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MATERIAL DIDÁTICO SEGUNDOS ANOS
FÍSICA - TERMODINÂMICA
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O termo matéria provém do latim materia, significa "substância física". É qualquer substância que possua massa, sujeita a inércia, ocupe lugar no espaço e é constituída de partículas elementares com massa não-nula.
Vulgarmente existem três estados de agregação da matéria, que variam conforme a temperatura e pressão às quais se submete um corpo, estes são o sólido, o líquido e o gasoso. No estado sólido, suas características são: volume e forma bem definidos, os átomos ou as moléculas estão relativamente próximos, ou rígidos em sua posição com uma ordenação espacial fixa, a energia cinética faz as moléculas moverem-se ligeiramente. No estado líquido, a distância entre as moléculas é suficiente para se adequar a qualquer meio, ou seja, uma substância líquida toma a forma do recipiente no qual se encontra, sem alterar seu volume, que é determinado pela sua pressão e temperatura. As superfícies dos líquidos têm um comportamento elástico, que é a manifestação da tensão superficial, além da capilaridade, o que será estudado mais adiante. Se denomina gas ao estado de agregação da matéria que não tem forma nem volume próprio. É composto de moléculas não unidas, expandidas e com pouca força de atração, fazendo que não tenhan volume e forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo o volume do recipiente que o contém. Com respeito aos gases, as forças gravitacionais e de atração entre particulas resultam insignificantes.
Temperatura
A Temperatura é um parâmetro de medida física descritiva e quantitativa da energia cinética associada ao movimento aleatório das partículas que compõem o um dado sistema físico. Sua variação permite a transferência da energia térmica, ou calorífica, entre dois ou mais sistemas, que, estando equalizados termicamente não existe neste caso, a transferência de calor. Assim, se dois sistemas não estão em equilíbrio, desta forma o calor é transferido do sistema de temperatura maior para o sistema de temperatura menor até atingir um novo equilíbrio térmico. Esta transferência pode acontecer por condução, convecção ou radiação.Se dois sistemas com volumes constantes são postos em contato térmico, as propriedades de ambos podem mudar devidas à transferência de calor entre os sistemas.
Quando o estado pára de mudar, o sistema está em equilíbrio térmico, assim o princípio zero da termodinâmica diz que: Estando dois sistemas A e B em equilíbrio térmico e um terceiro sistema C em equilíbrio térmico com A, então B e C estão também em equilíbrio.
Uma vez que A, B e C estão equilibrados termicamente, todos têm o valor de uma propriedade em comum. esta é chamada de temperatura, esta é baseada nas propriedades de um sistema de referência.
Calor
Calor é uma forma de transferência energia térmica entre dois corpos pela diferença de temperaturas entre eles sem transporte de massa, e que não corresponde à execução de um trabalho mecânico. Se um corpo recebe energia sob a forma de calor (e não sob a forma de trabalho), a quantidade Q é positiva e se um corpo transfere energia sob a forma de calor, a quantidade transferida Q é negativa. A unidade do Sistema Internacional (SI) para o calor é o joule (J), embora seja usualmente utilizada a caloria (cal; 1 cal = 4,18 J). Todo corpo tem uma certa quantidade de energia interna que está relacionada ao movimento continuo de seus átomos ou moléculas e às forças interativas entre essas partículas que estão sempre vibrando. A soma dessas vibrações constitui a energia térmica que é diretamente proporcional à temperatura do objeto. Quando dois corpos ou fluidos em diferentes temperaturas entram em interação (por contato, ou radiação), eles trocam energia interna até a temperatura ser equalizada. A quantidade de energia transferida enquanto houver diferença de temperatura é a quantidade Q de calor trocado, se o sistema se encontrar isolado de outras formas de transferência de energia.
Calor Latente
Calor latente ou calor de troca de estado, é a energia absorvida pelas substâncias ao trocar de estado. Do sólido para líquido (calor latente de fusão) ou de líquido a gasoso (calor latente de vaporização). Ao mudar de gasoso para líquido e de líquido a sólido se devolve a mesma quantidade de energia. Latente em latim quer dizer "escondido", e se chama assim porque, ao não cambiar a temperatura durante a troca de estado, apesar de adicionar calor, este ficava "escondido". A idéia provém da época em que se acreditava que o calor era uma substância fluída denominada Calórico (Flogisto). Ao contrário, o calor que se aplica quando a substância não muda de estado, aumenta a temperatura e se chama calor sensível. Quando se aplica calor ao gelo, sobe a sua temperatura até chegar a 0°C (temperatura de troca de estado), a partir deste ponto, ainda mesmo se aplicando energia, a temperatura não muda até a sua fusão completa. Isto se deve a que o calor se emprega todo no processo de fusão do gelo.
Uma vez fundido o gelo a temperatura voltará a subir até chegar a 100°C; a partir deste ponto se manterá estável até que se evapore toda a água. É justamente esta qualidade se utiliza na cozinha, na refrigeração, em bombas de calor e é o princípio pelo qual o suor esfria um corpo.
O calor latente de algumas substâncias:
A água tem calor latente de vaporização mais alto já que, para romper as pontes de hidrogênio que enlaçam as moléculas, é necessário fornecer muita energia, o amoníaco tem comportamento contrário.
* Água fusão: 334 J/g (80 cal/g); vaporização: 2.272 J/g (540 cal/g).
* Amoníaco fusão: 180 cal/gramo; de vaporização: 1.369 J/g (327 cal/g).
Uma das vantagem do elevado calor de vaporização da água, é que permite a determinados organismos diminuir sua temperatura corporal. Esta refrigeração é devida a que, para evaporar-se, a água da pele absorve energia em forma de calor do corpo, o que faz diminuir a temperatura superficial.
Calor Sensível
O calor sensível é medido em cal/g.Cº, é a quantidade de calor (cal) que uma quantidade de massa (g) leva para aumentar ou diminuir sua temperatura (ºC), é chamado também de calor específico e se refere a uma unidade de massa, portanto não depende da massa do material considerado. Provoca somente uma variação de temperatura dos corpos, é diferente do calor latente, que muda o estado seu físico.
O calor específico determina a quantidade de calor que uma unidade de massa precisa perder ou ganhar para que aconteça uma redução ou elevação de uma unidade de temperatura sem, contudo, alterar sua estrutura. Assim, se o corpo é sólido, continua sólido, se é líquido continua líquido e, se é gasoso, continua gasoso.
Princípio Fundamental da Calorimetria
Corpos em temperaturas diferentes, trocam entre si calor. Estando isolados termicamente, os de temperatura maior cederão calor aos de menor, até que se estabeleça o equilíbrio térmico, sua soma sempre é igual a zero.
EXERCÍCIOS
Exercícios Vestibular
1. (UFU-MG) Uma ponte de aço tem 1 000 m de comprimento. O coeficiente de dilatação linear do aço é de 11 . 10-6 °C -1 . A expansão da ponte, quando a temperatura sobe de 0 para 30 °C, é de:
a) 33 cm.
b) 37 cm.
c) 41 cm.
d) 52 cm.
e) 99 cm.
2. (ITA-SP) Um anel de cobre, a 25 °C, tem um diâmetro interno de 5 cm. Quais das opções abaixo corresponderá ao diâmetro interno desse mesmo anel a 275 °C, admitindo que o coeficiente de dilatação térmica do cobre no intervalo de 0 ° C a 300 ° C seja constante e igual a 1,6 . 10-5 °C-1 ?
a) 4,98 cm
b) 5,01 cm
c) 5,02 cm
d) 5,08 cm
e) 5,12 cm
3. (UEL-PR) Uma barra metálica, inicialmente à temperatura de 20 °C, é aquecida até 260 °C e sofreu uma dilatação igual a 0,6% do seu comprimento inicial. O coeficiente de dilatação linear médio do metal, nesse intervalo de temperatura, em ° C-1, vale:
a) 2,5 . 10-4.
b) 4 . 10-4
c) 2,5 . 10-5
d) 4 . 10-5
e) 2,5 . 10-6
4. (Fatec-SP) Uma barra metálica, quando aquecida de 0 °C a 100 ° C, sofre um acréscimo de comprimento igual a um milésimo do seu comprimento a 0 °C. Podemos afirmar que o seu coeficiente de dilatação linear, suposto constante, vale, em °C-1:
a) 1 . 10-3.
b) 1 . 10-4.
c) 2 . 10-4.
d) 1 . 10-5.
e) 2 . 10-5.
5. (MACK-SP) Uma barra metálica de coeficiente de dilatação linear médio de 2 . 10-5 ° C -1 a 20 ° C é colocada no interior de um forno. Após a barra ter atingido o equilíbrio térmico, verifica-se que seu comprimento é 1 % maior. A temperatura do forno é de:
a) 520 °C.
b) 400 °C.
c) 350 °C.
d) 200 °C.
e) 100 °C.
6. (UEPG-PR) Uma metalúrgica ajusta um pistão de alumínio de 85 mm de diâmetro a um motor cujo cilindro é de ferro e tem um diâmetro interno de 85,065 mm a uma temperatura de 25 ° C. A temperatura de regime de trabalho do motor, para que seu desempenho não seja afetado, deve ser imediatamente inferior a: (Dados: coeficiente de dilatação do alumínio: 23 . 10-6 °C-1; coeficiente de dilatação do ferro: 12 . 10-6 °C-1.)
a) 25 °C.
b) 216,7 °C.
c) 432 °C.
d) 94,5 °C.
e) Nenhuma das alternativas anteriores é correta.
7. (UFF-RJ) O dono de um posto de gasolina consulta uma tabela de coeficientes de dilatação volumétrica obtendo gálcool = 10-3° C-1. Assim, ele verifica que se comprar 14 000 litros do combustível em um dia em que a temperatura do álcool é de 20 °C e revendê-los num dia mais quente, em que esta temperatura seja de 30 °C, estará ganhando:
a) 1,4 . 102 litros.
b) 1,4 . 103 litros.
c) 5,2 . 103 litros.
d) 1,5 . 104 litros.
e) 5,2 . 104 litros.
8. (UFV-MG) Uma barra de alumínio de 10,000 m de comprimento, a 20 ° C, quando aquecida à temperatura de 120 ° C tem seu comprimento elevado para 10,022 m. O coeficiente de dilatação térmica linear do alumínio, em °C-1 , é:
a) 22 . 10-7.
b) 22 . 10-6.
c) 22 . 10-9.
d) 22 . 10-8.
e) 22 . 10-10.
9. (PUC-RS) Coloca-se água quente num copo de vidro comum e noutro de vidro pirex. O vidro comum trinca com maior facilidade que o vidro pirex porque:
a) o calor específico do pirex é menor que o do Vidro comum.
b) o calor específico do pirex é maior que o do vidro comum.
c) a variação de temperatura no vidro comum é maior.
d) o coeficiente de dilatação do vidro comum é maior que o do vidro pirex.
e) o coeficiente de dilatação do vidro comum é menor que o do vidro pirex.
10. (UFRS) Um sólido homogêneo apresenta, a 5 °C, um volume igual a 4,00 dm3. Aquecido até 505 °C, seu volume aumenta de 0,06 dm3. Qual o coeficiente de dilatação linear aproximado do material desse sólido?
a) 3 . 10-5 oC-1
b) 2 . 10-5 oC-1
c) 1,5 . 10-5 oC-1
d) 1 . 10-5 oC-1
e) 0,5 . 10-5 oC-1
11. (PUCC-SP) Uma esfera de aço tem um volume de 100 cm3 a 0 °C. Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do aço é de 12 . 10-6 ° C-1 , o acréscimo de volume sofrido por essa esfera, quando aquecida a 500 °C, em cm3, é de:
a) 0,6.
b) 1,2.
c) 1,8.
d) 3,6.
e) 5,0.
12. (UCSAL-BA) Ao aquecer uma esfera metálica maciça de 30 °C a 70 °C, seu volume sofre um aumento de 0,60%. O coeficiente de dilatação linear médio do metal, em °C-1, vale:
a) 1,5 . 10-6.
b) 5,0 . 10-6.
c) 1,5 . 10-5.
d) 5,0 . 10-5.
e) 1,5 . 10-4.
13. (UFPI) O coeficiente de dilatação volumétrica do azeite é de 8 . 10-4 °C-1. A variação de volume de 1 litro de azeite, quando sofre um acréscimo de temperatura de 50 °C, é, em cm3, de:
a) 4 . 10-4.
b) 8 . 10-2.
c) 8.
d) 40.
e) 400.
14. (Fatec-SP) Uma barra de aço de 5,000 m, quando submetida a uma variação de temperatura de 100 °C, sofre uma variação de comprimento de 6,0 mm. 0 coeficiente de dilatação linear do alumínio é o dobro do aço. Então, uma barra de alumínio de 5,000 m, submetida a uma variação de 50 °C, sofre uma dilatação de:
a) 3,0 mm.
b) 6,0 mm.
c) 9,0 mm.
d) 12,0 mm.
e) 18,0 mm.
15. (Mack-SP) Um corpo de capacidade térmica de 50 cal/oC, ao receber 5,0 . 103 cal, varia seu volume de 10,0 litros para 10,3 litros. O coeficiente de dilatação linear do material que constitui esse corpo, nessa variação de temperatura, vale:
a) 1,0 . 10-4 oC -l .
b) 2,0 . 10-4 oC -l .
c) 3,0 . 10-4 oC -l .
d) 1,0 . 10-5 oC -l .
e) 3,0 . 10-5 oC -l .
16. (Santa Casa -SP) A temperatura de um corpo homogêneo aumenta de 20 oC para 920 oC e ele continua em estado sólido. A variação percentual do volume do corpo foi de 3,24%. O coeficiente de dilatação linear médio do material, em 10-6 oC-1 , vale:
a) 12,0
b) 24,0
c) 32,4
d) 120
e) 240
17. (UEL-PR) Uma peça sólida tem uma cavidade cujo volume vale 8 cm3 a 20 oC. A temperatura da peça varia para 920 oC e o coeficiente de dilatação linear do sólido (12 . 10-6 oC-1 ) pode ser considerado constante. Supondo que a pressão interna da cavidade seja sempre igual à externa, a variação percentual do volume da cavidade foi de:
a) 1,2%
b) 2,0%
c) 3,2%
d) 5,8%
e) 12%
18. (U. Uberaba -MG) No continente europeu uma linha férrea da ordem de 600 km de extensão tem sua temperatura variando de - 10 oC no inverno até 30 oC no verão. O coeficiente de dilatação linear do material de que é feito o trilho é 10-5 °C-1. A variação de comprimento que os trilhos sofrem na sua extensão é, em m, igual a:
a) 40
b) 100
c) 140
d) 200
e) 240
19. (UEPA) Os trilhos de trem, normalmente de 20 m de comprimento, são colocados de modo a manterem entre duas pontas consecutivas uma pequena folga chamada junta de dilatação. Isso evita que eles se espremam, sofrendo deformações devido à ação do calor nos dias quentes. Considere que uma variação de temperatura da noite para o (meio) dia possa chegar a (aproximadamente) 25 °C, fazendo-os dilatar cerca de 5 mm. Nesse caso, o coeficiente de dilatação linear do material de que é feito o trilho é, em oC-1, de:
a) 104
b) 1
c) 10-3
d) 2 . 10-5
e) 10-5
20. (UEBA) Uma peça de zinco é construída a partir de uma chapa quadrada de lado 30 cm, da qual foi retirado um pedaço de área de 500 cm2. Elevando-se de 50 °C a temperatura da peça restante, sua área final, em cm2, será mais próxima de:
(Dado: coeficiente de dilatação linear do zinco = 2,5 . 10-5 °C-1.)
a) 400
b) 401
c) 405
d) 408
e) 416
Gabarito 1 - A, 2 - C, 3 - C, 4 - D, 5 - A, 6 - D, 7 - A, 8 - B, 9 - D, 10 - D, 11 - C, 12 - D, 13 - D, 14 - B, 15 - A, 16 - A, 17 - C, 18 - E, 19 - E, 20 - B.
21) Uma massa de oxigênio ocupa 5,00 litros sob pressão de 740 mm de Hg. Determinar o volume da mesma massa de gás à pressão padrão, a temperatura ficando constante.
Solução:
22)
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