CIÊNCIAS 7º ANO: Termodinâmica cotidiana

Termodinâmica cotidiana

SEMANA 04 A 08/05

Conteúdos

Temperatura.

Calor.

Sensação térmica.

Propagação do calor.

Processos de separação de misturas.

Máquinas simples. (Estudamos em sala)

Avanços tecnológicos e suas consequências.

Equilíbrio termodinâmico.

Máquinas térmicas e seus combustíveis.

Avanços tecnológicos e suas consequências.

Entendendo o calor

Temperatura refere-se ao grau de agitação das partículas presentes em um corpo, sendo que corpos com maior grau de agitação possuem maior temperatura. Calor é a energia em transferência espontânea de um corpo de maior temperatura para outro corpo de menor temperatura. Portanto, é cientificamente incorreto dizer “estou com calor”, uma vez que o calor não está associado à posse (o correto seria “sinto calor). A sensação térmica, por sua vez, está associada à sensação de calor ou de frio maior do que a registrada em um termômetro (medidor de temperatura). O vento, por exemplo, interfere em nossa sensação térmica. Dias quentes com muito vento podem parecer não tão quentes, enquanto dias frios com muito vento podem parecer mais frios.

Propagação de calor está associada ao próprio conceito do calor, discutido na aula 1. Material isolante é um material que dificulta a propagação do calor e tende a estabilizar a temperatura, sendo exemplos a cortiça, o isopor, a madeira, o ar, a cerâmica, e o vidro, entre outros. Materiais condutores, por sua vez, são aqueles que facilitam a propagação do calor e, consequentemente, tendem a alterar a temperatura, por exemplo, os metais de um modo geral.

Tecnologia e o impacto das máquinas

Máquinas simples são pequenos objetos ou instrumentos que facilitam a execução de diferentes afazeres do dia a dia. Podemos separar as máquinas simples em tipos:

Alavanca – haste resistente e ponto de apoio (tesoura, martelo ao retirar prego, abridor de garrafa).

Plano inclinado – superfícies planas com ângulo agudo entre si (ruas inclinadas, rampas, machados, parafusos, cunhas em geral).

Roldana ou polia – mudam a direção da força aplicada.

Roda com eixo – movimentação facilitada.

Equilibrando a vida

Equilíbrio térmico – momento em que as temperaturas de dois corpos se tornam iguais.

Equilíbrio mecânico – momento em que um corpo se encontra sem movimento.

Equilíbrio químico – momento em que não há transformações químicas acontecendo.

Equilíbrio termodinâmico – momento em que um corpo se encontra, simultaneamente, em equilíbrio térmico, mecânico e químico.

As máquinas térmicas transformam energia térmica em energia mecânica, ou, de modo simplificado, calor em movimento. A locomotiva a vapor, por exemplo, utiliza a queima do carvão para aquecer um reservatório de água. O vapor gerado nesse reservatório é utilizado para mover cilindros que movimentam a locomotiva. Nesse cenário, o carvão é considerado um combustível. De modo simplificado, um combustível pode ser definido como um material que, após passar por transformações químicas, libera calor.

Locomotiva a vapor – século XIX – carvão.

Veículos modernos (motor de combustão interna) – séculos XX/XXI – gasolina, álcool, diesel, gás natural, querosene etc. Observação: caso julgue interessante, separar por tipo de veículo (avião, carros, caminhões, navios etc.).

Geladeira – século XIX – energia elétrica ou gerador.

Usina nuclear – século XX – material radioativo.

Pense sobre o assunto:

Qual é o avanço tecnológico que essa máquina pode ter proporcionado?

Qual impacto ela teve economicamente? Gerou ou diminuiu oportunidades de trabalho?

Quais são os impactos socioambientais relacionados ao uso e à produção dessas máquinas e seus combustíveis?

Calor, temperatura e sensação térmica

Principais pontos

· Escala Celsius

· Escala Fahrenheit

· Escala Kelvin

· Conversão de escala

Introdução

Existem muitas grandezas físicas e químicas que dependem da temperatura, por exemplo, as dimensões de materiais, a capacidade de conduzir corrente elétrica, a mudança de cor de uma substância com a temperatura, entre outras.

Podemos, então, construir uma enorme variedade de termômetros, dependendo da relação que escolhermos usar.

Neste artigo vamos abordar os termômetros comuns, baseados na variação do volume de líquidos, normalmente mercúrio ou álcool.

Escalas termométricas

Os termômetros comuns indicam a temperatura pela altura de líquido interno em relação a uma escala pré-definida e bem calibrada.

A calibração se dá a partir de pontos de referência, normalmente o ponto de fusão (congelamento) e o ponto de ebulição da água, respectivamente 0°C e 100°C.

As três escalas mais usadas para a temperatura são o grau Celsius (°C), grau Fahrenheit (°F) e Kelvin (assim mesmo, sem o grau como as outras duas escalas).

Figura 1: Comparação entre as escalas Kelvin, ° Celsius e ° Fahrenheit. Crédito: imagem modificada da imagem Air Conditioner With Thermometer Vectors. Disponível em https://www.vecteezy.com/vector-art/97446-air-conditioner-with-thermometer-vectors. Acesso em 18/09/18.

Em 1714, o físico Daniel Fahrenheit aperfeiçoou os termômetros a álcool que existiam na época e construiu o primeiro termômetro a mercúrio.

Ele escolheu como ponto inferior a temperatura de uma mistura de gelo, água e sal no limite do congelamento. Para o ponto superior, escolheu a temperatura de um homem sadio.

Fahrenheit atribuiu o valor de 96°F para a temperatura do homem sadio e estabeleceu que o gelo puro se funde a 32°F. Assim nascia a escala Fahrenheit. Ela é usada atualmente nos países de língua inglesa, como os Estados Unidos e a Inglaterra.

Em 1742, o astrônomo Anders Celsius sugeriu que se usasse o zero como ponto de fusão do gelo e 100 como ponto de ebulição da água. Celsius dividiu a escala em 100 partes iguais e chamou cada parte de "grau". Assim nasceu a escala Celsius, que atualmente é adotada na maioria dos países, inclusive no Brasil.

O físico William Tomson (conhecido como Lord Kelvin) redefiniu a escala Celsius durante seus estudos do comportamento dos gases.

Considerando que a temperatura representa a energia média de movimento dos átomos e/ou moléculas que compõem um corpo, não fazia sentido existirem temperaturas negativas, visto que não existe energia de movimento negativa.

Assim, Kelvin criou a escala que mede a temperatura absoluta. Na escala Kelvin não existem temperaturas negativas, sendo o zero absoluto a menor temperatura possível. Ele é atingido apenas quando todos os movimentos moleculares cessam; o que é impossível de acontecer atualmente, mesmo com toda a tecnologia presente.

A escala Kelvin é usada pela comunidade científica, e faz parte do Sistema Internacional de Unidades, que a define como a escala de temperatura absoluta.

Na tabela abaixo é possível comparar os valores dos pontos de fusão e de ebulição da água nas três escalas.

Escala	Ponto de fusão	Ponto de ebulição
Celsius	0°	100°
Fahrenheit	32°	212°
Kelvin	273	373

Tabela 1: Pontos de fusão e de ebulição da água em diferentes escalas termométricas.

Conversão de escala

Podemos converter facilmente a temperatura de uma escala para outra. Para tanto basta aplicarmos as regras de proporcionalidade de segmentos. Veja o exemplo a seguir:

Converta 20°C para °F.

O primeiro passo é colocar o esquema dos dois termômetros lado a lado, mostrando os valores dos pontos de fusão e de ebulição da água em cada um, além da temperatura que se quer converter. Veja a Figura 2:

Figura 2: Termômetros Celsius e Fahrenheit lado a lado para conversão de temperatura. Crédito: imagem construída por Ana Lúcia C. F. Souto a partir da imagem de Walta, CC-BY-AS-3,0. Disponível https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer_B.jpg . Acesso em 18/09/18.

Após isso basta construir as relações dos segmentos proporcionais. Mostramos no Figura 3 os segmentos que serão considerados em laranja e em azul.

Figura 3: Termômetros Celsius e Fahrenheit lado a lado para conversão de temperatura, mostrando os segmentos que serão considerados. Crédito: imagem construída por Ana Lúcia C. F. Souto a partir da imagem de Walta, CC-BY-AS-3,0. Disponível em https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer_B.jpg . Acesso em 18/09/18.

Podemos montar o esquema matemático considerando que a relação entre os segmentos mostrados em laranja é igual à relação entre os segmentos em azul, ou seja:

\dfrac{20-0}{x-32}x−3220−0start fraction, 20, minus, 0, divided by, x, minus, 32, end fraction = \dfrac{100 - 0}{212 - 32}212−32100−0start fraction, 100, minus, 0, divided by, 212, minus, 32, end fraction

Então:

\dfrac{20}{x-32}x−3220start fraction, 20, divided by, x, minus, 32, end fraction = \dfrac{100}{180}180100start fraction, 100, divided by, 180, end fraction

20 . 180 = 100 . (x – 32)

3600 = 100 x – 3200

100 x – 3200 = 3600

100 x = 3600 + 3200

100 x = 6800

x = \dfrac{6800}{100}1006800start fraction, 6800, divided by, 100, end fraction

x = 68

Assim temos que 20°C equivalem a 68°F.

Podemos converter temperaturas entre as três escalas repetindo esse procedimento.

Principais pontos

· Temperatura

· Calor

· Equilíbrio térmico

Introdução

Historicamente, o conceito de calor foi um dos mais difíceis de serem construídos. Os primeiros pensadores associavam o calor ao fogo e à suas manifestações, atribuindo sempre enorme valor ao mesmo.

Heráclito de Éfeso (535 - 470 a.C.) considerava o fogo como o elemento responsável pelas transformações no universo. Empédocles (492 - 432 a.C.) elaborou um esquema explicativo com base nos chamados quatro elementos primordiais (água, ar, terra e fogo), relacionando o conceito de calor ao fogo.

Para Aristóteles (384 - 322 a.C.) o frio e o quente eram propriedades fundamentais dos corpos, assim como o leve e o pesado.

A associação do calor ao movimento das partículas que compõem um corpo foi feita inicialmente por Platão (427 - 347 a.C.). Ele acreditava que o calor do fogo fazia com que as partículas entrassem em movimento e se separassem, provocando a dilatação do corpo. Ao retirar o corpo do fogo, Platão acreditava que ocorria o efeito inverso - as partículas paravam de se mover e eram comprimidas fazendo com que o tamanho do corpo diminuísse.

Hoje sabemos que o calor existe apenas quando existe diferença de temperatura entre dois sistemas colocados em contato térmico. Cabe ressaltar que o contato térmico não exige necessariamente contato físico, visto que o calor se propaga pelos processos de convecção, condução e irradiação.

Figura 1: Mapa de temperaturas médias da Terra feito por observações de satélites no mês de abril de 2013. Pode-se perceber que os pólos Norte e Sul são mais frios do que a região tropical. Essa diferença de temperatura na Terra é responsável pelos ventos e furacões, que nada mais é do que a troca de calor por convecção. Crédito: NASA, domínio público. Disponível em https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Global_surface_brightness_temperature._April_2013.png. Acesso em 18/09/18.

A irradiação, diferentemente da condução e convecção, não exige contato físico. É por este processo que a Terra é aquecida pelo Sol – o calor que a Terra recebe do Sol se dá pela diferença de temperatura dos mesmos.

Temperatura

O conceito de temperatura como o quão quente ou frio está um corpo não é confiável, pois as sensações térmicas além de serem subjetivas, dependem do tipo de material que tocamos.

Por exemplo, podemos guardar um pedaço de madeira e outro de metal no congelador por dias. Ambos estarão na mesma temperatura, a dada pelo congelador, lógico! Porém, ao retirarmos ambos os objetos, teremos a sensação de que a madeira estará mais quente do que o metal. Isso tem relação com a capacidade dos materiais de trocar calor com corpos mais quentes ou mais frios do que eles.

A sensação de calor ou frio é comparativa. Experimente colocar uma mão na água quente e a outra na água com gelo. Após alguns instantes, coloque as duas mãos em uma bacia contendo água à temperatura ambiente. A sua mão que estava na água quente, sentirá que a água da bacia está fria. Já a sua mão que estava na água com gelo, sentirá a água da bacia quente.

Como podemos então definir o conceito de temperatura?

O físico William Tomson (conhecido como Lord Kelvin, 1824 - 1907) durante seus estudos do comportamento dos gases, estabeleceu que a temperatura de um corpo representa a energia média de movimento dos átomos e/ou moléculas que o constituem.

Kelvin fez uma adequação da teoria de Platão, associando o não movimento ou repouso das partículas de um corpo ao zero na escala Kelvin de medição de temperaturas – o zero absoluto. Esse valor é inatingível, o que significa que os átomos e/ou moléculas estão sempre em movimento, por mais lento que ele seja.

O aumento da movimentação das partículas (átomos e/ou moléculas) de um corpo está diretamente associado ao aumento da temperatura do mesmo. E vice-versa.

A temperatura é definida então como a medida da energia de movimento dos átomos e/ou moléculas que compõem um corpo, seja ele um sólido, líquido ou gás.

Calor

Conforme falado, o calor é a energia térmica transferida entre dois sistemas ou corpos (sejam eles gases, líquidos ou sólidos) devido a uma diferença de temperatura existente entre eles.

O calor é espontaneamente transferido do corpo que possui temperatura mais alta para o que possui temperatura mais baixa. Ou seja, ocorre transferência de calor entre partículas mais energéticas (que se movimentam mais rápido) para as menos energéticas.

Assim, quando pegamos uma xícara com café quente a energia é transferida da xícara para nossa mão e, quando pegamos um copo de água com gelo, a energia é transferida da nossa mão para o copo. Ou seja, quando dois corpos estão em contato térmico, a transferência de energia ocorre sempre do mais quente para o mais frio.

Só faz sentido falar em calor enquanto os corpos possuírem temperaturas diferentes entre si. Uma vez que os corpos estiverem na mesma temperatura deixa de ocorrer o fluxo de energia, ou seja, deixa de existir calor. Nessa condição dizemos que os corpos atingiram o equilíbrio térmico.

Figura 2: Esquema da troca de calor entre dois corpos com temperaturas diferentes. Crédito: Yuri ygc, domínio público. Disponível em https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fluxo_de_calor_correto.jpg. Acesso em 18/09/18.

Vamos voltar agora ao exemplo do pedaço de madeira e de metal guardados no congelador. Se ambos estão na mesma temperatura por que ao pegá-los temos a sensação de que a madeira está mais quente e o metal mais frio?

Porque a capacidade do metal de receber calor da sua mão é maior do que a capacidade da madeira. Como o metal “rouba” o calor da sua mão mais rapidamente, você tem a sensação que ele está mais gelado. Na verdade quando você pega o metal a sua mão esfria mais rápido por ter cedido mais calor ao metal do que à madeira no mesmo intervalo de tempo.

O mesmo acontece quando aquecemos a mesma quantidade de duas substâncias diferentes, por exemplo, de água e de ferro. O ferro terá sua temperatura aumentada em muito pouco tempo, enquanto que a água precisará de mais tempo para alcançar a mesma temperatura alcançada pelo ferro.

É fácil perceber que as substâncias têm capacidades diferentes de trocar calor. Foram definidos dois conceitos físicos para categorizar essas diferenças, a capacidade térmica e o calor específico.

A quantidade de calor necessária para variar a temperatura de certa quantidade de substância é chamada de Capacidade Térmica. Já a quantidade de calor necessária para elevar em 1oC, 1g da substância é denominada Calor Específico.

Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela sofre variações em sua temperatura.

Na tabela abaixo damos o calor específico de algumas substâncias, a título de comparação. Observe que os valores dos calores específicos condizem com as explicações para o encontrado no experimento da madeira e metal guardados no congelador.

Substância	Calor específico (J/kg⋅°C)
Cobre	387
Vidro	840
Madeira	1700
Água (a 15°C)	4186

Equilíbrio térmico

O equilíbrio térmico de um sistema é atingido quando todos seus constituintes atingem o mesmo valor de temperatura e não existe troca de calor entre eles.

Esse princípio é a base do funcionamento de todos os termômetros. Você já reparou que para medir a temperatura de uma pessoa coloca-se o termômetro e espera-se um tempo? Esse tempo é necessário para que o equilíbrio térmico entre seu corpo e o termômetro seja atingido, de modo que a temperatura que ele mostra seja igual à da pessoa.

Isso vale para a medição da temperatura de qualquer substância (sólido, líquido ou gás) com qualquer tipo de termômetro; é preciso esperar que o sistema entre em equilíbrio térmico antes de fazer a leitura da temperatura.

Figura 3: Esquema mostrando o equilíbrio térmico entre dois corpos. Crédito: Yuri ygc, domínio público. Disponível em https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fluxo_de_calor.jpg. Acesso em 18/09/18.

ATIVIDADE TESTE

Calor, temperatura e sensação térmica

Considere os dois sistemas abaixo com T1 sendo a temperatura do sistema 1 e T2 a temperatura do sistema 2.

Se T1 \ne=does not equal T2, existe troca de calor entre ambos (representado no esquema pela flecha).