Expansão Térmica, Calor Específico e Calor Latente BC0205 Gustavo M. Dalpian Expansão Térmica • Fenômeno físico: o volume de uma substância aumenta com o aumento da temperatura • Muito importante para aplicações em engenharia • Deve ser levada em consideração na construção de edifícios, estradas, viadutos, na confecção de resinas para restauração dentária, funcionamento de motores a explosão, etc. ... Lâmina bimetálica Expansão Térmica: Origem Microscópica Vibrações !! A distância média entre os átomos aumenta com a temperatura Definições Expansão Linear: ΔL = Lf – Li = αLi ΔT Expansão Superficial ΔA= Af – Ai = γΑi ΔT Expansão Volumétrica ΔV = Vf – Vi = βVi ΔT Para deduzir as relações abaixo use, e.g. o caso superficial, ΔA = (x + i δx) (y + j δy) com δx=αxΔT e análogo para y. i e j sao vetores unitários, considere que i⋅j=0 β = 3α γ = 2α Comportamento anômalo da água Calor: Definição Calor é a quantidade de energia transferida entre o sistema e o seu ambiente quando existe um ΔT entre eles. Ate o século XIX acreditava-se na existência do calórico, uma entidade elementar. Podemos transferir calor para um sistema somente em duas situações bem definidas: Quando existe uma diferença de temperatura e/ou; Quando realizamos trabalho sobre ele. Calor: Definição Sistema perde calor/energia Não ha troca de calor Sistema ganha calor/energia Transferência de Calor Capacidade Calorífica: Quantifica a quantidade de calor transferida (de ou para) para o sistema. Q = C ΔT ΔT= Tfinal - Tinicial C define a proporcionalidade entre a quantidade de calor transferida e a variação de temperatura do corpo Quais materiais possuem um C grande ? Quais possuem um C pequeno? Capacidade Calorífica Calor Específico Q=CM ΔT Unidades ? cal/g K ≡ cal/g⋅C° ≡ J/kg⋅C° Calor Específico Molar Q=CM ΔT Unidades ? cal/mol K 1 mol = 6,02 X 1023 unidade elementares de qualquer substância 1 Cal aumenta a temperatura de 1g de água em 1°C de 14,5°C a 15,5 °C 1 BTU aumenta a temperatura de 1lb de água em 1°F de 63°F a 64°F Calor Específico Condições pre Definidas: V constante ou P constante • SOLIDOS E LÍQUIDOS = Supomos que a amostra está sob pressão constante (geralmente atmosférica) durante a transferência. O calor específico definido a volume constante definido e a pressão constante varia muito pouco para sólido e líquidos. • GASES = Têm valores bem distintos para seus calores específicos (CV e CP). Calor de Transformação Calor de Transformação: É a quantidade de energia por unidade de massa transferida sob a forma de calor que resulta somente na mudança de fase de uma amostra. Q = Lm Unidades ? cal/g ≡ cal/g ≡ J/kg Calor de fusão da água LF = 79,5 cal/g Não há variação de temperatura durante a mudança de estado De acordo com nossa convenção Fusão Q >0 Solidificação Q < 0 Vaporização Q > 0 Exercício Exercício 4: Que quantidade de calor deve ser absorvida por uma massa de gelo de 720g a –10oC para transformá-la em água líquida a 15oC? Esboce um gráfico da temperatura em função da quantidade de calor Q para essa transformação. Se fornecermos ao gelo uma energia total de apenas 210kJ sob a forma de calor, quais são o estado e a temperatura final? Dados: calor de fusão do gelo 80cal/g, calor específico do gelo 0,5cal/g oC e calor específico da água 1cal/g oC. Dependência com T Em geral, o calor específico pode variar conforme o intervalo de temperaturas em que se aquece ou resfria a substância, sendo portanto uma função da temperatura “c(T)”. Considerando que a substância recebe uma quantidade infinitesimal dQ de energia, sua temperatura sofrerá uma variação infinitesimal dT e a capacidade térmica e o calor específico e se escrevem como: A quantidade de energia transferida sob a forma de calor é: