Calor e a 1ª Lei da Termodinâmica

1. A teoria do “calórico” (~1779) Para atingir o estado de equilíbrio térmico, • Substância fluida • invisível • peso desprezível T1 > T2 T1 T2 T a quantidade de calórico Esta teoria explicava um grande número de fenômenos, mas não todos! Calor e a 1ª Lei da Termodinâmica Capacidade calorífica e calor específico Onde C é a capacidade calorífica ou térmica C é a quantidade de energia transferida, através de aquecimento, necessária para elevar a temperatura de uma substância de 1 grau. Calor específico é definido por: 1 cal = 4,184 J (14,5 oC p/ 15,5 oC) 1 Btu = 252 cal = 1,054 kJ Cágua = 1 cal / g oC = 1 kcal / kg oC = 1 kcal / kg K = 4,184 kJ / kg K Cágua = 1 Btu/lb Fo

2. A capacidade calorífica por mol capacidade calorífica molar, ou ainda, calor molar c’

3. c da água é muito grande! Ótimo refrigerador e ótimo aquecedor! Ex 18-1 Que quantidade de calor é necessária para elevar de 20 oC a temperatura de 3 kg de cobre? Calorimetria – medir trocas de calor entre corpos Calorímetro: recipiente com água termicamente isolado Seja um corpo com massa mc calor específico cc com temperatura inicial Tic e, após o banho com água atinge uma temperatura final Tf Supondo que Tic > Tia O calor liberado pelo corpo será: Se Tia for a temperatura inicial da água e do recipiente e Tf for a temperatura final de equilíbrio, então o calor absorvido será: Ex 18-2 Para medir o calor específico do chumbo, uma pessoa aquece 600 g de granalha de chumbo até a temperatura de 100 oC e depois coloca este conteúdo num calorímetro de alumínio com 200 g de massa, contendo 500 g de água, inicialmente a 17,3 oC. Se a temperatura final do conjunto for 20,0 oC, qual o calor específico do chumbo? (cAl = 900 J/kg K)

4. Sólidos, Líquidos e Gases 3 fases ou estados Sólida ou líquida ou gasosa Determinada pela T e p Substâncias na natureza Ex.: Nas condições ambientes (24 oC e 1 atm) Fe (sólido) líquido (quando aumenta a T) H2O (líquida) gás (quando aumenta a T ou abaixa a p) Quando uma substância passa de uma fase para outra, diz-se que houve uma mudança de fase ou de estado Estudaremos as leis que descrevem o comportamento das substâncias ao mudarem de fase ESTADO SÓLIDO Átomos muito próximos e ligados por forças elétricas relativamente fortes (não existe translação), porém, existe vibração (agitação térmica) Devido a forte ligação: forma própria e resistência a deformação Cristais

5. Uma mesma substância pode se apresentar em estruturas cristalinas diferentes “Onions” Fulerenos C20+2m (m=0,2,3,...) “Carbynes” Nanotubos Poliênica Cumulênica

6. Amorfos – quando os átomos não estão distribuídos numa estrutura organizada (vidro, asfalto, plásticos, borracha, etc) ESTADO LÍQUIDO • Átomos estão mais afastados. • A força de ligação entre eles é mais fraca que nos sólidos • Existem pequenas translações dos átomos Propriedades: -podem escoar - não oferecem resistência a penetração - tomam a forma do recipiente - átomos estão distribuídos aleatoriamente ESTADO GASOSO ( já estudamos!)

7. Fornecendo ou retirando calor Varia a agitação molecular A força de ligação entre os átomos é alterada Acarretando modificações na organização e separação dos átomos Ou seja, pode ocasionar uma mudança de fase

8. FUSÃO E SOLIDIFICAÇÃO • A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a fusão (ponto de fusão) é bem determinada para cada substância. • Se um sólido se encontra em sua temperatura de fusão, é necessário fornecer calor a ele para que ocorra a mudança de estado. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de fusão, que é característico de cada substância. • Durante a fusão, a temperatura do sólido permanece constante. Leis da Fusão: - Estas leis valem apenas para sólidos cristalinos - Nos amorfos a mudança de fase é gradativa (estados intermediários pastosos)

9. Ebulição Leis da Ebulição: • A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a EBULIÇÃO (ponto de ebulição) é bem determinada para cada substância. • Se um líquido se encontra em sua temperatura de ebulição, é necessário fornecer calor a ele para que o processo seja mantido. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente de vaporização, que é característico de cada substância. • Durante a ebulição, apesar de se fornecer calor ao líquido, sua temperatura permanece constante e o vapor que vai sendo formado encontra-se à mesma temperatura do líquido.

10. VAPORIZAÇÃO Duas maneiras: 1) por Evaporação - a passagem se faz lentamente, a qualquer temperatura. Ex.: secagem de uma roupa molhada 2) porEbulição - passagem rápida, a uma temperatura bem determinada. Ex.: a p = 1 atm a água começa a ferver aos 100 oC. Evaporação: A qualquer temperatura ocorre agitação das moléculas (v variável) As moléculas de maior velocidade deixam o líquido e as que sobram no líquido possuem v menor. a temperatura do líquido diminui. Velocidade de evaporação: • Quanto maior a temperatura, maior a rapidez com que o líquido evapora, isto é, Q aDta v2 e maior será a probabilidade das moléculas escaparem da superfície livre do líquido; • Quanto maior for a área da superfície livre do líquido • maior é a probabilidade das moléculas escaparem; 3) Com VENTO, seca mais rápido. Já, com clima úmido, demora mais.

11. A energia necessária para fundir uma substância de massa m sem alterar sua temperatura é: onde Lf é o calor latente de fusão da substância E, para vaporizar: Ex 18-3 Qual a quantidade de calor necessária para transformar 1,5 kg de gelo a -20 oC e 1 atm em vapor? 3390 kJ 627 kJ 500 kJ 61,5 kJ Ex 18-4 Um jarro de 2 litros, com limonada, foi colocado sobre uma mesa de piquenique, ao sol o dia inteiro, a 33 oC. Uma amostra de 0,24 kg de limonada é derramada numa xícara com dois cubos de gelo (cada um com 0,025 kg, a 0 oC). Considere que a xícara é feita com isolante térmico isopor. a) admitindo que não haja perda de calor para o ambiente, qual a temperatura final da limonada? b) qual seria a temperatura final se fossem colocados 6 cubos de gelo?

12. A experiência de Joule e a 1ª Lei da termodinâmica É possível elevar a temperatura de um sistema fornecendo-lhe calor, ou também realizando um trabalho sobre ele Pesos de 772 lb cada Para aumentar 1 oF a uma distância de um pé (30,48 cm) 1 cal = 4,184 J Equivalente mecânico do calor Ex 18-5 Você deixa cair um recipiente com água, termicamente isolado, de uma altura h do solo. Se a colisão for perfeitamente inelástica e toda a energia mecânica se transformar em energia interna da água, qual deve ser a altura h para a temperatura da água aumentar de 1 oC? mcDT = mgh h=426m

13. 1ª Lei da Termodinâmica Q = 100 J W = 30 J DEint = 70 J Generalizando, DEint = Q - Wsistema Esta é a variação na quantidade de energia interna de um sistema quando uma quantidade de calor é absorvida ou cedida e um trabalho é realizado por este sistema ou sobre ele. Ex 18-6 Realiza-se 25 kJ de trabalho sobre um sistema que consiste em 3 kg de água agitando-se essa água por meio de uma roda de palhetas. Durante este período o sistema perde 15 kcal de calor devido a ineficiência do isolamento. Qual a variação da energia interna do sistema?