Calorimetria

A calorimetria é o ramo da física que se ocupa dos fenômenos decorrentes da transferência dessa forma de energia chamada calor.

Temperatura : Temperatura é uma grandeza física que está associada de alguma forma ao estado de movimentação ou agitação das moléculas. Quanto mais quente está o corpo, maior é a agitação molecular e quanto mais frio, menor a agitação.

A temperatura pode ser medida em três escalas termométricas. Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A conversão entre essas escalas pode ser feita pelas seguintes relações matemáticas:

Calor : O calor nada mais é do que o trânsito da energia térmica de um corpo para outro. Quando os dois corpos chegam à mesma temperatura, dizemos que estão em equilíbrio térmico e a temperatura final é chamada de temperatura de equilíbrio.

Capacidade térmica e calor específico sensível : Os corpos e as substâncias na natureza reagem de maneiras diferentes quando recebem ou cedem determinadas quantidades de calor. Alguns esquentam mais rápido que os outros. É a isso que chamamos de capacidade térmica. Mas a capacidade térmica não é uma propriedade da substância, ela depende também da massa e do calor específico para ser calculada e pode ser resumida na seguinte fórmula:

Considerando c o calor específico sensível da substância de que o corpo é constituído.

O calor específico pode ser definido como a capacidade térmica por unidade de massa e é uma característica da substância de que o material é feito.

A capacidade térmica pode ser medida usualmente em cal/ºC e no Sistema Internacional em J/K, assim como o calor específico é medido usualmente em cal/gºC e, no Sistema Internacional em J/ kg K.

Calor sensível

Uma das conseqüências das trocas de calor, é a variação de temperatura do corpo. Para calcular essa quantidade de calor trocado é só usar a equação fundamental da calorimentria:

Traduzindo: o calor sensível depende da massa (m), do calor específico (c) e da variação de temperatura do corpo (ΔT).

A propagação do calor

O calor é uma forma de energia que se propaga do corpo mais quente para o mais frio. Esse processo pode ocorrer por três mecanismos diferentes.: condução, convecção e a irradiação.

Condução : Predominante nos sólidos, nesse processo a transmissão de energia se dá molécula a molécula. Em alguns corpos, esse processo ocorre muito rapidamente, como por exemplo, os metais, e por isso eles são chamados de condutores térmicos, e em outros ocorre o contrário, como por exemplo, a madeira e a água. Esses são chamados de isolantes térmicos.

Convecção : Exclusiva dos fluidos, ou seja, líquidos e gases, a transmissão de calor por convecção ocorre por meio da movimentação de massa fluida.

Irradiação : A irradiação é pode ocorrer no vácuo e também em meios materiais, e a sua transmissão é feita por intermédio de ondas eletromagnéticas. As ondas transmitem as energias que são absorvidas pelos corpos. Essa absorção provoca uma alteração no estado de movimentação das moléculas modificando, assim, a sua temperatura.

A Termodinâmica é a parte da Física que estuda principalmente a transformação de energia térmica em trabalho.

A utilização direta desses princípios em motores de combustão interna ou externa, faz dela uma importante teoria para os motores de carros, caminhões e tratores, nas turbinas com aplicação em aviões, etc.

1. Trabalho em uma Transformação Isobárica

A transformação isobárica, como o nome diz, é uma transformação em que variam somente o volume e a temperatura de um gás, sendo a pressão mantida constante.

Nesse caso o trabalho realizado pode ser expresso por:

Caso haja uma expansão (aumento de volume) o trabalho será positivo; em caso contrário, numa contração do gás, o trabalho será negativo.

2. Energia Interna dos Gases

Um gás que possua uma temperatura diferente do zero absoluto (0 K) possui uma energia cinética interna representada pela energia cinética de suas partículas em movimento:

3. Primeiro Princípio da Termodinâmica

"Se um sistema gasoso recebe energia na forma de calor externo (Q), essa energia pode ser armazenada ou pode se transformar em trabalho".

A variação de energia interna pode ser expressa por:

Para as diferentes transformações o resumo do Primeiro Princípio da Termodinâmica seria:

3.1. Transformação isotérmica (sem variação de temperatura)

Ou seja, na transformação isotérmica todo calor cedido pelo meio é transformado em trabalho de expansão do gás e, mesmo não havendo variação de temperatura, há troca de calor com o meio externo.

3.2. Transformação isobárica (sem variação de pressão)

O calor externo será:

3.3. Transformação isocórica (sem variação de volume)

3.4. Transformação adiabática (sem troca de calor com o ambiente externo)

4. Teorema de Carnot

Uma máquina térmica, para funcionar de maneira contínua, deve receber o calor de uma fonte quente (Q1) a uma certa temperatura (T1), transformar parte dessa energia em trabalho e devolver o restante (Q2) para uma fonte fria a uma temperatura (T2), sendo que (T2

O rendimento dessa máquina será:

Com as energias térmicas em módulo.

E, segundo o Teorema de Carnot, o rendimento máximo de uma máquina térmica será:

Obs.: