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Diretoria de Ensino de Votorantim
Oficina Pedagógica
Adriana Ribeiro - PCOP de Física
4° Encontro IFUSP/Escola
Curso: Energia – Prof. Cláudio Furukawa
Calor
Temperatura
Energia Interna
Cláudio Furukawa
Paulo Yamamura
Temperatura
Conceito sensorial
Medida relativa de
quente e frio
Conceito termodinâmico
T = (2/3k)[ECmédia]
Termômetros
Temperatura Absoluta
Escalas
Escala
Celsius (oC) e Fahrenheit (oF)
Kelvin (K)
T = 273 + C
Calor e Temperatura
Gelo – Chapa quente
Da chapa quente, certa quantidade de energia é transferida para o gelo.
Esta energia é denominada
“calor”
Calor é “energia de passagem” ou “energia
em trânsito” de um corpo para outro devido à
diferença de temperatura.
Equilíbrio térmico
Um ovo quente colocado dentro de um copo com água.
Até quando ocorre fluxo de calor?
O calor flui naturalmente do corpo de maior para o de menor
temperatura, até que o “equilíbrio térmico” seja alcançado.
Energia Interna e Calor
O que ocorre quando um corpo cede ou recebe
energia na forma de calor?
Gases
Moléculas
liberdade
de movimento.
A caloria
Q = 1 cal
1 grama
água
T = 1°C
1 quilocaloria
1 kcal = 1.000 cal
Btu
British thermal unit
1 Btu é a quantidade de calor necessária para aumentar a
temperatura de 1oF, a massa de 1 lb de água .
1 Btu = 252 cal = 0, 252 kcal
“caloria” e “joule”
No início de 1840, Joule apresentou o
resultado de suas experiência sobre a
relação
ENERGIA MECÂNICA - CALOR.
1 cal = 4,186 joules.
Medida da
Quantidade de Calor Q
Δt > 0 → o corpo recebe calor
Calor
Sensível
Δt
Δt < 0 → o corpo cede calor
Q
Calor
Latente
mudança
de fase
Temperatura permanece
inalterada durante a transição,
Mas o corpo recebe ou cede
calor
Calor sensível – Calor específico
Q = m.c.∆T
capacidade térmica
C = m.c
Inércia Térmica
Quanto maior C mais
calor para um mesmo Δt
Material
J/kg·K
cal/g·oC
Alumínio
900
0,215
Cobre
386
0,092
Chumbo
128
0,030
Vidro
840
0,200
Granito
790
0,190
Gelo
2.050
0,490
Água
4.186
1,000
Óleo Cozinha
3.350
0,580
Álcool Etílico
2.400
0,580
140
0,033
Mercúrio
Qual o calor Q para aquecer 1 kg de água para que ele aumente a
sua temperatura de 1o C ? E 1kg de mercúrio?
Calor e temperatura na mudança de Fase
Calor de
vaporização / condensação
Q = m.Lv
Calor Latente
de vaporização
Calor Latente
de Fusão
Calor de
fusão / solidificação
Q=
m.Lfusão
Calor Latente
L
Calor Latente
Quantidade de calor necessária
para mudar de fase, 1 grama da
substância
Calor Latente de Fusão e Vaporização – pressão normal
Substância
Ponto de Fusão
L (fusão)
Ponto de Ebulição
L(vaporização)
Nitrogênio
- 210 oC
1,25 cal/g
-269 oC
5 cal/g
Álcool Etílico
-114 oC
25 cal/g
78 oC
206 cal/g
Água
0 oC
80 cal/g
100 oC
540 cal/g
Alumínio
660 oC
95 cal/g
2 450 oC
2.700 cal/g
Cobre
1 083 oC
32 cal/g
1 187 oC
1.210 cal/g
Qual a quantidade total de calor necessária
para vaporizar 1 kg de gelo, inicialmente a -10 oC?
QTotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
QTotal = 5 + 80 + 100 + 540 = 725 kcal
Transferência de Calor
Condução
Convecção
Radiação
Condução de calor
Processo pelo qual o calor é transferido de
um ponto para outro em um sólido.
A
Os metais, em geral
são bons condutores
térmicos
B
Os não metais são
em geral, bons
isolantes térmicos
Classificados pelo valor do coeficiente de condutibilidade térmica - “k”
Alto coeficiente de
condutibilidade térmica
Baixo coeficiente de
condutibilidade térmica
Condução
Parede retangular
Δt (tempo)
S (área)
d
Q
Q prop
S
ΔT = (TB – TA) < 0
1/d ( d = espessura)
Q prop - [ΔT·(S/d)· Δt ]
TA > TB
Q = - k·[ΔT·(S/d)·Δt ]
Coef. de Condutibilidade Térmica do material
Fluxo de calor ou Potência de condução térmica
Q/Δt = φterm= - k·[(S/d)·ΔT]
joules/s ou W
Coeficiente de condutibilidade térmica
Material
k
(W/m.K)
Material
k
(W/m.K)
Cobre
385
Hidrogênio a 0º C
0.14
Latão
109
Hélio a 0º C
0.14
Alumínio
205
Oxigênio
0.023
Ferro
80
Aço
50
Fibra de vidro
0.04
Chumbo
35
Tijolo isolante
0.15
Mercúrio
8
Tijolo vermelho
0.6
Gelo
1.6
Cortiça
0.04
Vidro comum
0.8
Feltro
0.04
Concreto
0.8
Lã de rocha
0.04
Isopor
0.01
Água a 20ºC
0,6
Madeira
Q/t = - k.[S/d].(TB-TA)
0.12-0.04
Condução de calor
parede dupla
1.- O fluxo Q/Δt é o mesmo.
S
Fluxo de calor
2.- A área S é a mesma
3.- Fluxo parede k1 → φ = - k1·[(S/d1)·(Tj-TA)]
4.- Fluxo parede k2 → φ = - k2·[(S/d2)·(TB - Tj)]
Tj = temperatura na junção
Q/Δt = - (TB-TA)·(S) / [(d1/k1) + (d2/k2)]
Como determinar a temperatura Tj na junção?
Convecção
Transferência de calor por meio de movimentação de moléculas .
Sobem por que o
empuxo supera o peso
de cada molécula
Gases quentes
O movimento
ascensional de
moléculas.
Diminuição da
pressão estática
Sucção
de ar frio.
Corrente
convectiva
Convecção
Natural
φ = - h·S·ΔT
S = área da superfície
h = coef.de convecção natural
Determinados experimentalmente.
Coeficientes de Convecção Natural no Ar a
Pressão Atmosférica
Unid(h) = (cal/s)/[cm2.oC]
Chapa horizontal, voltada p/ cima: h = 0,6.10-4(ΔT)1/4
Chapa horizontal, voltada p/ baixo: h = 0,3.10-4(ΔT)1/4
Chapa vertical: h = 0,4.10-4(ΔT)1/4
Tubo horizontal ou vertical c/ diâmetro D: h = 1,0.10-4(ΔT/D)1/4
Convecção forçada
Radiação Solar
Radiação
Processo de propagação da energia radiante
Ondas eletromagnéticas
Velocidade da luz
Propaga-se no vácuo
Radiação eletromagnética
O espectro da radiação eletromagnética
Comprimento de onda
No ar ou vácuo
c = 300.000 km/s
c = .f
Velocidade da onda
eletromagnética
freqüência
Espectro da radiação de um “corpo negro”
Absorve e re-emite
toda a radiação
incidente.
Max Planck
(1858 – 1947)
h = 6,63x10-34 j.s
Radiação infravermelha
Pacote de energia
E = h.f
Um corpo a 1.000 K emite luz?
Emissão espectral de corpos abaixo de 100oC.
Efeito estufa
Os gases estufa: gás carbônico,
metano, CFC e vapor d´água
aprisionados na atmosfera que
circunda a Terra fazem o papel do
vidro no automóvel.
Lei de deslocamento de Wien
Lei de Stefan-Boltzmann
pico.T = 2,9x10-3 m.K
Pot/Área = T4
Const. de Boltzmann
 = 5,67x10-8 W/m2K4
Irradiação
Potência solar por unidade de
área que atinge uma
determinada superfície.
Medida em W/m2
ou
J/s/m2
Constante Solar
Irradiação solar que atinge
a atmosfera terrestre
1.400 W/cm2
20.000 [cal/min]/cm2
e
insolação solar
Energia solar, por unidade de
área, incidente numa
superfície.
Média em W.h/m2
1 kWh/m2 = hora solar pico