Hoje, 31 de março, teremos a aula 24 da disciplina de de instrumentação I, UFCG-2021.1, será a Live18 de introdução à Física, transmitida pelo blog rafaelrag.
Esta live foi transmitida direto da serra de Paquivira via satélite. A qualidade do sinal de transmissão não é boa. Esse é um dos problemas das aulas remotas, nem sempre a qualidade das da imagem é de boa visibilidade e nem sempre os estudantes do interior tem internet de boa qualidade.
Vamos estudar essa semana Calorimetria, Trabalho termodinâmico e as leis da termodinâmica e entropia. Iniciaremos a aula de hoje fazendo uma revisão da aula anterior.
Calor é energia em trânsito, partindo de um corpo com temperatura maior para outro corpo com temperatura menor. Quanto atingir o equilíbrio térmico o calor cessa. A unidade de calor mais usada é a caloria(cal), que está relacionada com joule(J) por 1cal=4,18J.
O calor sensível está relacionado com a variação de temperatura:
ΔQ=mcΔT,
m sendo a massa da substância, c é o calor específico e ΔT é a variação de temperatura.
O calor Latente L é aquele necessário para uma certa substância sofrer uma mudança de fase, por exemplo, quando água atinge os 100 graus celsius ela passa do estado líquido para o estado de vapor.
ΔQ=mL.
Unidade: cal/grau celsius
Questões do ENEM
ENEM 2010. Questão 46 - caderno amarelo da prova de Ciências da Natureza e suas Tecnologias de 2010.
Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor” e “temperatura” de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como “algo quente” e temperatura mede a “quantidade de calor de um corpo”. Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática.
Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura?
b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água.
c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela.
d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura;
ENEM 2013. Em um experimento foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas:
a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e
b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. Termômetro
A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi
a) igual no aquecimento e igual no resfriamento.
b) maior no aquecimento e igual no resfriamento.
c) menor no aquecimento e igual no resfriamento.
d) maior no aquecimento e menor no resfriamento.
e) maior no aquecimento e maior no resfriamento.
Texto em Latex.
Segue duas questões
1) A água tem um comportamento anômalo entre $0^oC$ e $4^oC,$ obtendo a densidade máxima
quando a temperatura atinge $4^oC?$ Justifique a sua resposta.
b) Calor latente \'e a grandeza Física relacionada à quantidade de calor que uma unidade
de massa de determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase, ou seja, passe
do estado sólido para o estado líquido, do estado líquido para o estado gasoso e vice-versa.
Unidade no SI: $J/kg$ ( Joule por quilograma), caloria por grama $(cal/g)$.
Calcule a quantidade de calor necessária para transformar $80g$ de gelo sob a temperatura
negativa de $-20^oC$ para o estado líquido numa temperatura de $90^oC.$ Lembre-se que o calor
Latente do gelo, calores específicos do gelo e da \'agua, respectivamente,
$ L, c_{gelo}, c_a,$ são dados
por $L = 80\frac{cal}{g^oC}, c_{gelo} = 0,5\frac{cal}{g^oC}, c_a = 1,0\frac{cal}{g^oC}.$
2) a) Em 1662, o químico e holandês Robert Boyle e, independentemente, em 1676, o físico e
biólogo francês Edme Mariotte, observaram que um g\'as sob temperatura constante, a
pressão é inversamente proporcional ao volume. Como você faria uma experiência para
verificar a lei de Boyle-Mariotte? Desenhe a curva isoterma que representa essa lei.
b) Utilize a primeira lei da Termodinâmica para relacionar o trabalho termodinâmico, calor e
energia interna de um gás nas seguintes transformações isotérmica(Temperatura constante), isobárica(Pressão constante) e isocórica(Volume constante).
Repostas das questões do ENEM final desta postagem. ENEM 2010. Letra A. ENEM 2013. Resposta E.
Exercícios Resolvidos
Q 44) Um cubo de gelo de 10 g a − 10 o^C e colocado num lago que est á a 15 o^C. Calcule a variação de entropia do sistema quando o cubo de gelo atingir o equilíbrio térmico com o lago. O calor específico do gelo é 0,50 cal/g.o^C.
. ( Sugestão: O cubo de gelo afetará a temperatura do lago?)
Segunda parte da Aula 24, nesta quinta-feira, 31 de março.
Esta segunda parte da aula 24 de Instrumentação I, ministrada pelo professor Rafael, dando continuidade ao estudo de Física Térmica, será visto a velocidade média das moléculas de um gás ideal, as Leis da Termodinâmica e Entropia.
Um processo irreversível é aquele processo que não acontece espontaneamente. Vai mas não volta. No caso contrário é dito reversível. Fluido operante: agentes intermediários, recebe uma certa quantidade de calor faz um trabalho e perde uma quantidade de calor sob forma de vapor, energia, etc. Entropia, fornece uma direção e o grau de ordenação.
Lei zero da termodinâmica
Considere dois sistemas A e B em equilíbrio térmico com um sistema C, então A e B estão em equilíbrio térmico também.
Primeira Lei da termodinâmica
A primeira lei da Termodinâmica é uma generalização do princípio de conservação de energia, levando em conta a energia térmica em forma de Calor. Ela relaciona o calor com a variação de energia interna e o trabalho realizado pelo sistema.
Se um sistema termodinâmico recebe uma quantidade de energia térmica ΔQ, sofrerá uma variação de energia interna ΔU e realiza um trabalho W, resulta em.
ΔQ= ΔU+W
Definição de pressão P
P =F/A
Com F sendo a força e A a área da superfície em que atua a força F.
Unidades de pressão:
No SI: Pa(pascal) é igual a um newton por metro quadrado.
1Pa=N/m2
que está relacionada a pressão atmosférica (atm),devido ao peso da mistura de gases:
1atm=76cmHg=760mmHg=1,013x105N/m2
(mmHg-significa milímetro de mercúrio. Lembre-se que 1cm=103mm.)
A pressão atmosférica foi medida pela primeira vez pelo discípulo de Galileu, Torricelli, em 1643. Ele usou um tubo cheio de mercúrio com uma das extremidade aberta e colocou dentro de uma vasilha contendo mercúrio e observou que o fluido dentro do tubo ficou a uma altura de 76cm da superfície.
Trabalho Termodinâmico
Leia mais
Considerando um sistema termodinâmico sob uma pressão constante, então a força será constante e, o trabalho realizado para levar o sistema de um estado inicial ao estado final, torna-se:
W=FD=PAD=PΔV(pressão vezes a variação de volume).
Portanto, em uma expansão o trabalho será positivo, pois ΔV>0. No caso de uma compressão, W<0, pois ΔV<0.
Se for dado um diagrama PV (pressão versus o volume), o trabalho será a área abaixo da curva.
A pressão varia com a altitude.
Máquina Térmica
Enunciado da segunda lei da termodinâmica, para uma máquina térmica.
É impossível existir um processo cíclico em que uma máquina térmica transforme integralmente em trabalho, retirando calor Q_q de um reservatório de uma fonte a temperatura quente T_q para um reservatório de uma fonte a temperatura fria T_F, realizando um trabalho termodinâmico W=Q_q-Q_F, sem perder energia térmica Q_F, para a fonte fria.
Rendimento
𝜼=W/Q_q
ou seja,
𝜼=(Q_q-Q_F)/Q_q=Q_q/Q_q-Q_F/Q_q=1-Q_F/Q_q
𝜼=1-Q_F/Q_q
Exemplo: Considere uma excelente máquina térmica operando em ciclo transferindo 400J de uma fonte quente, realiza trabalho, liberando 50J para uma fonte fria.
a) Qual o rendimento?
b) Qual o trabalho termodinâmico realizado?
Solução
a) Dados: Q_f=50J e Q_q=400J
Rendimento
𝜼=1-Q_f/Q_q=1-50/400=1-1/8=7/8=0,875=87,5%
b) Trabalho
W=Q_q-Q_f=(400-50)J=350J
Refrigerador
Enunciado da segunda lei da termodinâmica, para um Refrigerador.
É impossível realizar um processo ciclo, cujo o único efeito seria retirar calor Q_f de um reservatório de uma fonte a temperatura fria T_f para um reservatório de uma fonte a temperatura quente T_q, sem realizar trabalho W. Na geladeira, esse trabalho termodinâmico W é realizado pelo motor e o compressor.
Entropia e Segunda Lei da termodinâmica. Um processo irreversível é aquele processo que não acontece espontaneamente. Vai mas não volta. Exemplo, quando uma panela com feijão derrama sobre uma mesa, é impossível o feijão retornar para a panela sozinho.
No caso contrário é dito um processo reversível. Fluido operante: agentes intermediários, recebe uma certa quantidade de calor faz um trabalho e perde uma quantidade de calor sob forma de vapor, energia, etc. Entropia, fornece uma direção e o grau de ordenação: A variação de entropia, para uma variação infinitesimal da temperatura é definida por
ΔS > ⌠dQ/T ou ΔS= ⌠dQ/T
O sinal de maior é para um processo irreversível e o sinal de igualdade é para um sistema termodinâmico reversível, definida pelo Físico alemão Rudolph Clausius(1822-1888), no estudo de fenômenos naturais.
No caso de uma transformação isotérmica, isto é, quando a transferência de calor é realizada a temperatura constante, a entropia torna-se:
ΔS > Q/T (processo irreversível )
ou
ΔS= Q/T (processo reversível )
Considere um gás em contato com um reservatório de calor sob um processo (de transferência de calor) isotérmico. Note que, para o gás,
ΔS_g= - Q/T_q<0.
Para o reservatório,
ΔS_R= Q/T_f>0.
A variação total da entropia do sistema gás mais reservatório é positiva,
ΔS=ΔS_g+ΔS_f= Q/T_f-Q/T_q>0..
Máquina Térmica Ideal, operando em cilco
No caso de máquina térmica reversível, ideal de Carnot, que opera em ciclo, absorvendo energia em forma de calor de uma fonte quente, Q_q, realiza trabalho W e libera calor para a fonte fria, Q_F, a entropia total é nula.
ΔS=ΔS_g+ΔS_F=Q_q/T_q-Q_F/T_F=0.
Portanto,
Q_q/Q_F=T_q/T_F(Temperatura da fonte quente dividida pela temperatura da fonte fria.)
Neste caso, o rendimento torna-se:
𝜼=1-T_q/T_F.
Para um sistema isolado a entropia ou se mantém constante (em processo reversível) ou aumenta com o passar do tempo (em processo irreversível). Os processos da natureza ocorrem sempre no mesmo sentido. Quanto maior a desordem de um sistema maior a variação de sua entropia.
A água tem um ponto de ebulição de 100 graus celcius(2012 F-Farenheit), maior do que o leite. Este é composto de algumas substâncias: lactose(açúcar), proteínas, gordura sais minerais e água. Sendo que 90% do leite é água, que tem um ponto de ebulição de 60 graus celcius e, por isso, o leite ferve mais rápido do que a água. As bolhas de vapor é formada no fundo da panela, próxima do fogo, e sobe para a superfície. Parte da nata do leite é formada pela gordura e uma proteína solúvel na água, a lactoalbumina, que fica flutuando na superfície. Quando a temperatura da panela chega aos 100 graus celcius, a água ferve.
Veja as lives anteriores
Blog rafaelrag
Nenhum comentário:
Postar um comentário