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Biblioteca de Química
Curso: Biblioteca de Química > Unidade 15
Lição 1: Energia interna- Introdução à primeira lei da termodinâmica
- Mais sobre energia interna
- Exemplo do cálculo da energia interna e do trabalho
- Calor e temperatura
- Calor específico e calor latente de fusão e de vaporização
- Problema de refrigeração da água
- Trabalho pressão x volume
- Macroestados e microestados
- Processos quase estáticos e reversíveis
- Trabalho devido à expansão
- Diagramas PV e trabalho de expansão
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Calor e temperatura
O que o calor significa na termodinâmica e como podemos calcular o calor usando a capacidade térmica.
Principais pontos
- Calor, start text, q, end text, é a energia térmica transferida entre dois sistemas em contato, do mais quente para o mais frio.
- Temperatura é a medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas do sistema.
- A lei zero da termodinâmica afirma que não há nenhuma transferência de calor entre dois objetos em equilíbrio térmico; portanto, eles têm a mesma temperatura.
- Podemos calcular o calor liberado ou absorvido usando a capacidade de calor específico start text, C, end text, a massa da substância start text, m, end text, e a mudança de temperatura delta, start text, T, end text da equação:
Calor em termodinâmica
O que contém mais calor, uma xícara de café ou um copo de chá gelado? Na aula de química, isso seria uma pegadinha (desculpa!). Em termodinâmica, o calor tem um significado bem específico, que é diferente do que usamos na linguagem cotidiana. Os cientistas definem calor como energia térmica transferida entre dois sistemas com diferentes temperaturas que estiverem em contato. O calor é escrito com o símbolo q ou Q, e sua unidade é o joule (start text, J, end text).
Por vezes, o calor é interpretado como uma função de processos, porque é definido no contexto de um processo por meio do qual a energia pode ser transferida. Não falamos de uma xícara de café que contenha calor, mas podemos falar do calor transferido da xícara de café quente para a nossa mão. O calor também é uma propriedade extensiva, então a carga de temperatura resultante da transferência de calor para um sistema depende de quantas moléculas há no sistema.
Relação entre calor e temperatura
Calor e temperatura são dois conceitos diferentes mas intimamente ligados. Note que eles têm unidades diferentes: a unidade da temperatura é normalmente graus Celsius (degrees, start text, C, end text) ou Kelvin (start text, K, end text), e a unidade do calor é energia, Joules (start text, J, end text). Temperatura é a medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas do sistema. As moléculas de água em uma xícara de café quente têm uma energia cinética média maior que as moléculas de água em uma xícara de chá gelado, o que também significa que elas estão se movendo a uma velocidade maior. Temperatura também é uma propriedade intensiva; ou seja, a temperatura não muda, independentemente da quantidade de substância que você tem (desde que ela esteja toda na mesma temperatura!). É por isso que os químicos podem usar o ponto de fusão para ajudá-los a identificar uma substância puraminusa temperatura na qual a substância se funde é uma propriedade da substância que não depende da massa de uma amostra.
Em um nível atômico, as moléculas de todos os objetos estão em constante movimento e colidindo umas com as outras. Toda vez que moléculas colidem, a energia cinética pode ser transferida. Quando os dois sistemas estão em contato, o calor será transferido do sistema mais quente para o sistema mais frio, por meio de colisões moleculares. A energia térmica vai fluir nessa direção até que os dois objetos tenham a mesma temperatura. Quando os dois sistemas em contato tiverem a mesma temperatura, dizemos que eles estão em equilíbrio térmico.
Lei zero da termodinâmica: Definição de equilíbrio térmico
A lei zero da termodinâmica define equilíbrio térmico dentro de um sistema isolado. A lei zero afirma que quando dois objetos em equilíbrio térmico estão em contato, não há transferência de calor entre os objetos; portanto, eles têm a mesma temperatura. Outra maneira de afirmar a lei Zero é dizer que se dois objetos estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro objeto, então eles estão em equilíbrio térmico um com o outro.
A lei zero nos permite medir a temperatura dos objetos. Sempre que usamos um termômetro, estamos usando a lei zero da termodinâmica. Digamos que estejamos medindo a temperatura de um banho-maria. Para termos certeza de que a medida está correta, normalmente esperamos a medida da temperatura ficar constante. Estamos esperando que o termômetro e a água atinjam o equilíbrio térmico! No equilíbrio térmico, as temperaturas do bulbo do termômetro e do banho-maria serão as mesmas, e não deverá haver nenhuma transferência líquida de calor de um objeto para o outro (pressupondo que não haja nenhuma outra perda de calor para o meio).
Capacidade de calor: Conversão entre calor e mudança de temperatura
Como podemos medir o calor? A seguir, mostraremos algumas coisas que já sabemos sobre o calor:
- Quando um sistema absorve ou perde calor, a energia cinética média das moléculas irá mudar. Assim, a transferência de calor resulta em uma mudança na temperatura do sistema desde que o sistema não esteja passando por uma mudança de fase.
- A mudança de temperatura resultante da transferência de calor para fora ou para dentro de um sistema depende da quantidade de moléculas existentes neste sistema.
Podemos usar um termômetro para medir a mudança de temperatura de um sistema. Como podemos usar a mudança de temperatura para calcular o calor transferido?
Para descobrir como o calor transferido para um sistema vai mudar a temperatura deste sistema, precisamos saber pelo menos 2 coisas:
- O número de moléculas no sistema
- A capacidade de calor do sistema
A capacidade de calor nos dá a quantidade de energia necessária para mudar a temperatura de uma determinada substância sem que haja nenhuma mudança de fase. Há duas maneiras principais pelas quais a capacidade de calor é medida. A capacidade específica de calor (também chamada de calor específico), representada pelo símbolo start text, c, end text ou start text, C, end text, é a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de um grama de uma substância em 1, space, degrees, start text, C, end text ou 1, start text, K, end text. A unidade da capacidade específica de calor é, normalmente, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, r, a, m, a, s, end text, dot, start text, K, end text, end fraction. A capacidade molar de calor, start text, C, end text, start subscript, start text, m, end text, end subscript ou start text, C, end text, start subscript, start text, m, o, l, end text, end subscript, mede a quantidade de energia térmica necessária para aumentar a temperatura de um mol de substância em 1, space, degrees, start text, C, end text ou 1, start text, K, end text, e sua unidade geralmente é start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction. Por exemplo, a capacidade de calor do chumbo pode ser dada como a capacidade específica de calor, 0, comma, 129, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction, ou como a capacidade molar de calor, 26, comma, 65, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction.
Cálculo de start text, q, end text usando a capacidade de calor
Podemos usar a capacidade de calor para determinar o calor liberado ou absorvido por um material usando a seguinte fórmula:
onde start text, m, end text é a massa da substância (em gramas), start text, C, end text é a capacidade especifica de calor e delta, start text, T, end text é a mudança de temperatura durante a transferência de calor. Note que tanto a massa quanto a capacidade específica de calor podem ter apenas valores positivos, então o sinal de start text, q, end text vai depender do sinal de delta, start text, T, end text. Podemos calcular delta, start text, T, end text usando a seguinte equação:
onde start text, T, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, end text, end subscript e start text, T, end text, start subscript, start text, i, n, i, c, i, a, l, end text, end subscript podem ter unidades de space, degrees, start text, C, end text ou start text, K, end text. Com base nesta equação, se start text, q, end text for positivo (a energia do sistema aumenta), então, a temperatura do nosso sistema aumenta e start text, T, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, end text, end subscript, is greater than, start text, T, end text, start subscript, start text, i, n, i, c, i, a, l, end text, end subscript. Se start text, q, end text for negativo (a energia do sistema diminui), então a temperatura do nosso sistema diminui e start text, T, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, end text, end subscript, is less than, start text, T, end text, start subscript, start text, i, n, i, c, i, a, l, end text, end subscript.
Exemplo: Esfriando uma xícara de chá
Digamos que temos 250, start text, m, L, end text de chá quente que queremos esfriar antes de beber. A temperatura do chá atualmente é de 370, start text, K, end text, e gostaríamos de esfriá-lo a 350, start text, K, end text. Quanta energia térmica precisa ser transferida do chá para o ambiente para que o chá esfrie?
Vamos pressupor que o chá seja, na sua maior parte, feito de água. Então, podemos usar a densidade e a capacidade de calor da água em nossos cálculos. A capacidade específica de calor da água é 4, comma, 18, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction, e a densidade da água é 1, comma, 00, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, L, end text, end fraction. Podemos calcular a energia transferida no processo de resfriamento do chá usando as seguintes etapas:
1. Calcular a massa da substância
Podemos calcular a massa de chá/água usando o volume e a densidade da água:
2. Calcular a mudança de temperatura, delta, start text, T, end text
Podemos calcular a mudança de temperatura, delta, start text, T, end text, a partir das temperaturas inicial e final:
Como a temperatura do chá está diminuindo e delta, start text, T, end text é negativo, espera-se que start text, q, end text também seja negativo, pois nosso sistema está perdendo energia térmica.
3. Encontrar o valor de start text, q, end text
Agora, podemos encontrar o valor do calor transferido a partir do chá quente usando a equação de calor:
Assim, calculamos que o chá vai transferir 21000, start text, J, end text de energia para o ambiente quando ele esfriar de 370, start text, K, end text para 350, start text, K, end text.
Conclusões
Em termodinâmica, calor e temperatura são conceitos intimamente ligados com definições distintas.
- Calor, start text, q, end text, é a energia térmica transferida entre dois sistemas em contato, do mais quente para o mais frio.
- Temperatura é a medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas do sistema.
- A lei zero da termodinâmica afirma que não há nenhuma transferência de calor entre dois objetos em equilíbrio térmico; portanto, eles têm a mesma temperatura.
- Podemos calcular o calor liberado ou absorvido usando a capacidade de calor específico start text, C, end text, a massa da substância start text, m, end text, e a mudança de temperatura delta, start text, T, end text da seguinte equação:
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qual a temperatura de hoje mas sem olhar no termometro(2 votos)- Calcule a capacidade termica de um solido de Einstein no limite de baixas temperaturas, utilizando o resultado do problema anterio,esboce o resultado obtido em funça da temperatura(1 voto)