Assim:
Curva de aquecimento
Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variação de temperatura. Assim podemos elaborar um gráfico de temperatura em função da quantidade de calor absorvida. Chamamos este gráfico de Curva de Aquecimento:
TROCAS DE CALOR
Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente e com seu interior.
Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontram, toda a energia térmica passa de um corpo ao outro. Como calor é energia, o Princípio da Conservação da Energia garante que a energia total envolvida nesse processo é constante. Além disso, se um corpo cede calor e não muda de fase, a sua temperatura final (t) torna-se menor que a inicial (t0). Portanto, a variação de temperatura (Δt = t – t0) e a
quantidade de calor cedida (Qc) são negativas. Por raciocínio
análogo, quando o corpo recebe calor, a variação da temperatura e a quantidade de calor recebida (Qr) são
positivas. Veja o esquema:
Assim, se o sistema for isolado e houver apenas trocas de calor entre os seus constituintes, a soma algébrica das quantidades de calor cedidas (ΣQc) e recebidas (ΣQr) deve ser nula:
Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja:
ΣQ=0
(lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero)
Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.
Exemplo:
Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200g à 20°C mergulhado em um litro de água à 80°C? Dados calor específico: água=1cal/g°C e alumínio = 0,219cal/g°C.
ESTUDO DOS GASES
Gases são fluidos no estado gasoso, a característica que o difere dos fluidos líquidos é que, quando colocado em um recipiente, este tem a capacidade de ocupa-lo totalmente. A maior parte dos elementos químicos não-metálicos conhecidos são encontrados no seu estado gasoso, em temperatura ambiente.
As propriedades dos gases são variáveis, ou seja, por haver determinados e específicos espaços entre seus constituintes (que podem aumentar ou diminuir) o volume, a densidade, a pressão, a viscosidade podem ser alterados. E, é dessa grande inconstância dos gases, que se deriva o estudo dos gases.
Dentre todas as propriedades que os gases podem apresentar, seguem as mais usuais:
Pressão: Somatória das forças que cada constituinte de um gás exerce sobre as paredes de um corpo, ou recipiente, em uma determinada área.
Volume: Espaço ocupado por um gás em um determinado recipiente.
Temperatura: Estado térmico de agitação das partículas de um gás.
Existem várias maneiras de realizarmos uma transformação gasosa. As três variáveis de estado, volume, pressão e temperatura podem se alterar, ao mesmo tempo, em uma dada transformação. Mas é comum fazer-se o estudo particularizado das transformações em que uma das variáveis de estado permanece constante.
Podem ser dividas em : isotérmicas, isobárica e isovolumétricas.
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA
A palavra isotérmica se refere a mesma temperatura, logo uma transformação isotérmica de uma gás, ocorre quando a temperatura inicial é conservada.
A lei física que expressa essa relação é conhecida com Lei de Boyle e é matematicamente expressa por:
Onde: p=pressão V=volume
=constante que depende da massa, temperatura e natureza do gás.
Como esta constante é a mesma para um mesmo gás, ao ser transformado, é válida a relação:
Exemplo:
Certo gás contido em um recipiente de 1m³ com êmbolo exerce uma pressão de 250Pa. Ao ser comprimido isotérmicamente a um volume de 0,6m³ qual será a pressão exercida pelo gás?
Lei de Boyle
A Lei de Boyle-Mariotte, proposta pelo químico e físico irlandês Robert Boyle (1627-1691), apresenta a transformação isotérmica dos gases ideais, de modo que a temperatura permanece constante, enquanto a pressão e o volume do gás são inversamente proporcionais. Assim, a equação que expressa a lei de Boyle:
Donde,
p: pressão da amostra V: volume
K: constante de temperatura (depende da natureza do gás, da temperatura e da massa)
TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA
Analogamente à transformação isotérmica, quando há uma transformação isobárica, a pressão é conservada.
Regida pela Lei de Charles e Gay-Lussac, esta transformação pode ser expressa por:
Onde: V=volume;
T=temperatura absoluta;
=constante que depende da pressão, massa e natureza do gás.
Assim, quando um mesmo gás muda de temperatura ou volume, é válida a relação:
Lei de Gay-Lussac
A Lei de Gay-Lussac, proposta pelo físico e químico francês, Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850), apresenta a transformação isobárica dos gases, ou seja, quando a pressão do gás é constante, a temperatura e o volume são diretamente proporcionais, expressa pela fórmula:
Donde,
V: volume do gás T: temperatura
k: constante da pressão (isobárica) Exemplo:
Um gás de volume 0,5m³ à temperatura de 20ºC é aquecido até a temperatura de 70ºC. Qual será o volume ocupado por ele, se esta transformação acontecer sob pressão constante?
É importante lembrarmos que a temperatura considerada deve ser a temperatura absoluta do gás (escala Kelvin) assim, o primeiro passo para a resolução do exercício é a conversão de escalas termométricas:
Lembrando que:
Então:
TRANSFORMAÇÃO ISOMÉTRICA
A transformação isométrica também pode ser chamada isocórica e assim como nas outras transformações vistas, a isométrica se baseia em uma relação em que, para este caso, o volume se mantém.
Regida pela Lei de Charles, a transformação isométrica é matematicamente expressa por:
Onde: p=pressão;
T=temperatura absoluta do gás;
=constante que depende do volume, massa e da natureza do gás.;
Como para um mesmo gás, a constante é sempre a mesma, garantindo a validade da relação:
HIDROSTÁTICA
A Hidrostática é a parte da Física que estuda os fluídos (tanto líquidos como os gasosos) em repouso, ou seja, que não estejam em escoamento (movimento)
Além do estudo dos fluídos propriamente ditos, serão estudadas as forças que esses fluídos exercem sobre corpos neles imersos, seja em imersão parcial, como no caso de objetos flutuantes, como os totalmente submersos.
Massa Específica; Densidade
Ao se afirmar que a massa específica da água é de 1000 kg/m³ estamos informando que 1 m³ de água possui uma massa de 1000 kg. Isto nos permite deduzir a definição de massa específica, que é a relação entre a massa e o volume ocupado por essa massa:
A massa específica é definida para corpos homogêneos. Já para os corpos não homogêneos essa relação é denominada densidade:
Exemplo:
Qual a massa de um corpo de volume 1m³, se este corpo é feito de ferro?
Dado: densidade do ferro=7,85g/cm³
Convertendo a densidade para o SI:
PRESSÃO
Ao observarmos uma tesoura, vemos que o lado onde ela corta, a lâmina, é mais fina que o restante da tesoura. Também sabemos que quanto mais fino for o que chamamos o "fio da tesoura", melhor esta irá cortar.
Isso acontece, pois ao aplicarmos uma força, provocamos uma pressão diretamente proporcional a esta força e inversamente proporcional a área da aplicação.
No caso da tesoura, quanto menor for o "fio da tesoura" mais intensa será a pressão de uma força nela aplicada.
A unidade de pressão no SI é o Pascal (Pa), que é o nome adotado para N/m².
Matematicamente, a pressão média é igual ao quociente da resultante das forças perpendiculares à superfície de aplicação e a área desta superfície.
Sendo: p= Pressão (Pa) F=Força (N) A=Área (m²) Exemplo:
Uma força de intensidade 30N é aplicada perpendicularmente à superfície de um bloco de área 0,3m², qual a pressão exercida por esta força?
Pressão hidrostática
Da mesma forma como os corpos sólidos, os fluidos também exercem pressão sobre outros, devido ao seu peso.
Para obtermos esta pressão, consideremos um recipiente contendo um líquido de densidade d que ocupa o recipiente até uma altura h, em um local do planeta onde a aceleração da gravidade é g.
A Força exercida sobre a área de contato é o peso do líquido.
como:
a massa do líquido é:
mas , logo:
Ou seja, a pressão hidrostática não depende do formato do recipiente, apenas da densidade do fluido, da altura do ponto onde a pressão é exercida e da aceleração da gravidade.
Pressão atmosférica
Atmosfera é uma camada de gases que envolve toda a superfície da Terra.
Aproximadamente todo o ar presente na Terra está abaixo de 18000 metros de altitude. Como o ar é formado por moléculas que tem massa, o ar também tem massa e por consequência peso.
A pressão que o peso do ar exerce sobre a superfície da Terra é chamada Pressão Atmosférica, e seu valor depende da altitude do local onde é medida.
Quanto maior a altitude menor a pressão atmosférica e vice-versa.
1 atm = 101325 Pa = 10,2 mca = 760 mmHg Exemplo:
Calcule em atm a pressão a que um submarino fica sujeito quando baixa a uma profundidade de 100 metros. Para a água do mar adote que a densidade vale 1000 kg/m3.
Resolução:
Supondo que a densidade da água do mar vale d = 1.000 kg/m3 e a pressão atmosférica na superfície da água Po = 1 atm,
determinamos a pressão sobre o submarino da seguinte forma:
Colocando a pressão atmosférica em unidades do SI, temos:
Po=1 atm =1 .105 Pa
Calculando a pressão para uma profundidade igual a h = 100 m, temos:
Teorema de Pascal:
"O acréscimo de pressão exercida num ponto em um líquido ideal em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos desse líquido e às paredes do recipiente que o contém."
Exemplo:
Determine a pressão hidrostática no fundo de um reservatório de água, aberto em sua superfície, que possui 4m de profundidade. Dados: γH2O = 10000N/m3 e g = 10m/s2.
Para determinar a pressão hidrostática no fundo do reservatório, utilizamos o Teorema de Stevin:
∆P = γ ⋅ ∆h ∆P = 10000. 4 ∆P = 40000 Pa
Logo, a pressão no fundo do reservatório de água é de 40000 Pascal.
Prensa hidráulica
Uma das principais aplicações do teorema de Pascal é a prensa hidráulica.
Esta máquina consiste em dois cilindros de raios diferentes A e B, interligados por um tubo, no seu interior existe um líquido que sustenta dois êmbolos de áreas diferentes e .
Se aplicarmos uma força de intensidade F no êmbolo de área , exerceremos um acréscimo de pressão sobre o líquido dado por:
Pelo teorema de Pascal, sabemos que este acréscimo de pressão será transmitido integralmente a todos os pontos do líquido, inclusive ao êmbolo de área , porém transmitindo um força diferente da aplicada:
Como o acréscimo de pressão é igual para ambas as expressões podemos igualá-las:
Exemplo:
Considere o sistema a seguir:
Dados:
Qual a força transmitida ao êmbolo maior?
Questões
01.(UFTM) Dona Joana é cozinheira e precisa de água a 80 ºC para sua receita. Como não tem um termômetro, decide misturar água fria, que obtém de seu filtro, a 25 ºC, com água
fervente. Só não sabe em que proporção deve fazer a mistura. Resolve, então, pedir ajuda a seu filho, um excelente aluno em física. Após alguns cálculos, em que levou em conta o fato de morarem no litoral, e em que desprezou todas as possíveis perdas de calor, ele orienta sua mãe a misturar um copo de 200 mL de água do filtro com uma quantidade de água fervente, em mL, igual a (A)800. (B)750. (C)625 (D) 600 (E) 550
02(Puc-RJ) Um cubo de gelo dentro de um copo com água resfria o seu conteúdo. Se o cubo tem 10 g e o copo com água tem 200 ml e suas respectivas temperaturas iniciais são 0 °C e 24 °C, quantos cubos de gelo devem ser colocados para baixar a temperatura da água para 20 °C? (Considere que o calor específico da água é ca = 1,0 cal/(g °C), o calor latente de fusão
do gelo L = 80 cal/g, e a densidade da água, d = 1 g/ml) (A) 1
(B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5
03. (FCC) Um cubo de madeira de aresta 20 cm tem massa 4,8 kg. Colocado em um tanque com água, ele flutua parcialmente imerso. Adotando g = 10 m/s2 e dágua = 1,0 .
103 kg/m3, a força vertical mínima capaz de deixá-lo
totalmente imerso vale, em newtons, (A) 32
(B) 24 (C) 16 (D) 4,8 (E) 3,2
04 UNIFOR-CE) Afundando 10 m na água, fica-se sob o efeito de uma pressão, devida ao líquido, de 1 atm. Em um líquido com 80% da densidade da água, para ficar também sob o efeito de 1 atm de pressão devida a esse líquido, precisa-se afundar, em metros, (A) 8 (B) 11,5 (C) 12 (D) 12,5 (E) 15
05. (UF-AC). Qual deve ser a temperatura de certa quantidade de um gás ideal, inicialmente a 200 K, para que tanto o volume quanto a pressão dupliquem?
A) 1200 K B) 2400 K C) 400 K D) 800 K E) n.d.a Respostas 01-E/02-A/03-A/04-D/05-D