moléculas). Para um gás ideal pode-se mostrar que a
energia interna é proporcional à temperatura absoluta do gás.
Por exemplo, no caso de um gás ideal monoatômico, a energia
interna (U) é dada por:

                             3
                          U = nRT
                             2
 n = número de mols
 R = constante universal dos gases perfeitos = 8,37 (J/mol.K)
 T = Temperatura (K)
 U = energia interna (J)

Para os gases poliatômicos essa fórmula não vale.
7.3 Primeira Lei da Termodinâmica
Consideremos um sistema qualquer formado por um ou mais
corpos. Quando fornecemos ao sistema uma quantidade de
energia (Q), na forma de calor essa energia pode ser usada de dois
modos:
• Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um
   trabalho (W), expandindo-se (W > 0) ou contraindo-se (W < 0).
Eventualmente pode acontecer de o sistema não alterar seu
volume; assim o trabalho será nulo.

• A outra parte da energia será absorvida pelo sistema,
transformando-se em energia interna. Dito de outro modo: essa
outra parte da energia é igual à variação da energia (ΔU) do
sistema. Eventualmente pode acontecer ΔU = 0; significa que, nesse
caso, todo o calor Q foi usado para a realização de trabalho.
Assim temos:

Q = W + ∆U
A equação acima traduz a Primeira Lei da Termodinâmica. Ela vale
pra qualquer sistema, mas vamos aplicá-la apenas na análise das
transformações sofridas por um gás. Quanto usamos esta equação,
deveremos tomar cuidado com os sinais de Q e W. C como já vimos
anteriormente, se o gás se expandir, isto é, aumentar de volume, o
trabalho será positivo. Se o gás for comprimido (diminuindo de
volume), o trabalho será negativo (neste caso. é o meio exterior que
realiza trabalho positivo).
 V aumenta → ΔV > 0 → W > 0
 V diminui → ΔV < 0 → W < 0

Para o calor vale a convenção:
 Sistema recebe calor → Q > 0
 Sistema perde calor → Q < 0
7.4 Transformação cíclica
As máquinas térmicas (como, por exemplo, a máquina a vapor)
operam em ciclos. Isso significa que o gás sai de um estado inicial A
e após sofrer várias transformações volta ao estado inicial. Nesse
caso é fácil verificar que a área no interior da linha que representa o
ciclo nós dá o módulo do trabalho realizado pelo gás.
7.5 Segunda Lei da Termodinâmica
Sua primeira formulação foi feita pelo alemão Rudolf Emanuel
Clausius, em 1850:
 O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio.
 O inverso só ocorre com a realização de trabalho.
Em 1851, Lorde Kelvin e o físico alemão Max Planck deram à lei um
outro anunciado:
 É impossível para uma máquina térmica que opera em ciclos,
 converter integralmente calor em trabalho.
Ciclo de Carnot
Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção
de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a
energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).

Para demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês Nicolas
Carnot (1796-1832) propôs uma máquina térmica teórica que se
comportava como uma máquina de rendimento total, estabelecendo
um ciclo de rendimento máximo, que mais tarde passou a ser
chamado Ciclo de Carnot.

Este ciclo seria composto de quatro processos, independente da
substância:
• Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe uma
quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M)
• Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as
fontes térmicas (M-N)
• Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para a
fonte de resfriamento (N-O)
• Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor com
as fontes térmicas (O-L)
Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela
fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento
são proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim:

 Q2  T2
   =
 Q1 T 1
Assim, o rendimento numa máquina de Carnot é:

         Q2        Q2
                    T2
η = 1−        e   =
         Q1     Q1 T 1
Logo:

       T2           Q = quantidade de calor (J)
η = 1−              T = temperatura (K)
       T1           η = rendimento (%)
Sendo:
T2 = temperatura absoluta da fonte de resfriamento
T1 = temperatura absoluta da fonte de aquecimento
Com isto se conclui que para que haja 100% de rendimento, todo o calor
vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho,
pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser zero K.
Partindo daí conclui-se que o zero absoluto não é possível para um
sistema físico.

Princípio de Carnot
"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios
térmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot"
operando entre os mesmos reservatórios"
Máquinas térmicas
Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção
de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a
energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).
A geladeira
Na figura ao lado temos o
esquema de uma geladeira que
tem o congelador em seu interior.
Por todo o circuito (compressor,
válvula de expansão, evaporador,
condensador) da figura, circula o
gás freon 12 que é o responsável
pela "produção" de frio. Nota-se
que a temperatura ao longo de
todo o circuito não é constante.
Temos uma região em que o gás
freon está submetido a altas
pressões (no compressor) e
portanto    tem    uma      maior
temperatura e uma outra região
em que ele está submetido à
baixa pressão (válvula ou tubo
capilar) e possui uma menor
temperatura.
No esquema a baixo, a parte vermelha corresponde a região de alta pressão
(alta temperatura) e a parte azul corresponde a baixa pressão (baixa
temperatura), também vemos as partes básicas do refrigerador (sistema de
refrigeração) onde o:
                             • compressor: é responsável pela elevação da
                             pressão até 10 atmosferas e sua temperatura
                             está aproximadamente a 41 ºC;
                             • condensador: faz com que o gás passe para o
                             estado líquido ainda em alta pressão e então o
                             líquido passa para o tubo capilar;
                             • tubo capilar: ao sair dele terá sua pressão e
                             temperatura diminuídas alcançando valores
                             próximos de 1,6 atmosferas e - 19 ºC, nesta
                             situação passa para o evaporador;
                             • evaporador onde retorna ao estado gasoso e
                             agora esta mudança de fase ocorre a baixa
                             pressão. É no evaporador que o gás freon
                             recebe calor dos alimentos colocados no interior
                             da geladeira, retirando calor da parte interna,
                             então, podemos perceber que a "produção de
                             frio" ocorre no evaporador.
Como ele encontra-se na parte superior da geladeira, próximo a ele o ar
se resfria tornando-se mais denso e desce para as outras partes da
geladeira fazendo que o ar mais quente e menos denso suba criando
assim as correntes de convecção resfriando toda a parte interna.
Com o exposto você pode achar que então, toda a parte interna da
geladeira ficaria congelada; não pois na parte interna da geladeira é
colocada um dispositivo denominado "termostato", que encarrega-se de
manter a temperatura interior constante, isto é, tendo o que estiver na
geladeira será resfriado até entrar em equilíbrio térmico com a
temperatura pré-estabelecida e registrada no termostato.
O ar condicionado
Um ar condicionado é basicamente uma geladeira sem seu
gabinete. Ele usa a evaporação de um fluido refrigerante para
fornecer refrigeração. Os mecanismos do ciclo de refrigeração são
os mesmos da geladeira e do ar condicionado. O termo freon é
genericamente usado para qualquer dos vários fluorcarbonos não
inflamáveis utilizados como refrigerantes e combustíveis nos
aerossóis.
Funcionamento do ciclo de refrigeração em um ar condicionado :
O compressor comprime o gás frio , fazendo com que ele se torne
   gás quente de alta pressão (em vermelho no diagrama acima).
Este gás quente corre através de um trocador de calor para dissipar o
   calor e se condensa para o estado líquido.
O líquido escoa através de uma válvula de expansão e no processo
   ele vaporiza para se tornar gás frio de baixa pressão (em azul claro
   no diagrama acima).
Este gás frio corre através de trocador de calor que permite que o gás
   absorva calor e esfrie o ar de dentro do prédio.
Misturado com o fluido refrigerante, existe uma pequena quantidade
   de um óleo de baixa densidade. Esse óleo lubrifica o compressor.
Um aparelho de ar condicionado de janela constitui um sistema completo
  de condicionamento de ar para locais pequenos. Estas unidades são
  fabricadas em tamanhos suficientemente pequenos, para que se
  encaixem em uma janela padrão. Se você abrir o compartimento de
  um ar condicionado de janela, verá que ele contém:
• um compressor
• uma válvula de expansão
• um condensador (do lado de fora)
• um evaporador (do lado de dentro)
• dois ventiladores
• uma unidade de controle
Os ventiladores sopram ar sobre os trocadores de calor para melhorar a
  sua capacidade de dissipar calor (para o ar exterior) e frio (para o
  ambiente ser resfriado).
Termologia  -profª_luciana
BTU e EER

A maioria dos condicionadores de ar têm a sua capacidade classificada em
Unidade de Calor Britânica (BTU). De forma geral, uma BTU é a quantidade de
calor necessária para aumentar a temperatura de 0,45 kg de água em 0,56º C.
Especificamente, 1 BTU é igual a 1,055 Joules. Em termos de aquecimento e
refrigeração, uma tonelada de refrigeração equivale a 12 mil BTU.
Um ar condicionado normal de janela pode ter uma capacidade de 10 mil BTU.
Para comparação: uma casa de 185 m2 pode ter um sistema de ar
condicionado de 5 toneladas (60 mil BTU) de refrigeração, supondo que você
precise de cerca de 300 BTU por m2 . Perceba que estas são estimativas
aproximadas. Para dimensionar um condicionador de ar para as suas
necessidades específicas, contate um profissional especializado em
equipamentos de HVAC - aquecimento, ventilação e ar condicionado.

A classificação da eficiência enérgica (EER) de um ar condicionado é a sua
capacidade em BTU dividida pelo seu consumo. Se, por exemplo, um ar
condicionado de 10 mil BTU consome 1.200 watts, o seu EER é de 8,3 (10 mil
BTU/1.200 watts). Obviamente, você vai querer que o EER seja o mais alto
possível, mas normalmente um EER maior é acompanhado de um preço
também maior.
O motor de explosão

O motor de explosão, ou motor de
combustão interna, é amplamente
usado para movimentar automóveis,
ônibus, caminhões, etc.
Nos motores a álcool ou gasolina a
produção do movimento começa pela
queima de combustível nas câmaras
de combustão. Essas câmaras
contém um cilindro, duas válvulas
(uma de admissão e outra de escape)
e uma vela de ignição. O pistão que
se move no interior do cilindro é
acoplado a biela que se articula com o
virabrequim. O virabrequim ao girar
faz com que o movimento chegue as
rodas através do sistema de
transmissão do carro.
A figura abaixo mostra um esquema do motor a "quatro tempos",
assim denominado porque seu funcionamento se faz em quatro
etapas.
• Primeiro tempo (indução)
A válvula de admissão se abre e uma mistura de combustível e ar é
injetada no cilindro através da válvula de admissão enquanto o
virabrequim, que gira, empurra o pistão para baixo.
• Segundo tempo (compressão)
A válvula de admissão se fecha; a mistura é comprimida à medida que
o pistão se eleva e, antes que este chegue à parte superior, a vela se
ascende.
• Terceiro tempo (potência)
A mistura acende-se; os gases quentes que se expandem, formados
na explosão, produzem uma força que faz com que o pistão abaixe
novamente, acionando o virabrequim.
• Quarto tempo (exaustão)
A válvula de escape abre-se e os gases são expulsos pelo pistão que
se eleva.
Os motores modernos usam sistemas eletrônicos que regulam com
precisão a quantidade e o teor da mistura introduzida nos cilindros,
conhecidos por injeção eletrônica.




Para melhorar o rendimento dos motores, estes funcionam,
normalmente, com vários cilindros. Em um motor de quatro cilindros,
quando um dos cilindros está em aspiração, outro está em compressão,
o terceiro está em explosão e o quarto está em exaustão.

Se o motor está parado, os primeiros movimentos do pistão é feito
através de um motor elétrico, conhecido como motor de arranque.
Depois das primeiras explosões do combustível o motor de arranque é
desligado e os pistões passam a funcionar em ciclos, como os que
foram descritos.
O motor à diesel
Quando, em 1885, o engenheiro alemão Daimler construiu o primeiro motor
de combustão interna capaz de mover um veículo com razoáveis condições
de segurança e economia, começou uma corrida em busca de
aperfeiçoamentos, que dura até hoje.

Em 1894, outro engenheiro alemão, Rudolf Diesel, houve por bem simplificar
o princípio de funcionamento do motor a explosão. Nasceu assim o motor
diesel, que eliminou a necessidade de um circuito elétrico relativamente
complicado para iniciar a combustão da gasolina. Nesse tipo de engenho, o
combustível - o óleo diesel - queima por ação do calor que se liberta quando
o ar é altamente comprimido.

O novo motor, dotado de uma eficiência térmica muito mais elevada que a
dos motores a gasolina, logo encontrou emprego em instalações industriais e
na produção de veículos pesados, como locomotivas, grandes caminhões e
navios.

O rendimento, o tempo de vida útil, a segurança de funcionamento e o baixo
custo de manutenção são algumas das características que fazem do motor
diesel o preferido nesse tipo de aplicação.
Ciclo de um motor diesel

• No primeiro estágio do ciclo de combustão, chamado indução, o ar
é aspirado para o interior do cilindro, penetrando nele através da
válvula de entrada.
• Durante o segundo estágio, a compressão, o pistão sobe e
comprime o ar dentro do cilindro, em proporção muito mais elevada
do que num motor a gasolina comum.
• Na ignição, o combustível é injetado no ar comprimido a alta
temperatura, entrando em combustão espontânea e forçando o
movimento do pistão para baixo.
• No último estágio, denominado exaustão, os gases que se
formaram na fase anterior são expelidos do interior do cilindro pelo
movimento ascendente do pistão.
No motor diesel a descida do pistão não aspira mistura combustível;
somente ar puro entra no cilindro. E, quando o pistão se desloca para
cima, apenas esse ar sofre compressão. A compressão interna no
cilindro atinge um grau muito mais elevado que nos motores a gasolina -
suas taxas de compressão vão de 14:1 a 25:1. Em conseqüência, a
temperatura do ar comprimido eleva-se consideravelmente, chegando a
ultrapassar os 700º. À medida que o pistão se aproxima do limite
máximo de seu curso, um fino jato de combustível é impulsionado para o
interior do cilindro. Devido à alta compressão, o ar fica tão quente que,
ao receber o combustível, faz este entrar em combustão espontânea,
dispensando a presença da vela de ignição (ou ignição eletrônica).
Termologia  -profª_luciana
Como no motor diesel o volume de ar aspirado para o interior do cilindro
é sempre o mesmo, a velocidade da máquina é controlada apenas pela
quantidade de combustível fornecida pelo injetor.

O motor diesel permite adaptações para funcionar com praticamente
qualquer tipo de combustível, desde os óleos vegetais, até o gás natural
e a gasolina de alta octanagem; porém, o mais comum e adequado é o
óleo diesel destilado do óleo mineral cru. O óleo diesel é mais volátil que
a gasolina e seu ponto de combustão situa-se aproximadamente a 75ºC.

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Termologia -profª_luciana

  • 1. Universidade Estadual do Maranhão Disciplina: Calor e Ondas Professora Luciana Araújo
  • 2. TERMOLOGIA 1. Termometria 2. Expansão térmica de sólidos e líquidos 3. Calorimetria 4. Mudanças de estado de agregação 5. Transmissão de calor 6. Leis dos gases ideais 7. Termodinâmica
  • 4. 1. Termometria 1.1 Temperatura 1.2 A escala Celsius 1.3 A escala Fahrenheit 1.3.1 Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit 1.4 A escala Kelvin 1.5 Definição de calor
  • 5. TERMOLOGIA Termologia é o estudo do calor, (do grego thermé, que significa calor e logia também do grego, que significa estudo.) Um corpo se aquece quando aumenta o valor médio das energias cinéticas de vibração de suas moléculas e esfria quando diminui o valor médio dessas energias.
  • 6. 1. Termometria 1.1 Temperatura O valor da temperatura está associada ao nível de agitação das partículas de um corpo. Portanto quanto maior a temperatura maior o estado de agitação. Menor temperatura Maior temperatura
  • 9. TERMÔMETROS São os instrumentos usados na determinação da temperatura de um corpo. Um termômetro comum deve ter,uma substância termométrica que varia seu volume ao sofrer alguma variação de temperatura, como o mercúrio por exemplo, e uma escala que registrará o valor correspondente da temperatura.
  • 10. TIPOS DE TERMÔMETROS Termômetro clínico (vidro e mercúrio)
  • 16. ESCALAS TERMOMÉTRICAS Atualmente temos três escalas importantes em uso: Celsius, Fahrenheit e Kelvin.
  • 17. 1.2 A escala Celsius Foi uma escala construída, tomando-se como referência a temperatura do gelo fundente como primeiro ponto fixo e a temperatura do vapor d´água em ebulição como segundo ponto fixo, atribuindo para estes dois pontos os valores 0 0C e 1000C respectivamente. (Anders Celsius, 1701-1744 )
  • 19. 1.3 A escala Fahrenheit Existem várias versões para a construção da escala Fahrenheit, mas nenhuma delas confirmada. Porém sabemos que nesta escala o ponto de gelo fundente e o vapor d´água em ebulição são registradas com os valores 320F e 2120F. Daniel Fahrenheit (1686–1736)
  • 21. 1.3.1 Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit
  • 22. 1.4 A escala Kelvin É a escala oficial do Sistema Internacional admitida para a temperatura termodinâmica, onde o valor correspondente ao gelo fundente é 273,15K e para o vapor d´água em ebulição é 373,15K. É também chamada de escala absoluta ou científica pois define como 0K (zero absoluto) a temperatura teórica em que as partículas que compõem um corpo estariam paralisadas. William Thomson (1824 –1907)
  • 24. Zero Absoluto Escala Kelvin Menor estado térmico. Ponto de energia mínima
  • 25. Relação entre as Escalas Termométricas Equações de Conversão Relação de Conversão de Variações
  • 26. Relação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit (-40)
  • 28. Construção de uma escala qualquer X − X1 Y − Y1 = X 2 − X 1 Y 2 − Y1
  • 29. 1.5 Definição de calor O calor é uma forma de energia que se transmite de um corpo a outro em razão da diferença de temperatura. Essa energia só é chamada calor enquanto está sendo transferida (energia em trânsito). Depois que ela é absorvida pelo corpo não pode ser chamada de calor.
  • 30. Equilíbrio Térmico Ocorre quando a temperatura dos corpos se igualam, ou seja, possuem o mesmo valor.
  • 31. 2. Expansão térmica de sólidos e líquidos 2.1 Dilatação linear dos sólidos 2.1.1 Lâmina bimetálica 2.2 Dilatação superficial e volumétrica 2.3 Dilatação dos líquidos 2.4 Dilatação anômala da água
  • 32. 2. Expansão térmica de sólidos e líquidos Quando a temperatura de um corpo aumenta, aumenta também a agitação de suas moléculas. Em geral, isso ocasiona um aumento da distância média entre elas, o que, por sua vez, acarreta uma expansão (ou dilatação) do corpo.
  • 33. 2.1 Dilatação linear dos sólidos Estuda a dilatação em apenas uma dimensão (comprimento). θo θ ΔL = L – Lo e Δθ = θ – θo A experiência mostra que: ΔL = α Lo . Δθ ΔL = variação de comprimento (m) Lo = comprimento inicial (m) L = Lo (1 + α . Δθ) L = comprimento final (m) Δθ = variação de temperatura (K) α = coeficiente de dilatação linear (K-1)
  • 34. Tabela de coeficientes de dilatação linear
  • 35. 2.1.1 Lâmina bimetálica Uma lâmina bimetálica é formada por duas lâminas muito finas, de metais diferentes e fortemente ligadas, de mesmo comprimento, mesma temperatura inicial e coeficientes de dilatação linear diferentes. Quando se aquecer ou se resfriar o conjunto, o mesmo se encurvará para cima ou para baixo conforme coeficiente de cada lâmina. Uma das aplicações dessas lâminas é servir como termostato (dispositivo que liga ou desliga ao atingir determinada temperatura). Elas são colocadas em circuitos elétricos de modo que, quando a temperatura desejada é atingida, as lâminas adquirem uma curvatura tal que ligam (ou desligam) o circuito.
  • 37. 2.2 Dilatação superficial e volumétrica Dilatação superficial Estuda a dilatação em apenas duas dimensões (comprimento x largura)
  • 38. Dilatação volumétrica Estuda a dilatação em três dimensões (comprimento x largura x espessura). ∆V = V0 γ . ∆θ V = V0(1 + γ ) . ∆θ
  • 39. Relação entre coeficientes Quando um corpo apresenta espaços vazios no seu interior, desde que o material do corpo seja homogêneo e isótropo, esses espaços vazios se dilatam como se fossem constituídos do mesmo material de que é feito o corpo.
  • 40. 2.3 Dilatação dos líquidos Para líquidos, não tem sentido falar em coeficiente de dilatação linear ou superficial, já que eles não possuem forma própria. Só existe o coeficiente de dilatação volumétrica. ∆V = Vo .γ .∆T
  • 41. Tabela de coeficientes de dilatação volumétrica de alguns líquidos a 20 °C Líquido γ (°C-1) Álcool etílico 1,20 . 10-3 Gasolina 0,95 . 10-3 Glicerina 0,50 . 10-3 Mercúrio 18,2 . 10-3
  • 42. 2.4 Dilatação anômala da água A água é o líquido mais comum, no entanto, seu comportamento em termos de dilatação térmica é uma verdadeira exceção. Aumentando a temperatura, o nível do líquido desce até a temperatura atingir 4 ºC. A partir daí, se o aquecimento continua, o nível do líquido passa a elevar-se. A conclusão que se pode tirar desse efeito é a de que, no aquecimento de 0 ºC a 4 ºC, a água sofre contração. No aquecimento acima de 4 ºC, ocorre dilatação.
  • 43. 3. Calorimetria 3.1 Caloria 3.2 Capacidade térmica e calor específico 3.2.1 Capacidade térmica 3.2.2 Calor específico 3.3 Trocas de calor
  • 44. 3. Calorimetria 3.1 Caloria Os estudos sobre os efeitos do calor começaram antes de se saber que ele era uma forma de energia e, por isso, foi definida uma unidade de calor que é muito usada até hoje, embora não pertença ao SI: a caloria (cal). Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar em 1 ºC a temperatura de 1 grama de água. Mais tarde percebeu-se que essa quantidade de calor variava um pouco, conforme a temperatura inicial da água, assim foi escolhido o intervalo de temperatura que vai de 14,5 ºC a 15,5 ºC. Depois de estabelecido o fato de que o calor é uma forma de energia, passou-se a usar o joule (J) para medir o calor, no SI. Com base na experiência de Joule, ficou definido que: 1 cal = 4,186 J (exatamente), isto é, a definição de caloria, hoje em dia, não depende mais da água.
  • 45. 3.2 Capacidade térmica e calor específico Quando um corpo recebe ou perde calor, pode ter sua temperatura aumentada ou diminuída. 3.2.1 Capacidade térmica É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade. Q C= Q = quantidade de calor (J) Δθ = variação de temperatura (K) ∆θ C = capacidade térmica (J/K)
  • 46. 3.2.2 Calor específico Calor específico (Constante) é uma grandeza física que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor. É possível calcular o calor específico de uma substância a partir da capacidade térmica de um corpo composto por ela e da massa desse corpo. C C = capacidade térmica (J/K) c= m m = massa (kg) c = calor específico (J/kg.K) Q Q = quantidade de calor (J) c= m = massa (kg) m.∆θ Δθ = variação de temperatura (K) c = calor específico (J/kg.K)
  • 47. calor específico é igual à quantidade de calor necessária para elevar 1 unidade a temperatura de 1 unidade de massa do material. Tabela de Calores específicos a 20 ºC e pressão igual a 1 atm. Substância Calor específico (c) (cal/g°C) Água 1,0 Álcool etílico 0,58 Ferro 0,113 Cobre 0,092 Mercúrio 0,033 Alumínio 0,215
  • 48. Calor sensível Calor sensível é a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de um corpo sem que haja variação do estado físico da matéria, ou seja, se um corpo está no estado sólido, sua temperatura pode variar para mais ou para menos e seu estado de agregação das moléculas continua o mesmo (sólido). A equação que mede a quantidade de calor cedida ou recebida por um corpo é: m = massa (kg) Q = m.c.∆θ c = calor específico (J/kg.K) Δθ = variação de temperatura (K) Q = calor sensível (J) Estado = Temperatura ≠
  • 49. Calor latente O calor latente é a quantidade de calor necessária para se variar o estado físico da matéria sem variar a temperatura. Acontece, por exemplo, no derretimento do gelo, onde podemos analisar a água no estado líquido e no estado sólido à mesma temperatura. Essa temperatura é chamada de temperatura de fusão do gelo, que em condições normais de temperatura e pressão corresponde a 0º C ou 273 K (SI). O calor latente pode ser calculado usando a equação: Q Q = quantidade de calor (J) L= m = massa (kg) m L = calor latente (J/kg) Estado ≠ Temperatura =
  • 51. O calor específico da água O calor específico da água elevado, se comparado com outras substâncias, explica, por exemplo, por que pela manhã, em regiões litorâneas, o mar está mais frio que a areia. Por ter calor específico maior que o da areia, a água demora mais para se aquecer, pois precisa de maior quantidade de calor para sofrer a mesma variação de temperatura.
  • 52. 3.3 Trocas de calor Para estudar as trocas de calor entre os corpos, os pesquisadores procuraram construir recipientes especiais cujas paredes fossem isolantes de calor, isto é, não deixassem o calor passar. Paredes isolantes são chamadas também de adiabáticas (do grego adiábatos, que significa “impenetrável”). Como exemplo desse tipo de recipiente podemos citar a garrafa térmica. Introduzindo um termômetro no recipiente, obtemos um calorímetro.
  • 53. Em física, o Princípio das Trocas de Calor diz que o somatório da quantidade de calor em um sistema deve ser nulo. O somatório pode ser representado matematicamente, onde Q é a quantidade de calor de cada corpo, por: ∑Q = 0 Também, de forma mais direta, pode ser representado, sendo m a massa de cada corpo, θE a temperatura do equilíbrio térmico, θ0 a temperatura inicial de cada corpo e o c calor específico da substância de cada corpo, por: ∑ (m.c.(θ E − θ 0 )) = 0
  • 54. 4. Mudanças de estado de agregação 4.1 Fusão e solidificação 4.2 Vaporização e liquefação 4.2.1 Evaporação 4.2.2 Ebulição 4.3 Influência da pressão 4.4 Gás e vapor
  • 55. 4. Mudanças de estado de agregação Quando um corpo recebe ou perde calor pode ocorrer uma mudança no seu estado de agregação (ou fase).
  • 56. 4.1 Fusão e solidificação Fusão é o nome dado ao processo de passagem de uma substância do estado sólido para o estado líquido. O processo inverso designa-se como solidificação. Para uma substância passar do estado sólido para o estado líquido, a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa (m): Q = quantidade de calor (J) Q = LF.m LF = calor de fusão = calor de solidificação (cal/g) “constante” m = massa (m) No caso da água (LF = 80 cal/g) são necessárias 80 calorias para fundir cada grama de gelo a 0 ºC, assim como cada grama de água líquida a 0 ºC precisa perder 80 calorias para se transformar em gelo.
  • 57. Fusão Solidificação
  • 58. 4.2 Vaporização e liquefação A vaporização é um processo mais complexo que a fusão, pois pode ocorrer de dois modos: por evaporação ou por ebulição. 4.2.1 Evaporação Evaporação é a passagem lenta de uma substância do estado líquido para o estado de vapor. A evapora pode ocorre a qualquer temperatura.
  • 59. 4.2.2 Ebulição Ebulição é a passagem turbulenta de uma substância do estado líquido para o estado de vapor. A ebulição se inicia a uma determinada temperatura, chamada de temperatura de ebulição.
  • 60. Para uma substância passar do estado líquido para o estado de vapor, a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa (m): Q = quantidade de calor (J) Q = LV .m LV = calor de vaporização = calor de liquefação (cal/g) “constante” m = massa (m) No caso da água (LV ≈ 540 cal/g): são necessárias 540 calorias para vaporizar 1 grama de água a 100 ºC, assim como cada grama de vapor d`água a 100 ºC precisa perder 540 calorias para se transformar em água líquida.
  • 61. 4.3 Influência da pressão Durante uma mudança de fase, em geral ocorre variação de volume. Portanto, uma mudança da pressão externa altera a temperatura em que ocorre a mudança de fase. A panela de pressão Quando a panela de pressão é aquecida, a pressão interna pode ficar maior do que um 1 atm e, assim, a água ferve a uma temperatura maior do que 100 ºC.
  • 62. 4.4 Gás e vapor Aumentando suficientemente a pressão sobre o vapor (a temperatura constante), o mesmo transforma-se em líquido e depois em sólido.
  • 63. Para cada substância existe uma temperatura, denominada temperatura crítica (θC), acima da qual a substância só pode existir na forma de vapor (gás). Por maior que seja a pressão aplicada sobre a substância, não se consegue passá-la para a fase líquida nem para a sólida. Tabela de temperaturas críticas Substância Temperatura crítica Água 374 ºC Dióxido de 31 ºC carbono Oxigênio -119 ºC Hidrogênio -240 ºC
  • 64. 5. Transmissão de calor 5.1 Transmissão de calor por condução 5.2 Transmissão de calor por convecção 5.3 Transmissão de calor por irradiação
  • 65. 5. Transmissão de calor A transmissão de calor entre locais diferentes, situados no mesmo meio ou não, é um dos fenômenos físicos mais comuns. Basicamente, ela acontece em três modos distintos: • por condução • por convecção • por irradiação
  • 66. 5.1 Transmissão de calor por condução Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de transferência de calor é chamado de condução. O primeiro a fazer um estudo detalhado da transmissão de calor por condução foi o físico e matemático francês Joseph Fourier (1768 - 1830). Experimentalmente ele obteve uma fórmula que nos dá a “rapidez” com que o calor é transmitido por condução. Fluxo de calor Q φ= ∆t Q = quantidade de calor (J) Δt = intervalo de tempo (s) Φ = fluxo de calor (J/s) ou W
  • 67. Os experimentos de Fourier mostraram que: Q A(θ 1 − θ 2) φ= =k ∆t L QL k= (∆t ). A.(θ 1 − θ 2) Q = quantidade de calor (J) Δt = intervalo de tempo (s) k = condutividade térmica (W/m.K) A = área (m2) (θ1 – θ2) = diferença de temperatura (K) L = comprimento (m) Φ = fluxo de calor (J/s) ou W
  • 68. Tabela de condutividades térmicas Material Condutividade térmica (W/m.K) Prata 420 Alumínio 200 Gelo 2 Água 0,6 Madeira 0,08 a 0,16 Lã 0,04 Ar 0,023 Isopor 0,01
  • 69. 5.2 Transmissão de calor por convecção Os líquidos e os gases não são bons condutores de calor. No entanto, eles podem transmitir calor de modo significativo por um outro processo: a convecção. Esse processo consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido.
  • 70. A geladeira e o aquecedor Numa geladeira o ar frio fica mais denso e desce; o ar que está embaixo, mais quente, sobe. Já os aquecedores devem ficar na parte de baixo do recinto em que se encontram. O ar aquecido fica menos denso e sobe; o ar de cima, mais frio, fica mais denso e desce.
  • 71. A inversão térmica Na inversão térmica, condições desfavoráveis podem, entretanto, provocar uma alteração na disposição das camadas na atmosfera. Geralmente no inverno, pode ocorrer um rápido resfriamento do solo ou um rápido aquecimento das camadas atmosféricas superiores. A inversão térmica é uma ocasião na qual a ação dos poluentes do ar pode ser bastante agravada.
  • 72. 5.2 Transmissão de calor por irradiação É a transmissão de energia térmica que não necessita de um meio material para acontecer, pois o calor se propaga através de ondas eletromagnéticas.
  • 73. A estufa O vidro normalmente deixa passar as ondas de infravermelho vindas do Sol. As estufas de plantas são construídas de forma que se tire proveito disso. Suas paredes, de vidro, permitem que a luz e as ondas de infravermelho entrem na estufa, onde são absorvidas pelo fundo escuro, aquecendo-o. Esse fundo passa a transmitir ondas de infravermelho de frequências mais baixas, que não conseguem atravessar a parede de vidro. Desse modo, o interior da estufa fica mais quente que seu exterior.
  • 74. O efeito estufa O dióxido de carbono (CO2) e o vapor d`água presentes na atmosfera da Terra deixam passar as ondas de infravermelho de alta frequência que vêm Sol e são absorvidas pela Terra. Esta se aquece e passa a emitir ondas de infravermelho de frequências mais baixas, que por sua vez têm dificuldade de atravessar a camada de vapor d`água e dióxido de carbono. Isso impede que a Terra perca muito calor por irradiação, principalmente a noite.
  • 75. A garrafa térmica A parte interna é uma garrafa de vidro (bom isolante) com paredes duplas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor por condução. As partes interna e externa da garrafa são espelhadas para evitar transmissão de calor por irradiação. A tampa deve deixar a boca da garrafa bem vedada, para evitar transmissão de calor por convecção.
  • 76. 6. Leis dos gases ideais 6.1 Lei Geral dos Gases 6.2 Transformações particulares 6.2.1 Transformação isotérmica 6.2.2 Transformação isobárica 6.2.3 Transformação isocórica 6.3 O mol 6.4 Equação de Clapeyron 6.4.1 Estado normal de um gás
  • 77. 6. Leis dos gases ideais 6.1 Lei Geral dos Gases No estado gasoso as moléculas se movem como um enxame de abelhas “enfurecidas”; a cada instante há moléculas movendo-se em todas as direções, com velocidades diferentes. O movimento individual de uma molécula é caótico; as mudanças de direção ocorrem em virtude das eventuais colisões.
  • 78. Para caracterizar a situação de uma certa porção de gás há três grandezas importantes: a pressão (p) o volume (V) e a temperatura absoluta (T). Essas grandezas são chamadas variáveis de estado do gás. Os vários gases, desde que estejam bastante rarefeitos (baixas) densidades e acima das respectivas temperaturas críticas, obedecem aproximadamente a seguinte lei, Lei Geral dos Gases: p1V1 p 2 V2 ou = T1 T2 pV = constante p= pressão (Pa) T V = volume (m3) T = temperatura (K) Um gás é chamado ideal quando obedece exatamente essa lei. Quando uma (ou mais) variável de estado sofre alguma alteração, dizemos que o gás sofreu uma transformação.
  • 79. 6.2 Transformações particulares Às vezes ocorre que, durante uma transformação do gás, uma das variáveis de estado fique constante, variando apenas as outras duas. 6.2.1 Transformação isotérmica Quando a temperatura fica constante a transformação é chamada isotérmica. Nesse caso a Lei Geral dos Gases fica: p1V1 = p2V2
  • 80. Numa transformação isotérmica o gráfico de p em função de V será uma hipérbole equilátera, denominada isoterma. Para uma mesma quantidade de gás, quanto maior a temperatura maior será o produto pV e mais afastada dos eixos estará a isoterma. Os dois gráficos mostram duas isotermas, sendo TA >TB. A área sob o gráfico é uma medida do trabalho realizado.
  • 81. 6.2.2 Transformação isobárica A transformação é chamada isobárica quando a pressão fica constante. Nesse caso a Lei Geral dos Gases fica: V1 V2 = T1 T2 O volume é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
  • 82. 6.2.3 Transformação isocórica Quando o volume fica constante, a transformação é chamada isocórica, isométrica ou isovolumétrica. Nesse caso a Lei Geral dos Gases fica: p1 p2 = T1 T2 A pressão é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
  • 83. 6.3 O mol Para a contagem do número de objetos microscópicos, como átomos e moléculas, frequentemente usa-se o mol: 1 mol de objetos = 6,023.1023 objetos Assim, 1 mol de átomos = 6,023.1023 átomos e 2 mols de átomos = 2 (6,023.1023) = 12,046.1023. O número 6,023.1023 é conhecido por número de Avogadro e apresentado por NA: NA = 6,023.1023 partículas/mol = 6,023.1023 mol-1 A massa molar (M) de um elemento é a massa de 1 mol de átomos desse elemento. A massa molar (M) de uma substância é a massa de 1 mol de moléculas dessa substância. Assim, dada uma amostra de massa m de um elemento (ou substância) o número n de mols de átomo (ou moléculas) da amostra é dada por: m m = amostra de massa (kg) n= M = massa molar (kg) M n = número de mols (mol)
  • 84. 6.4 Equação de Clapeyron A Lei Geral dos Gases vale para uma quantidade de gás cuja massa é constante: pV = constante T Em meados do século XIX, o físico francês Émile Clapeyron (1799- 1864), estudando o comportamento de massas diferentes, de gases diferentes, concluiu que a constante acima é proporcional ao número de moléculas do gás (e não à massa do gás). Assim, a equação pode ser escrita: p = pressão (Pa) pV V = volume (m3) = R.n T = temperatura (K) R = constante universal dos gases ideais = 8,31 (Pa.m3/mol.K) T n = número de mols (mol) Estado normal de um gás Dizemos que um gás está no estado normal quando se encontra nas condições normais de pressão e temperatura (CNPT): p = 1 atm = 760mmHg e T = 273 K (0 ºC)
  • 85. 7. Termodinâmica 7.1 Trabalho numa transformação gasosa 7.2 Energia interna 7.3 Primeira Lei da Termodinâmica 7.4 Transformação cíclica 7.5 Segunda Lei da Termodinâmica
  • 86. 7. Termodinâmica A Termodinâmica (do grego, thermé, significa "calor" e dynamis, significa "potência") é o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. A grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento.
  • 87. 7.1 Trabalho numa transformação gasosa Na figura abaixo representa-se um gás ideal contido num cilindro cuja seção reta tem área A e que é munido de um êmbolo; FG é a força exercida pelo gás sobre o êmbolo. Vamos supor que o gás sofra uma expansão isobárica (pressão constante), de modo que o êmbolo tenha um deslocamento d.
  • 88. Como a força e o deslocamento tem o mesmo sentido, o trabalho da força exercida pelo gás será dado por: τ G = FG.d Mas, sendo pG a pressão exercida pelo gás, temos: FG = pG. A Unidade de pressão 1 atm ≈ 105 Pa τ Das duas fórmulas acima, tem-se: G = FG.d = pG.d A. d = distância (m) A = área (m2) ΔV = variação de volume (m3) ∆V FG= força exercida pelo gás (N) τ G = pG.(∆V ) pG = pressão exercida pelo gás (Pa) TG = trabalho da força exercida pelo gás (J) Se o gás sofrer uma compressão isobárica, FG e d terão sentidos opostos e o trabalho será negativo.
  • 89. O gráfico da pressão em função do volume (p x V) Como consideramos a pressão constante, o gráfico de p G em função do volume é o da figura abaixo, na qual a área da região sombreada nos dá o módulo do trabalho. Se a pressão variar, pode-se demonstrar que o trabalho ainda é dado pela área sob o gráfico abaixo.
  • 90. 7.2 Energia interna A energia interna de um corpo é a soma das energias de todas as suas moléculas. Isso inclui as energias cinéticas e as energias potenciais correspondentes às forças elétricas existentes entre os átomos (ou moléculas). Para um gás ideal pode-se mostrar que a energia interna é proporcional à temperatura absoluta do gás. Por exemplo, no caso de um gás ideal monoatômico, a energia interna (U) é dada por: 3 U = nRT 2 n = número de mols R = constante universal dos gases perfeitos = 8,37 (J/mol.K) T = Temperatura (K) U = energia interna (J) Para os gases poliatômicos essa fórmula não vale.
  • 91. 7.3 Primeira Lei da Termodinâmica Consideremos um sistema qualquer formado por um ou mais corpos. Quando fornecemos ao sistema uma quantidade de energia (Q), na forma de calor essa energia pode ser usada de dois modos: • Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (W), expandindo-se (W > 0) ou contraindo-se (W < 0). Eventualmente pode acontecer de o sistema não alterar seu volume; assim o trabalho será nulo. • A outra parte da energia será absorvida pelo sistema, transformando-se em energia interna. Dito de outro modo: essa outra parte da energia é igual à variação da energia (ΔU) do sistema. Eventualmente pode acontecer ΔU = 0; significa que, nesse caso, todo o calor Q foi usado para a realização de trabalho.
  • 92. Assim temos: Q = W + ∆U A equação acima traduz a Primeira Lei da Termodinâmica. Ela vale pra qualquer sistema, mas vamos aplicá-la apenas na análise das transformações sofridas por um gás. Quanto usamos esta equação, deveremos tomar cuidado com os sinais de Q e W. C como já vimos anteriormente, se o gás se expandir, isto é, aumentar de volume, o trabalho será positivo. Se o gás for comprimido (diminuindo de volume), o trabalho será negativo (neste caso. é o meio exterior que realiza trabalho positivo). V aumenta → ΔV > 0 → W > 0 V diminui → ΔV < 0 → W < 0 Para o calor vale a convenção: Sistema recebe calor → Q > 0 Sistema perde calor → Q < 0
  • 93. 7.4 Transformação cíclica As máquinas térmicas (como, por exemplo, a máquina a vapor) operam em ciclos. Isso significa que o gás sai de um estado inicial A e após sofrer várias transformações volta ao estado inicial. Nesse caso é fácil verificar que a área no interior da linha que representa o ciclo nós dá o módulo do trabalho realizado pelo gás.
  • 94. 7.5 Segunda Lei da Termodinâmica Sua primeira formulação foi feita pelo alemão Rudolf Emanuel Clausius, em 1850: O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio. O inverso só ocorre com a realização de trabalho. Em 1851, Lorde Kelvin e o físico alemão Max Planck deram à lei um outro anunciado: É impossível para uma máquina térmica que opera em ciclos, converter integralmente calor em trabalho.
  • 95. Ciclo de Carnot Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%). Para demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês Nicolas Carnot (1796-1832) propôs uma máquina térmica teórica que se comportava como uma máquina de rendimento total, estabelecendo um ciclo de rendimento máximo, que mais tarde passou a ser chamado Ciclo de Carnot. Este ciclo seria composto de quatro processos, independente da substância:
  • 96. • Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M) • Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (M-N) • Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para a fonte de resfriamento (N-O) • Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (O-L)
  • 97. Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim: Q2 T2 = Q1 T 1 Assim, o rendimento numa máquina de Carnot é: Q2 Q2 T2 η = 1− e = Q1 Q1 T 1 Logo: T2 Q = quantidade de calor (J) η = 1− T = temperatura (K) T1 η = rendimento (%) Sendo: T2 = temperatura absoluta da fonte de resfriamento T1 = temperatura absoluta da fonte de aquecimento
  • 98. Com isto se conclui que para que haja 100% de rendimento, todo o calor vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho, pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser zero K. Partindo daí conclui-se que o zero absoluto não é possível para um sistema físico. Princípio de Carnot "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"
  • 99. Máquinas térmicas Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).
  • 100. A geladeira Na figura ao lado temos o esquema de uma geladeira que tem o congelador em seu interior. Por todo o circuito (compressor, válvula de expansão, evaporador, condensador) da figura, circula o gás freon 12 que é o responsável pela "produção" de frio. Nota-se que a temperatura ao longo de todo o circuito não é constante. Temos uma região em que o gás freon está submetido a altas pressões (no compressor) e portanto tem uma maior temperatura e uma outra região em que ele está submetido à baixa pressão (válvula ou tubo capilar) e possui uma menor temperatura.
  • 101. No esquema a baixo, a parte vermelha corresponde a região de alta pressão (alta temperatura) e a parte azul corresponde a baixa pressão (baixa temperatura), também vemos as partes básicas do refrigerador (sistema de refrigeração) onde o: • compressor: é responsável pela elevação da pressão até 10 atmosferas e sua temperatura está aproximadamente a 41 ºC; • condensador: faz com que o gás passe para o estado líquido ainda em alta pressão e então o líquido passa para o tubo capilar; • tubo capilar: ao sair dele terá sua pressão e temperatura diminuídas alcançando valores próximos de 1,6 atmosferas e - 19 ºC, nesta situação passa para o evaporador; • evaporador onde retorna ao estado gasoso e agora esta mudança de fase ocorre a baixa pressão. É no evaporador que o gás freon recebe calor dos alimentos colocados no interior da geladeira, retirando calor da parte interna, então, podemos perceber que a "produção de frio" ocorre no evaporador.
  • 102. Como ele encontra-se na parte superior da geladeira, próximo a ele o ar se resfria tornando-se mais denso e desce para as outras partes da geladeira fazendo que o ar mais quente e menos denso suba criando assim as correntes de convecção resfriando toda a parte interna.
  • 103. Com o exposto você pode achar que então, toda a parte interna da geladeira ficaria congelada; não pois na parte interna da geladeira é colocada um dispositivo denominado "termostato", que encarrega-se de manter a temperatura interior constante, isto é, tendo o que estiver na geladeira será resfriado até entrar em equilíbrio térmico com a temperatura pré-estabelecida e registrada no termostato.
  • 104. O ar condicionado Um ar condicionado é basicamente uma geladeira sem seu gabinete. Ele usa a evaporação de um fluido refrigerante para fornecer refrigeração. Os mecanismos do ciclo de refrigeração são os mesmos da geladeira e do ar condicionado. O termo freon é genericamente usado para qualquer dos vários fluorcarbonos não inflamáveis utilizados como refrigerantes e combustíveis nos aerossóis.
  • 105. Funcionamento do ciclo de refrigeração em um ar condicionado : O compressor comprime o gás frio , fazendo com que ele se torne gás quente de alta pressão (em vermelho no diagrama acima). Este gás quente corre através de um trocador de calor para dissipar o calor e se condensa para o estado líquido. O líquido escoa através de uma válvula de expansão e no processo ele vaporiza para se tornar gás frio de baixa pressão (em azul claro no diagrama acima). Este gás frio corre através de trocador de calor que permite que o gás absorva calor e esfrie o ar de dentro do prédio. Misturado com o fluido refrigerante, existe uma pequena quantidade de um óleo de baixa densidade. Esse óleo lubrifica o compressor.
  • 106. Um aparelho de ar condicionado de janela constitui um sistema completo de condicionamento de ar para locais pequenos. Estas unidades são fabricadas em tamanhos suficientemente pequenos, para que se encaixem em uma janela padrão. Se você abrir o compartimento de um ar condicionado de janela, verá que ele contém: • um compressor • uma válvula de expansão • um condensador (do lado de fora) • um evaporador (do lado de dentro) • dois ventiladores • uma unidade de controle Os ventiladores sopram ar sobre os trocadores de calor para melhorar a sua capacidade de dissipar calor (para o ar exterior) e frio (para o ambiente ser resfriado).
  • 108. BTU e EER A maioria dos condicionadores de ar têm a sua capacidade classificada em Unidade de Calor Britânica (BTU). De forma geral, uma BTU é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 0,45 kg de água em 0,56º C. Especificamente, 1 BTU é igual a 1,055 Joules. Em termos de aquecimento e refrigeração, uma tonelada de refrigeração equivale a 12 mil BTU. Um ar condicionado normal de janela pode ter uma capacidade de 10 mil BTU. Para comparação: uma casa de 185 m2 pode ter um sistema de ar condicionado de 5 toneladas (60 mil BTU) de refrigeração, supondo que você precise de cerca de 300 BTU por m2 . Perceba que estas são estimativas aproximadas. Para dimensionar um condicionador de ar para as suas necessidades específicas, contate um profissional especializado em equipamentos de HVAC - aquecimento, ventilação e ar condicionado. A classificação da eficiência enérgica (EER) de um ar condicionado é a sua capacidade em BTU dividida pelo seu consumo. Se, por exemplo, um ar condicionado de 10 mil BTU consome 1.200 watts, o seu EER é de 8,3 (10 mil BTU/1.200 watts). Obviamente, você vai querer que o EER seja o mais alto possível, mas normalmente um EER maior é acompanhado de um preço também maior.
  • 109. O motor de explosão O motor de explosão, ou motor de combustão interna, é amplamente usado para movimentar automóveis, ônibus, caminhões, etc. Nos motores a álcool ou gasolina a produção do movimento começa pela queima de combustível nas câmaras de combustão. Essas câmaras contém um cilindro, duas válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado a biela que se articula com o virabrequim. O virabrequim ao girar faz com que o movimento chegue as rodas através do sistema de transmissão do carro.
  • 110. A figura abaixo mostra um esquema do motor a "quatro tempos", assim denominado porque seu funcionamento se faz em quatro etapas.
  • 111. • Primeiro tempo (indução) A válvula de admissão se abre e uma mistura de combustível e ar é injetada no cilindro através da válvula de admissão enquanto o virabrequim, que gira, empurra o pistão para baixo. • Segundo tempo (compressão) A válvula de admissão se fecha; a mistura é comprimida à medida que o pistão se eleva e, antes que este chegue à parte superior, a vela se ascende. • Terceiro tempo (potência) A mistura acende-se; os gases quentes que se expandem, formados na explosão, produzem uma força que faz com que o pistão abaixe novamente, acionando o virabrequim. • Quarto tempo (exaustão) A válvula de escape abre-se e os gases são expulsos pelo pistão que se eleva.
  • 112. Os motores modernos usam sistemas eletrônicos que regulam com precisão a quantidade e o teor da mistura introduzida nos cilindros, conhecidos por injeção eletrônica. Para melhorar o rendimento dos motores, estes funcionam, normalmente, com vários cilindros. Em um motor de quatro cilindros, quando um dos cilindros está em aspiração, outro está em compressão, o terceiro está em explosão e o quarto está em exaustão. Se o motor está parado, os primeiros movimentos do pistão é feito através de um motor elétrico, conhecido como motor de arranque. Depois das primeiras explosões do combustível o motor de arranque é desligado e os pistões passam a funcionar em ciclos, como os que foram descritos.
  • 113. O motor à diesel Quando, em 1885, o engenheiro alemão Daimler construiu o primeiro motor de combustão interna capaz de mover um veículo com razoáveis condições de segurança e economia, começou uma corrida em busca de aperfeiçoamentos, que dura até hoje. Em 1894, outro engenheiro alemão, Rudolf Diesel, houve por bem simplificar o princípio de funcionamento do motor a explosão. Nasceu assim o motor diesel, que eliminou a necessidade de um circuito elétrico relativamente complicado para iniciar a combustão da gasolina. Nesse tipo de engenho, o combustível - o óleo diesel - queima por ação do calor que se liberta quando o ar é altamente comprimido. O novo motor, dotado de uma eficiência térmica muito mais elevada que a dos motores a gasolina, logo encontrou emprego em instalações industriais e na produção de veículos pesados, como locomotivas, grandes caminhões e navios. O rendimento, o tempo de vida útil, a segurança de funcionamento e o baixo custo de manutenção são algumas das características que fazem do motor diesel o preferido nesse tipo de aplicação.
  • 114. Ciclo de um motor diesel • No primeiro estágio do ciclo de combustão, chamado indução, o ar é aspirado para o interior do cilindro, penetrando nele através da válvula de entrada. • Durante o segundo estágio, a compressão, o pistão sobe e comprime o ar dentro do cilindro, em proporção muito mais elevada do que num motor a gasolina comum. • Na ignição, o combustível é injetado no ar comprimido a alta temperatura, entrando em combustão espontânea e forçando o movimento do pistão para baixo. • No último estágio, denominado exaustão, os gases que se formaram na fase anterior são expelidos do interior do cilindro pelo movimento ascendente do pistão.
  • 115. No motor diesel a descida do pistão não aspira mistura combustível; somente ar puro entra no cilindro. E, quando o pistão se desloca para cima, apenas esse ar sofre compressão. A compressão interna no cilindro atinge um grau muito mais elevado que nos motores a gasolina - suas taxas de compressão vão de 14:1 a 25:1. Em conseqüência, a temperatura do ar comprimido eleva-se consideravelmente, chegando a ultrapassar os 700º. À medida que o pistão se aproxima do limite máximo de seu curso, um fino jato de combustível é impulsionado para o interior do cilindro. Devido à alta compressão, o ar fica tão quente que, ao receber o combustível, faz este entrar em combustão espontânea, dispensando a presença da vela de ignição (ou ignição eletrônica).
  • 117. Como no motor diesel o volume de ar aspirado para o interior do cilindro é sempre o mesmo, a velocidade da máquina é controlada apenas pela quantidade de combustível fornecida pelo injetor. O motor diesel permite adaptações para funcionar com praticamente qualquer tipo de combustível, desde os óleos vegetais, até o gás natural e a gasolina de alta octanagem; porém, o mais comum e adequado é o óleo diesel destilado do óleo mineral cru. O óleo diesel é mais volátil que a gasolina e seu ponto de combustão situa-se aproximadamente a 75ºC.