FÍSICA: TERMOLOGIA

Termologia é o estudo científico dos fenômenos relacionados ao calor e à temperatura, como transferência de calor, equilíbrio térmico, transformações sofridas por gases, mudanças de estado físico, etc.

A temperatura de um corpo é diretamente proporcional à velocidade com que seus átomos e moléculas vibram, rotacionam ou, até mesmo, transladam.

Calor

    É a energia térmica transferida entre corpos que se encontram em temperaturas diferentes. Transita do corpo de maior temperatura para os corpos de menor temperatura, até que se estabeleça o equilíbrio térmico.

O calor pode ser transmitido por:

•    Condução: transmissão de calor mediante o contato de superfícies;
•    Convecção: transmissão de calor em razão da formação de correntes convectivas em um fluido;
•  Irradiação: transmissão de calor por ondas eletromagnéticas.

Dilatação térmica

    Ocorre quando um corpo recebe ou cede grandes quantidades de calor. Além da mudança de temperatura ou do seu estado físico, a passagem de calor para um corpo pode ocasionar mudanças em suas dimensões. A dilatação térmica depende da variação de temperatura sofrida pelo corpo, além do seu coeficiente de dilatação linear, superficial e volumétrico.

De acordo com o formato do corpo, pode-se determinar qual de suas dimensões é mais favorecida. Por exemplo, uma agulha tem formato alongado, por isso, a dilatação mais importante nesse caso é a linear. Ao todo, existem três formas de dilatação térmica:

    Dilatação linear: mudança no comprimento de um corpo. Depende do seu coeficiente de dilatação linear (α).

   Dilatação superficial: mudança sofrida pela área de um corpo. Depende do coeficiente de dilatação superficial (β).

   Dilatação volumétrica: mudança ocorrida no volume de um corpo. Depende do coeficiente de dilatação volumétrica (γ).

Termodinâmica

    A Termodinâmica é uma importante área da Termologia que estuda as relações entre calor, trabalho, temperatura e outras grandezas, como pressão, volume, etc. É responsável pelo estabelecimento de leis que regem todas as transformações que podem ser sofridas pela matéria, como a lei da conservação da energia, também conhecida como primeira lei da Termodinâmica.

Leis da Termodinâmica:

    Lei zero da Termodinâmica: é a lei do equilíbrio térmico. Essa lei fala que todos os corpos tendem a trocar calor até atingirem o equilíbrio térmico.

    Primeira lei da Termodinâmica: é a lei da conservação da energia. Essa lei afirma que todo o calor recebido por um sistema durante um processo termodinâmico pode ser convertido em trabalho ou em aumento de sua energia interna.

    Segunda lei da Termodinâmica: é a lei da entropia. Essa lei afirma que todos os sistemas que recebem calor tendem a alcançar níveis cada vez menores de organização.

    Terceira lei da Termodinâmica: é a lei do zero absoluto. Essa lei nos diz que o zero absoluto é, na verdade, inatingível. Por mais frio que esteja um corpo, ele nunca estará a 0 K.

Calor específico(c)

    É uma propriedade de uma substância. É a quantidade e energia necessária para que 1 grama de determinado material apresente variação de temperatura  de 1ºC. O calor específico do corpo é uma grandeza física do próprio material, independente das dimensões e da massa do corpo. Sua unidade é caloria por grama graus Celsius (cal/g ºC) ou joule por quilograma kelvin (J/kg.K). Quanto maior é o calor específico de um material, mas energia ele exige para mudar de temperatura.

Calor sensível

Quando há mudança de temperatura. O calor sensível é calculado a partir da fórmula abaixo:

Q = m.c.∆T

(famosa "que macete"/ Q(que) = m(ma)c(ce)∆T(te)

Sendo,

Q: quantidade de calor sensível (cal ou J)

m: massa do corpo (g ou Kg)

 *quanto mais massa, mais calor preciso para mudar a temperatura

c: calor específico (cal/g°C ou J/Kg.°C)

*O calor específico mede a quantidade de energia necessária para que cada grama do corpo consiga mudar a sua temperatura em um grau ºC.

∆T: variação de temperatura (°C ou K)

    Sempre que um corpo tem a temperatura aumentada, dizemos que ele recebeu certa quantidade de energia, chamada de calor sensível, do meio externo. Analogamente, quando um corpo apresenta uma diminuição de temperatura, dizemos que ele perdeu certa quantidade de energia, ou calor sensível, para o meio externo. Assim, Q pode assumir valores positivos ou negativos.

Calor latente

É a energia envolvida no processo de mudança do estado físico (ou fase) de uma substância, e seu valor depende tanto da massa quanto de estado físico em questão. A quantidade de energia Q necessária para que um corpo de massa m sofra determinada mudança de fase é calculada pela expressão:

Exemplo 1 - Para 2l de água em uma temperatura de 25º C a 100º C. Qual a quantidade de calor necessário para aquecer o líquido?

O primeiro passo é listar os dados da questão: densidade da água = 1Kg/l; calor especifico da água = 1 cal/g°C ou 4200 J/kg.K e 1 cal = 4,2 J. Feito isso, podemos aplicar a fórmula:

Q = m.c.∆T

Q = 2000. 1. (100 – 25)

Q = 150.000 cal ou 150 Kcal

Durante a primeira fase do projeto de uma usina de geração de energia elétrica, os engenheiros da equipe de avaliação de impactos ambientais procuram saber se esse projeto está de acordo com as normas ambientais. A nova planta estará localizada à beira de um rio, cuja temperatura média da água é de 25 °C, e usará a sua água somente para refrigeração. O projeto pretende que a usina opere com 1,0 MW de potência elétrica e, em razão de restrições técnicas, o dobro dessa potência será dissipada por seu sistema de arrefecimento, na forma de calor. Para atender a resolução número 430, de 13 de maio de 2011, do Conselho Nacional do Meio Ambiente, com uma ampla margem de segurança, os engenheiros determinaram que a água só poderá ser devolvida ao rio com um aumento de temperatura de, no máximo, 3 °C em relação à temperatura da água do rio captada pelo sistema de arrefecimento. Considere o calor especifico da água igual a 4 kJ/(kg °C).

Para atender essa determinação, o valor mínimo do fluxo de água, em kg/s, para a refrigeração da usina deve ser mais próximo de

a)    42.
b)    84.
c)    167.
d)   250.
e)    500.

Selecionar os dados:

• temperatura média da água é de 25 °C
• O projeto pretende que a usina opere com 1,0 MW de potência elétrica
• o dobro dessa potência será dissipada por seu sistema de arrefecimento, na forma de calor
• a água só poderá ser devolvida ao rio com um aumento de temperatura de, no máximo, 3 °C em relação à temperatura da água do rio captada pelo sistema de arrefecimento
• o calor especifico da água igual a 4 kJ/(kg °C).

Ti= 25°c Tf= 28°c P= 2 MW e C= 4 KJ/kg°c

O fluxo de água é a massa!!

    Para adquirir o valor da massa(fluxo de água), precisaremos do calor sensível. Para adquirir o Q(calor sensível), precisaremos solucionar a formula da potência. Assim, com o resultado da fórmula da potência, partiremos para a fórmula do calor sensível para descobrir a massa e finalizar a questão.

Usaremos a formula da potência: P= Q/∆T

Assim...

2 . 10^6 = Q/1 (observe q o 1 foi usado pois ele quer a cada segundo)

Logo... Q= 2 . 10^6

Portanto, substituiremos os valores em Q = m.c.∆t°

2.10^6 = m. 4.10³ . (28-25)

m = 166,666...

Ou

m = 167 kg necessários a cada segundo!