7 Anos Ciências - Equilíbrio termodinâmico

7 Anos

Aula 1 - Equilíbrio termodinâmico

   Equilíbrio térmico é uma condição termodinâmica na qual dois ou mais corpos encontram-se à mesma temperatura. Essa condição é atingida espontaneamente, uma vez que corpos em temperaturas diferentes trocam calor entre si até que suas temperaturas equilibrem-se. Além disso, o calor sempre flui dos corpos mais quentes para os corpos de menor temperatura.

Princípio

   O princípio físico que explica o equilíbrio térmico é chamado Lei Zero da Termodinâmica.

Enunciado dessa lei:

“Consideremos dois objetos A e B.

Se um terceiro objeto T está em equilíbrio térmico com A e também em equilíbrio térmico com B, então A e B estão em equilíbrio entre si.”

Ou seja, todos ficarão com a mesma temperatura.

A figura abaixo mostra o princípio físico do equilíbrio térmico. Se os corpos A, de temperatura TA, e B, de temperatura TB, estiverem em equilíbrio térmico com o corpo C, de temperatura TC, então: TA = TB = TC.

     Para que ocorra o equilíbrio térmico, é necessário que os corpos estejam em contato térmico. O contato térmico é caracterizado pela capacidade que os corpos têm de trocar calor entre si. Esse calor, por sua vez, tanto pode ser do tipo latente quanto do tipo sensível.

Calor e equilíbrio térmico

   A transferência de calor sempre ocorre de forma espontânea, no sentido do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Essa transferência de energia em forma de calor pode ocorrer por meio de processos como a condução, convecção e radiação.

Condução: É a transferência de calor entre corpos que ocorre especialmente em sólidos. Nesse tipo de condução, não ocorrem transferências de massa. Esse tipo de transferência de calor explica como ocorre o equilíbrio térmico em metais, por exemplo.

Convecção: É uma transferência de calor que ocorre em fluidos. Nessa modalidade de transferência de calor, há a transferência de massa, uma vez que o fluido aquecido move-se, formando correntes de convecção até que todo o fluido atinja o equilíbrio térmico.

Radiação: É a transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas, portanto, esse processo ocorre mesmo que não haja um meio físico entre o corpo e outro corpo em diferentes temperaturas. O calor que é transferido, nesse caso, é o equivalente a ondas eletromagnéticas de menor energia que a luz visível, tratando-se, dessa forma, de radiações térmicas, localizadas na região do infravermelho.

Transformação do calor em energia mecânica

   Após a combustão ocorre aumento da temperatura e expansão do volume. Desta forma, o pistão se desloca em movimento descendente com pressão constante.

   O mecanismo biela manivela é responsável pela transformação do movimento retilíneo no pistão em movimento circular na manivela. Desta maneira o calor é transformado em movimento de rotação, isto é, em energia mecânica nos motores térmicos

Leis da Termodinâmica

Lei zero

   A lei zero da Termodinâmica afirma que todos os corpos em contato térmico transferem calor entre si, até que se atinja o equilíbrio térmico. A lei zero da Termodinâmica é geralmente explicada em termos de três corpos: A, B e C.

   De acordo com essa explicação, os corpos A, B e C encontram-se em contato térmico a um longo tempo, sendo assim, se o corpo A estiver em equilíbrio térmico com o corpo B, o corpo C estará em equilíbrio térmico com os corpos A e B, nesse caso, as temperaturas de A, B e C serão iguais e não ocorrerão mais trocas de calor entre eles.

Primeira lei da Termodinâmica

   A primeira lei da Termodinâmica diz respeito à conservação de energia. De acordo com essa lei, toda a energia que é transferida para um corpo pode ser armazenada no próprio corpo, nesse caso, transformando-se em energia interna. A outra porção de energia que é transferida para o corpo pode ser transferida para as vizinhanças na forma de trabalho ou na forma de calor.

Segunda lei da Termodinâmica

   A segunda lei da Termodinâmica diz respeito a uma grandeza física conhecida como entropia, que é uma medida do número de estados termodinâmicos de um sistema, em outras palavras, a entropia fornece uma medida da aleatoriedade ou da desorganização de um sistema

Terceira lei da Termodinâmica

   A terceira lei da Termodinâmica diz respeito ao limite inferior da temperatura: o zero absoluto. De acordo com essa lei, não há como um corpo atingir a temperatura do zero absoluto. Além dessa definição, essa lei também traz implicações sobre o rendimento das máquinas térmicas, que sob nenhuma condição poderá ser igual a 100%.

Aula 2 – Continuação e Reflexão

Calor sensível

   Quando há diferença de temperatura entre dois corpos, ou entre um corpo e suas vizinhanças, haverá troca de calor entre eles de forma espontânea, de modo que o corpo de temperatura mais elevada resfrie-se, e os corpos de menor temperatura aqueçam-se até que todos atinjam a temperatura de equilíbrio térmico.

Calor latente

   É possível que durante as trocas de calor com suas vizinhanças, um corpo apresente pressão, temperatura e volume que o levem a sofrer uma mudança em seu estado físico. Essas mudanças ocorrem em temperatura constante (para corpos compostos por uma única substância, sem impurezas), ou seja, apesar de estarem recebendo ou cedendo calor para o meio externo, a temperatura desses corpos não se altera.

   Isso só é possível porque toda a energia trocada, nesse caso, está sendo usada para alterar a conformação de suas moléculas. A partir do momento em que se “vence” a barreira energética e todo o conteúdo do corpo encontra-se em outro estado físico, o corpo continua a troca de calor com as vizinhanças, a menos, é claro, que a sua temperatura seja igual à temperatura externa.

Leis de Newton sobre resfriamento

Fatores de interferência:

Superfície exposta: pode-se verificar que quanto maior for a superfície de contato entre o corpo e o meio externo (ambiente) maior será a rapidez de resfriamento/aquecimento

Calor específico do corpo: sabe-se que quanto maior o valor do calor específico de um corpo uma maior quantidade de energia será necessária para variar a sua temperatura de um determinado valor. Logo, para dois corpos que recebem a mesma quantidade de energia num mesmo intervalo de tempo, aquele com maior calor específico apresentará menor rapidez de resfriamento/aquecimento.

Características do meio: assim como as características do corpo são importantes neste processo, as características do meio em que este está imerso, também o são. Por exemplo, se o objeto está em contato com o ar, que é um bom isolante térmico, mais lentos serão os processos de resfriamento ou aquecimento do que se estiver imerso em água. A condutividade térmica da água é maior que a do ar. Uma outra característica importante é a mobilidade do meio externo em relação ao objeto, quanto maior for esta mobilidade, mais rápidas se darão as trocas térmicas entre o objeto e o meio em contato com o mesmo.

Pense e responda:

2) Se aquecermos a água em uma panela e outra quantidade no micro-ondas elas chegarão na mesma temperatura ao mesmo tempo? Porque?

1)  Será que resfriar demora o mesmo tempo que aquecer em constante temperatura ambiente? Porque?

Aula 3 – Funcionamento da garrafa térmica

   A ideia principal é que os modos de troca de calor sejam minimizados o máximo possível, ou seja, impedir que a convecção, a condução e a irradiação térmica aconteçam.

   Considerando que tanto a condução quanto a convecção se dão através da matéria, esses dois processos podem ser minimizados através da introdução de um vácuo no sistema.

   Dito e feito, as garrafas térmicas possuem paredes duplas com vácuo entre elas. As caixas térmicas também possuem paredes duplas com vácuo.

   Já o processo de troca de calor por irradiação é mais difícil de anular, visto que ele acontece inclusive no vácuo – de outras forma não receberíamos o calor do sol!

   As primeiras garrafas térmicas possuíam paredes de vidro espelhadas para impedir a irradiação. O vidro é um mau condutor de calor e o espelho reflete as ondas de calor, mantendo–as aprisionadas no interior ou no exterior da garrafa.

   A tampa impede as trocas de calor por convecção com o ar do ambiente. Por isso quanto menos aberturas forem feitas, maior será o tempo de conservação da temperatura.

   É o mesmo princípio que explica o esfriamento mais devagar dos alimentos quentes que são mantidos em panelas ou em recipientes tampados.

   Mas essas garrafas térmicas antigas possuíam dois grandes problemas, as paredes de vidro podiam quebrar em choques térmicos e quedas e, o metal das paredes espelhadas podia descascar contaminando o líquido.

   Hoje as paredes não são mais feitas de vidro, mas de um plástico resistente e duro ou de metal.

   As garrafas de hoje conservam a temperatura dos líquidos, quente ou frio, por muito mais tempo do que as antigas, tudo graças ao desenvolvimento tecnológico que possibilitou a utilização de materiais mais isolantes e também a produção de vácuos melhores.

   Mesmo assim o sistema não é 100% isolado e o equilíbrio térmico com o meio ambiente acontecerá após algum tempo.

Agora responda:

Analise a imagem:

Sabendo que a caixa térmica tem o mesmo funcionamento da garrafa térmica porque será que a comida mantida na caixa da imagem com a tampa aberta não ficará aquecida por muito tempo?

Aula 4 – Exercícios

1) Explique com 1 frase o que entendeu de cada Lei da Termodinâmica.

2) Explique como funciona o processo de cozimento de alimentos no fogo.

3) Dê 3 exemplos de resfriamento que utilizamos em casa.

4) Assinale a alternativa incorreta:

a) Chamamos de equilíbrio térmico a situação em que um corpo não realiza mais trocas de calor, uma vez que sua temperatura é exatamente igual à de suas vizinhanças.

b) O equilíbrio térmico é atingido quando dois ou mais corpos recebem a mesma quantidade de calor.

c) O equilíbrio térmico é atingido quando dois ou mais corpos encontram-se a mesma temperatura.

d) O calor flui dos corpos mais quentes em direção aos corpos de menor temperatura.

e) O calor flui espontaneamente entre corpos com diferentes temperaturas.

Sites de apoio:

https://www.portalsaofrancisco.com.br/fisica/termodinamica

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/termodinamica.htm

Vídeos:

https://www.youtube.com/watch?v=KMRt3fYZNEQ

Equilíbrio termodinâmico – Física – 7º ano – Ensino Fundamental

https://www.youtube.com/watch?v=vvreo-X2ga4

Lei de Resfriamento de Newton | Matemática | Khan Academy

Qualquer dúvida me procurem!

Bons Estudos…