Definição de Calor
Teoria
O que é calor ?
Na maioria das vezes, o primeiro passo para lavar uma panela quente é jogar água fria dentro dela. Se a gente fizer isso, a água vai esquentar e a panela vai esfriar até as duas ficarem com a mesma temperatura, certo? Mas por que a temperatura da água aumenta e a temperatura da panela diminui? Isso acontece, porque a panela dá um pouco da sua energia para a água!
Dizendo isso de outro jeito, quem tem temperatura maior (panela) passa energia para quem tem temperatura menor (água). Ou seja, essa troca de energia só existe por causa da diferença de temperatura entre a panela e a água! Essa transferência de energia que ocorre por conta da diferença de temperatura é chamada de calor.
Em termodinâmica, a letra que é usada para representar a quantidade de energia que foi passada do objeto mais quente pro objeto mais frio por calor. Pra simplificar, ao invés da gente chamar de quantidade de energia transferida por calor, vamos chamar só de calor ou calor trocado. A unidade de em S.I. (Sistema Internacional de Unidades) é o joule .
Como saber se o valor do calor trocado é positivo ou negativo?
Se a gente quiser ferver de água em uma panela à pressão atmosférica, precisamos dar de energia através de calor para a água líquida.
Ou seja, se a gente considerar a água como o sistema termodinâmico que queremos estudar, dizemos que ela recebe uma quantidade de energia por calor igual a:
Em outras palavras, quando o sistema (água) recebe energia, falamos que o valor do calor trocado através da sua fronteira é positivo.
Se a gente colocar a panela na geladeira para fazer o quilograma de vapor virar líquido de novo, ela vai precisar perder os mesmos que tinha ganhado antes. Nesse caso:
Dizendo isso de outro jeito, quando o sistema (água) perde energia, falamos que o valor do calor trocado através da sua fronteira é negativo.
Processo adiabático
Quando o sistema ganha calor, falamos que ele passa por um processo de aquecimento . Quando o sistema perde calor, falamos que ele passa por um processo de resfriamento . Qual é o nome do processo, quando o sistema não troca calor com o ambiente ? Chamamos esse processo de processo adiabático!
Cuidado! Não confunda processo adiabático com processo isotérmico! Eles são dois processos diferentes! No processo isotérmico, a temperatura do sistema não varia. No processo adiabático, o sistema não troca calor com sua vizinhança. Existem formas de fazer a temperatura do sistema variar sem ele precisar trocar calor com o ambiente ao redor!
A figura acima mostra uma dessas formas de variar a temperatura do sistema sem a troca de calor. Nesse processo, alguém está comprimindo uma seringa com vapor d’água. Ou seja, a pessoa está dando energia para o vapor através da força que ela faz no êmbolo. Essa energia a mais faz com que as moléculas de água se agitem mais e a sua temperatura aumente sem a água precisar ganhar calor!
O calor não é uma propriedade termodinâmica do sistema!
Quando a gente vai lavar uma panela quente, a gente joga água nela primeiro para ela ficar mais fria e não queimar nossa mão. Mas por que uma panela mais quente consegue queimar a nossa mão e uma panela com uma temperatura menor não é capaz disso?
Isso acontece, porque quanto maior a diferença de temperatura entre a nossa mão e a panela , mais calor é trocado entre as duas . A panela quente libera mais energia para a nossa mão do que a panela mais fria! Quando nossa mão ganha mais energia, ela se queima!
Falando isso de outra forma, precisamos saber quanto vale essa diferença de temperatura durante todo o processo para a gente conseguir calcular a quantidade de energia que foi trocada por calor ! Se a gente considerar que a panela é o nosso sistema, podemos dizer que precisamos saber a história do sistema para conhecer o calor que ele liberou.
A imagem de cima relembra a pergunta que precisamos fazer para descobrir se uma variável é uma propriedade termodinâmica do sistema. Ela é uma propriedade, se conseguimos descobrir o seu valor sem precisar saber a história que trouxe o sistema até o seu estado. Por causa disso, o calor realizado pelo sistema não pode ser considerado uma propriedade!
Como saber se a transferência de energia é calor ou trabalho ?
Trabalho e calor são dois tipos diferentes de transferência de energia entre o sistema e sua vizinhança. Pode parecer fácil determinar, se a energia atravessa a fronteira do sistema por calor ou por trabalho, mas isso pode ficar complicado as vezes. Saber fazer essa decisão é muito importante para conseguir usar as fórmulas que veremos no futuro!
Imagine um copo d’água sendo aquecido por uma resistência elétrica. A resistência elétrica fica quente por causa dos elétrons que se movimentam por ela. Vimos que esse movimento é causado pela força elétrica. Por isso, podemos achar que a resistência realiza trabalho sobre a água. Será que essa lógica está certa? É por causa do trabalho que a energia entra na água?
Então fica uma dúvida! Se a gente considerar que a água é o nosso sistema, podemos nos perguntar: a resistência elétrica realiza trabalho sobre o sistema ou dá calor para ele? Fica mais fácil de entender a questão, perguntando de outra forma: o que faz a energia atravessar a fronteira do nosso sistema (água do copo) é o calor ou o trabalho?
Para responder essa pergunta, precisamos achar a solução de outra: a energia da resistência elétrica entraria na água, caso o líquido tivesse a mesma temperatura da resistência? Ou seja, se não tivesse diferença de temperatura entre o sistema (água) e sua vizinhança (resistência elétrica), a energia cruzaria a fronteira e entraria na água? A resposta é não!
A energia só cruza a fronteira, por causa dessa diferença de temperatura. Como a transferência de energia causada por um é chamada de calor, falamos que a resistência dá calor pra água! No entanto, se a fronteira do nosso sistema incluísse uma parte da resistência elétrica, acharíamos outra resposta! Por isso, é importante saber qual é a fronteira do sistema!
Nesse caso, a transferência de energia através da fronteira é causada pela corrente elétrica. É a força elétrica que empurra os elétrons e causa essa corrente. Por causa disso, dizemos que a resistência dá energia para o sistema através dessa força. Nesse exemplo, podemos dizer que a vizinhança (parte da resistência) realiza trabalho sobre o sistema (água e bobina elétrica).
Agora fica mais fácil decidir se uma troca de energia entre o sistema e a sua vizinhança é por calor ou por trabalho. É só se perguntar a energia atravessa a fronteira do sistema por causa de um ou de uma força! Se a causa for uma diferença de temperatura, a troca de energia acontece por calor. Se a causa for uma força, ela acontece por trabalho.
Como saber se o valor do calor trocado Q é positivo ou negativo?
Processo adiabático Q = 0
O calor Q não é uma propriedade termodinâmica do sistema!
Como saber se a transferência de energia é calor Q ou trabalho W ?
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
Elaboração própria
Um copo de água gelada a é esquecido sobre a mesa. Suponha que a temperatura do ar ambiente vale . Considerando que a água seja o nosso sistema termodinâmico, a troca de calor entre a água e o ambiente é positiva ou negativa?
Passo 1
Quando o enunciado pergunta se a troca de calor entre a água e o ambiente é positiva ou negativa , ele quer saber se a água ganha energia ou perde energia nessa troca. Se ela ganhar energia, o calor trocado é positivo . Se ela perder energia, o calor trocado é negativo .
Mas como podemos descobrir se a energia está entrando na água ou saindo dela? Vamos responder essa pergunta no próximo passo.
Passo 2
A gente descobre isso, lembrando o que é calor. Calor é uma troca de energia que acontece do objeto mais quente para o objeto mais frio. Em outras palavras, a energia trocada por calor sai sempre do objeto com temperatura maior para entrar no objeto com temperatura menor.
Como a temperatura da água é menor que a temperatura do ar ambiente , a energia sai do ambiente e entra na água. Por causa disso, dizemos que o calor trocado pelo nosso sistema (água) é positivo!
Resposta
Exercício Resolvido #2
Elaboração própria
Considere uma resistência elétrica dando energia para um copo d’água. A resistência elétrica fica quente por causa dos elétrons que se movimentam por ela. A água recebe energia por calor ou por trabalho?
Passo 1
Esse exercício é uma pegadinha! Sabemos que o movimento dos elétrons dentro da resistência é causado pela força elétrica. Por isso, podemos achar que a resistência realiza trabalho sobre a água. Será que essa lógica está certa? É por causa do trabalho que a energia entra na água?
Então fica uma dúvida! A resistência elétrica realiza trabalho sobre a água ou dá calor para ela? Fica mais fácil de entender a questão, perguntando de outra forma: o que faz a energia entrar na água do copo é o calor ou o trabalho?
Para responder essa pergunta, precisamos achar a solução de outra: a energia da resistência elétrica entraria na água, caso o líquido tivesse a mesma temperatura da resistência? Ou seja, se não tivesse diferença de temperatura entre a água e a resistência elétrica, a energia entraria na água? A resposta é não! E a explicação disso fica para o próximo passo!
Passo 2
A energia só entra na água, por causa dessa diferença de temperatura. Como a transferência de energia causada por um é chamada de calor , falamos que a resistência dá calor pra água!
Resposta
A água recebe energia da resistência elétrica por calor.
Exercício Resolvido #3
Elaboração própria
Considere uma resistência elétrica dando energia para um copo d’água. A resistência elétrica fica quente por causa dos elétrons que se movimentam por ela. Considere que o sistema termodinâmico é composto por toda a água do copo mais a parte submersa da resistência elétrica. O sistema recebe energia por calor ou por trabalho?
Passo 1
Esse exercício é uma pegadinha! Sabemos que a resistência esquenta com o movimento dos elétrons dentro dela. Por isso, podemos achar que a resistência passa energia para o sistema por calor! Mas será que essa lógica está certa?
Então fica uma dúvida! A resistência elétrica realiza trabalho sobre o sistema ou dá calor para ele? Fica mais fácil de entender a questão, perguntando de outra forma: o que faz a energia entrar no sistema é o calor ou o trabalho?
Para responder essa pergunta, precisamos entender que o sistema está ganhando energia, porque ele está recebendo elétrons cheios de energia através do fio da resistência. Logo, entender o motivo pelo qual os elétrons se movimentam pela resistência e entram para dentro do sistema é a chave para responder a questão do enunciado. Faremos isso no próximo passo!
Passo 2
A figura abaixo mostra que os elétrons entram no sistema por causa da força elétrica! Ou seja, essa troca de energia não é causada pela diferença de temperatura entre a resistência que não está submersa e o sistema! Ela é causada por uma força!
Isso significa que o sistema ganha energia através de trabalho!
Resposta
O sistema recebe energia da resistência elétrica por trabalho.
Exercício Resolvido #4
Elaboração própria
Um gás inicialmente a está contido em um conjunto cilindro-pistão. Esse gás passa por um processo adiabático que faz sua temperatura aumentar para . Durante esse processo, a troca de calor entre o gás e a sua vizinhança é positiva, negativa ou nula?
Passo 1
Esse exercício é uma pegadinha! Ele pede para a gente descobrir o sinal de uma troca de calor durante um processo que faz a temperatura do gás aumentar. Como a temperatura do gás aumenta, a gente tende a achar que isso acontece, porque o gás ganha energia por calor. Ou seja, por esse pensamento, a gente falaria que é positivo .
No entanto, o enunciado diz que o processo de aumento de temperatura é adiabático! Um processo adiabático é um processo sem troca de energia por calor! Ou seja, nesse processo:
Mas se o sistema (gás) não recebe energia por calor, como ele aumenta a temperatura? Isso vai ser explicado na próxima etapa.
Passo 2
Além da troca de energia por calor, existe um outro tipo de troca de energia muito comum na termodinâmica: o trabalho. Se o sistema não ganhou energia por calor, certamente ganhou energia através de trabalho. A figura abaixo mostra dois exemplo de trabalho sendo realizado sobre o gás e fazendo suas moléculas se energizarem e se agitarem mais.
Mesmo que a gente não conheça a forma exata como o trabalho foi realizado, o fato importante pro exercício é entender que a troca de calor entre o gás e a sua vizinhança é nula!
Resposta
Exercício Resolvido #5
Elaboração própria
Um conjunto cilindro-pistão contém um gás a . Neste momento, o ar ambiente a troca de energia por calor com o gás. Logo após essa troca de energia, o pistão é comprimido até o gás atingir de temperatura. Neste momento, o ar ambiente a troca de energia com o gás. Quanto de calor o gás ganhou ou perdeu para o ambiente?
Passo 1
O gás troca calor duas vezes com o ar ambiente. Na primeira vez, ele troca de energia. Na segunda vez, ele troca de energia. O enunciado que saber a quantidade líquida de energia que o gás ganhou ou perdeu. Ou seja, ele quer que a gente calcule a quantidade de energia que o gás ganhou por calor menos a quantidade de energia que ele perdeu por calor.
Mas como podemos saber se o gás ganhou ou perdeu energia? Lembrando o que é calor! Calor é uma troca de energia que acontece do objeto mais quente para o objeto mais frio. Em outras palavras, a energia trocada por calor sai sempre do objeto com temperatura maior para entrar no objeto com temperatura menor.
Sabendo disso, vamos analisar, na próxima etapa, se o gás ganhou ou perdeu energia em cada processo de troca de calor.
Passo 2
No primeio processo, o gás tinha uma temperatura menor do que o ar ambiente . Por causa disso, o gás ganhou energia. Ou seja, ele ganhou de energia.
No segundo processo, o gás tinha uma temperatura maior do que o ar ambiente . Por causa disso, o gás perdeu energia. Ou seja, ele perdeu de energia.
Na soma dos dois processos, a troca de calor é a quantidade de energia que o gás ganhou, menos a quantidade de energia que ele perdeu.
Ou seja, o gás perdeu de energia por calor para o ar ambiente.
Resposta
Exercício Resolvido #6
Elaboração própria
A figura abaixo mostra duas câmaras com vapor saturado. A câmara da esquerda contém vapor d’água saturado. Ele está a . Já a câmara da direita contém vapor saturado de amônia a de pressão.
Considerando o vapor de água como nosso sistema, a troca de calor entre a água e a amônia é positiva ou negativa? Para responder, use as tabelas abaixo.
Passo 1
O enunciado pede que a gente responda se o calor entra ou sai do vapor d’água saturado. Caso o calor entre, a troca de calor é positiva. Caso o calor saia, a troca de calor é negativa.
Para saber se o calor entra ou sai, basta saber as temperaturas dos vapores. Se a temperatura da água for maior, ela vai perder calor. Se a temperatura dela for menor, ela vai ganhar calor.
Então como encontramos as temperaturas dos vapores? Através das tabelas de propriedades. Elas mostram a temperatura de saturação dos vapores na pressão em que eles estão.
Então vamos encontrar as temperaturas de saturação no próximo passo!
Passo 2
A tabela de água saturada mostra que a sua temperatura de saturação para a pressão de vale .
A tabela de amônia mostra que a sua temperatura de saturação para a pressão de vale .
Ou seja, a temperatura do vapor d’água saturado é maior que a temperatura do vapor de amônia saturado. Isso significa que a água perde calor. Por isso, a sua troca de calor com a amônia é negativa.
Resposta
Exercício Resolvido #7
Elaboração própria
A figura abaixo mostra duas câmaras com vapor saturado. A câmara da esquerda contém vapor d’água saturado. Ele está a . Já a câmara da direita contém vapor saturado de amônia a de pressão.
Considerando o vapor de amônia como nosso sistema, a troca de calor entre a água e a amônia é positiva ou negativa? Para responder, use as tabelas abaixo.
Passo 1
O enunciado pede que a gente responda se o calor entra ou sai do vapor de amônia saturado. Caso o calor entre, a troca de calor é positiva. Caso o calor saia, a troca de calor é negativa.
Para saber se o calor entra ou sai, basta saber as temperaturas dos vapores. Se a temperatura da amônia for maior, ela vai perder calor. Se a temperatura dela for menor, ela vai ganhar calor.
Então como encontramos as temperaturas dos vapores? Através das tabelas de propriedades. Elas mostram a temperatura de saturação dos vapores na pressão em que eles estão.
Então vamos encontrar as temperaturas de saturação no próximo passo!
Passo 2
A tabela de água saturada não possui a temperatura de saturação para a pressão de da água. Por causa disso, precisaremos interpolar o valor de temperatura de saturação para a pressão que queremos. Fazemos isso através da fórmula abaixo.
onde:
- é a temperatura de saturação da água para a pressão de ;
- é a temperatura de saturação da água para a menor pressão da tabela que é mais próxima de ;
- é a temperatura de saturação da água para a maior pressão da tabela que é mais próxima de ;
- é ;
- é a menor pressão da tabela que é mais próxima de ;
- é a maior pressão da tabela que é mais próxima de ;
- é a temperatura de saturação da amônia para a pressão de ;
- é a temperatura de saturação da amônia para a menor pressão da tabela que é mais próxima de ;
- é a temperatura de saturação da amônia para a maior pressão da tabela que é mais próxima de ;
- é ;
- é a menor pressão da tabela que é mais próxima de ;
- é a maior pressão da tabela que é mais próxima de ;
A pressão menor mais próxima do valor que queremos vale . Nesta pressão, a temperatura de saturação vale . A pressão maior mais próxima do valor que queremos vale . Nesta pressão, a temperatura de saturação vale .
A temperatura de saturação da amônia para a pressão de será descoberta no próximo passo.
Passo 3
A tabela de amônia saturada não possui a temperatura de saturação para a pressão de do vapor de amônia. Por causa disso, precisaremos interpolar o valor de temperatura de saturação para a pressão que queremos. Fazemos isso através da fórmula abaixo.
onde:
A pressão menor mais próxima do valor que queremos vale . Nesta pressão, a temperatura de saturação vale . A pressão maior mais próxima do valor que queremos vale . Nesta pressão, a temperatura de saturação vale .
Ou seja, a temperatura da amônia é maior que a temperatura da água. Portanto, a amônia perde energia por calor para a água. Isso quer dizer que a troca de calor é negativa para a amônia.
Resposta
Exercício Resolvido #8
Elaboração própria
Um conjunto cilindro-pistão contém vapor d’água saturado a de pressão. Neste momento, o vapor ocupa um volume de . O vapor é então comprimido até atingir uma pressão de . Nestas condições, a água ocupa um volume de . Se o ar ambiente está sempre a de temperatura, determine se, ao final do processo de compressão, a água perde calor para o ar ou ganha calor do ar. Use as tabelas termodinâmicas abaixo como auxílio.
Passo 1
O enunciado quer saber se a água comprimida vai perder calor para o ambiente ou vai ganhar calor do ambiente. Se a temperatura da água depois de ser comprimida for maior que a temperatura do ar ambiente, ela vai perder calor. Caso contrário, ela vai ganhar calor. Ou seja, na verdade, problema quer saber a temperatura da água depois de ser comprimida.
Para saber a temperatura da água depois dela ser comprimida, precisamos de duas propriedades intensivas da água neste estado final (estado 2). Desta forma, conseguimos definir o estado 2 e encontrar todas as suas propriedades. Inclusivge atemperatura final que queremos. Por enquanto, conhecemos apenas a sua pressão no estado 2.
O volume final também é dado!
O problema é que ele é uma propriedade extensiva. No entanto, ele pode nos ajudar a encontrar a outra propriedade intensiva que falta para fizarmos o estado 2. O volume final dividido pela massa de água é igual ao volume específico final . é uma propriedade intensiva!
Isso quer dizer que podemos fixar o estado 2, caso a gente descubra a massa de água dentro do cilindro-pistão. Com esse valor podemos usar a tabela e descobrir ! E como podemos conhecer ? Através do estado da água antes da compressão (estado 1). Ele está totalmente definido, porque sabemos a pressão da água e o seu título de vapor saturado .
Mas vamos deixar o desenvolvimento de como calcular para a próxima etapa!
Passo 2
Além do estado 1 estar totalmente definido, também conhecemos o volume que a água ocupava antes da compressão .
Esse volume é essencial para a gente achar a massa de água, porque calculamos a massa reorganizando a fórmula de volume específico do estado 1 .
Mas qual é o valor de ? Descobrimos isso através da tabela de saturação da água. Nela vemos que:
Com esse valor, calculamos e conseguimos usar a tabela para achar . Deixaremos essa parte para o próximo passo!
Passo 3
Primeiro, vamos calcular a massa de água .
Com esse valor, vamos achar .
Esse valor é menor do que o valor do volume específico da água líquida saturada a .
Isso significa que a água deixa de ser um vapor e passa a ser um líquido comprimido ao final da compressão. Então, para o estado 2, usaremos a tabela de líquido comprimido da água. Nela vemos que a para e vale:
Ou seja, a água está mais quente que o ar. Portanto, ela perde calor para o ar.
Resposta
A água perde calor para o ar.