Kalor no Termodinamika
Artigu ida ne’e kompostu husi
1. Definisaun kalor
2. Prinsipiu misturasaun (Prinsipiu Black)
3. Mudansa estadu materia nian
4. Mekanismu transferensia kalor
5. Lei termodinamika
6. Kestaun no solusaun
7. Kestaun resolve mesak
Definisaun Kalor
Kalor mak forma de energia ida ne’ebé muda husi
objetu ou sasan ruma ne’ebé ho ninia temperatura alta ba objetu ou sasan ruma ne’ebé ninia
temperatura baixa. Objetu ne’ebe
simu energia kalor, ninia temperatura sai aumenta ka hetan alterasaun ba
ninia forma exemplo; plastiku bainhira kona ahi, ka manas sai nabe’en, no seluk tan. Iha parte seluk, objetu ne’ebe liberta kalor,
ninia temperatura hetan diminuisaun iha ne’e ninia forma mo’os
hetan mudansa. Exemplo
be’e be’en sai jelu (es batu)
Kapasidade Térmica Mássica
b. Kalor espesífiku objetu nian,
c. Alterasaun
ou mudansa ba ninia temperatura
kuantidade enegia kalor bele formula ho:
Q = m c ΔT
1 kaloria =
4,184 Joules
1 Joule = 0,24 kalorias
Kaloria ida katak kuantidade kalor ne’ebé necessária ou
presisa ou
presija para eleva temperatura be’e mo’os 1oC ho ninia massa 1
grama.
Kalor Espesífiku no Kapasidade Térmica
Kalor espesífiku (c) katak kuantidade
kalor ne’ebé presisa ka nesesária hodi eleva temperatura 1 kg husi substância
ruma ho valor 1oC ou 1K. Husi substancia sira hotu, substâncias ne’ebé
ninia kalor espesífiku bo’ot liu mak
be’e. Nune’e be’e sai hanesan substância ida ne’ebé diak liu hodi armazen
energia térmica (usa iha painéis solares
(tenaga surya)) ou transferensia térmika (usa radiadores (radiator) ba kareta no motor).
Tipu kalor kada substansia ida, presija ita define ou buka liu husi ekuasaun
Kapacidade térmica mássica (C) númerikamente hanesan kuantidade energia kalor necessária ou presisa ne’ebé fornece tuir unidade massa husi substância ou materia ne’e rasik, hodi eleva ou aumenta ninia temperatura ho variedade 1 K ka 1oC mak formulada hanesan tuir mai ne’e:
Unidade husi kapasidade térmica mak J/K ou JK-1.
Ho nune’e, ita bele hakerek relasaun kapasidade
térmika (C), kalor espesífiku (c) ho ekuasaun mak hanesan tuir mai ne’e:
Prinsipiu Konservasaun Energia Térmica (Princípio Black)
Kasu misturasaun husi substância rua ne’ebé maka diferente sira ninia temperatura, iha prinsipiu ida ne’ebé bele ajuda ita mak konhesidu ho prinsipiu Black. Antes ita atu ba diskute kona ba konseitu misturasaun, uluk nanai ita ba aprende uluk oinsa atu kalkula energia total ne’ebé absorve husi sistema ho ninia análisa maka hanesan tuir mai ne’e:
1. Total kalor ne’ebé absorve iha
sistema
Diagrama. Gelo ne’ebé hamanas iha recipiente
Exemplo, iha resipiente ne’e nia laran existe gelo ho ninia temperatura - 10 oC, bainhira hamanas ho ahi, gelo ne’e nabe’en sai be’e ho temperatura 20 oC. Total kalor hira mak absorve husi sistema durante prosesu ne’e?
Total kalor absorve iha sistema mak, kuantidade kalor absorve husi recipiente no kalor ne’ebé absorve husi be’e. Kalor absorve husi be’e ita fahe ba parte tolu mak hanesan, kalor absorve hodi altera -10 oC gelo ba 0 oC be’e gelo, kalor absorve husi 0 oC be’e gelo ba 0 oC be’e bai-bain, no kalor ne’ebé presija hudi converte 0oC be’e ba 20oC.
Kontekstu ida ne’e, bele hare liu husi esklaresimentu be’e ne’ebé absorve tuir eskema tuir mai!
Eskema. Total energia
kalor absorve iha sistema ida
Total kalor absorve husi sistema ita bele define hanesan tuir mai ne’e:
Qtot = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
Q1 = CoΔT1 = kalor absorve husi recipiente hodi muda temperatura
- 10 °C to 20 °C
Q2 = mgelo cgelo ΔT2 = kalor absorve
husi gelo ne’ebé
transforma husi gelo -10oC a 0oC
Q3 = mgelo Lf
=
kalor necessaria hodi converte 0° C gelo ba 0°C be’e
Q4 = Mbe’e cbe’
ΔT4 = kalor absorve be’e nian husi 0 °C hodi transforma ba 20oC.
Kestaun no Solusaun 1
Massa gelo kg 2 ho nia temperatura -10oC absorve energia kalor 100.000 J. Kalkula massa husi gelo nian ne’ebé nabe’en!
Solusaun:
Qtot = Q1 + Q2
Qtot = mgelo
cgelo ΔT1+ mxLf
100.000 = (2)
(2.100) 0 –(-10) + mx (334.000)
334.000 mx
= 100.000 - 42.000
Kestaun no Solusaun 2
Kalkula kuantidade
kalor ne’ebé
presija hodi altera ka muda 40 g gelo ho nia temperatura
-10 oC to’o 100 oC wainhira be’e nakale!
Solusaun:
cgelo = 2100 J / kgoC Lf = 334 000 J / kg
cbe’e = 4200 J / kgoC Lv = 2256 x 103
J/kg
Q1 = mgelo
cgelo ΔT
= 0,04 x 2100 x 10 = 840 J
Q2 = mgelo Lf
= 0,04 x 334,000 = 13.360 J
Q3 = mbe’e c be’e ΔT
= 0,04 x 4200 x 100 = 16.800 J
Q4 = mbe’e Lv
= 0,04 x 2.256.000 = 90.240 J
Total kalor ne’ebé absorve husi gelo hamutuk:
Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
= 840 + 13.600 + 16.800 + 90.240
= 121 240 J
Kestaun atu Resolve
1. Gelo pedasuk
ida ho ninia massa 200 g, temperatura dahuluk mak 0°C, se kalor ne’ebé nia simu
mak 80. 000 J. Bainhira gelo ne’e nabe’en sai be’e, temperatura ikus liu hira?
2. Recipiente ida
ho ninia kapasidade térmica 500 J/oC, iha recipiente ne’e nia laran,
iha mos gelo ho massa 500 g, ho temperatura -10 °C. Tuirmai, bainhira recipiente ne’e manas, gelo transforma ba be’e ho temperatura 20oC.
Kalkula kalor total ne’ebé recipiente ne’e absorve!
2. Kalor Ne’ebe Fornese no Simu iha Prosesu Ruma
Bainhira
objetu ka sasan ne’ebé manas hatama iha be’e malirin, tuir mai, temperatura objetu nian
komesa sai menus ka reduz, be’e ne’ebé malirin ninia temperatura aumenta hodi atinje equilíbrio
térmico. Ida
ne’e hatudu katak objetu ne’ebé manas husik ka liberta energia kalor, no be’e
malirin simu energia kalor husi be’e ne’ebé manas, energia kalor ne’ebé
liberta ne’e la lakon maibe’e absorve tiha husi be’e malirin, aprova liu husi indikasaun be’e ninia
temperatura sai aumenta.
Ho akordo lei konservasaun enegia katak total kalor ne’ebé liberta husi objetu manas hanesan deit ho kalor ne’ebé absorve husi objetu malirin, laiha troka kalor ho meio ambiente. Ida ne’e proposta husi sr. Joseph Black (1728-1799), conhecido ho Princípio Black, hodi hakerek tuir iha ekuasaun.
Qfo (fornese) = Q simu
Kuando mistura substâncias rua, kuantidade kalor ne’ebé liberta husi substâncias ne’ebé temperatura hanesan deit ho kuantidade kalor ne’ebé simu husi substâncias ne’ebé ninia temperatura baixa. Lei konservasaun energia ida ne’e só aplika deit ba sistemas taka metin ka la nakloke a’an (fechado).
a.
Kalorímetro
husi alumínio,
b.
Kalorímetro
eléktriko, utiliza para determina kalor espesífiku be’en
(líquido),
c.
Kalorímetro
bomba, utiliza hodi determinkuantidade energia alimentasaun ka aihan no
ninia bokur (gordura).
Kestaun no Solusaun
Kalorímetro ida
ho ninia
kapasidakalor mak 500 J/ºC, iha kalorimetru ne’e existe gelo 100 g ho
temperatura 0 oC. Se
kalorímetro
ne’e ita ense tan be’e 100 gramas ho temperatura 60 oC. Kalkula temperatura final misturasaun nian!
Usa princípio Black
QFornece = Q Simu
Q4 = Q1
+ Q2 +Q3
Mbe’e cbe’e ΔT4 = ck
ΔT + mgelo Lf + mgelo cbe’e ΔT
(0,1) (4.200) (80-Tx) = 500 (Tx – 0)+ (0,1) (334.000)
+ (0,1) (4.200)Tx – 0)
420 (80 – Tx) = 500 Tx
+ 33400 + 420 Tx
(420
x 80) – (420 x Tx) = 500 Tx + 33400 + 420 Tx
33600 – 420 Tx = 920 Tx
+ 33400
33600
– 33400 = 920 Tx + 420 Tx
200 = 1340 Tx
Tx = 0,149
oC.
Kestaun atu Resolve
Gelo 100 gramas
ninia temperatura 0 °C mistura ho be’e
50 g ninia
temperatura mak 10 oC. Kalkula
massa gelo ne’ebé nabe’en!
Existe tipos tolu iha estados ba matéria, hanesan tós (sólido),
be’en
(líquido), no
gásoso
(gás). Bainhira materia ou substância ida simu
energia kalor, nia hetan
mudansa estado ba ninia matéria,
atu
klaru litan mai ita ba hare esquema
iha
kraik.
Informasaun
a.
Fusaun
katak alterasaun estados matéria husi sólido ba be’en
(líquido).
b.
Solidifikasaun katak
alterasaun
estados matéria husi be’en
(líquido) ba sólido.
c. Vaporizasaun
katak alterasaun estados matéria husi be’en
(líquido) ba gásoso.
d. Liquefaksaun
katak alterasaun estados matéria husi gásoso ba be’en
(líquido).
e.
Sublimasaun
katak alterasaun estados matéria husi sólido
ba gásoso.
f. Kondenzasaun katak alterasaun estados matéria husi gassoso ba sólido.
Tuir esquema iha leten afirma katak, iha kalor fusaun, vaporizasaun no sublimasaun, simu energia kalor. Maibe’e iha prosesu solidifikasaun, kondensasaun,no liquifaksaun husik ou liberta energia kalor.
Tuir base
kalor ne’ebe
simu ou husik durante prosesu mudansa
estados ba matéria sira, satisfaz ho ekuasaun:
Q = m. L
Q = kalor necessária (presisa/liberta)
(J, cal)
m = massa substância (kg)
L = kalor latente (kalo transformasaun)
(J/kg, cal/g)
Se kalor espesífiku husi gelo mak 0,5 cal/gr oC, para eleva
ou hasae 800
gramas gelo ho temperatura -12 oC ba 0 oC. Mais ou menus energia kalor hira mak
presija?
Cgelo = 0,5 cal/gr oC
mgelo
= 800 gr
ΔT = 0oC – (-12)oC
=12 oC
Q = mgelo cgelo . ΔT
= (800) (0,5) (12) = 4,80 x 103
Entaun, kalor nebe nesesária
ou presisa hamutuk 4,80 x 103
cal.
Kestaun no Solusaun 2
Chaleira elétrika
ida (buli chok) cho ninia espesifiko mak 50 W utiliza hodi nono be’e 225 g. Durante minutu 3
interruptor (saklar)
ne’e liga fontes eletrika (ddp), be’e ninia temperatura aumenta husi 17 ºC ba
37ºC. Se energia elétrika total hodi converte ba energia kalor hodi hamanas be’e (efisiensia chaleira 100%), kapasidade kalor
be’e nian iha J/K?
Solusaun
potência, P = 50 W
Tempo, t = 3 min = 180 s
ΔT = 37 oC -1 7 oC = 20 oC
Kalor ne’ebé
mai husi energia elétrika, signifika:
Q = P t = (50) (180) = 9000 J
Kestaun no Solusaun 3
Wainhira ita
hakarak nono be’e ho eletrisidade hakarak ou lakohi ita tenki hola energia
eletrika, por exemplo, ita hamanas be’e 10
litros ho
temperatura 20 ºC ba 100 ºC. Kuando kada kusto husi 1 KWh ho valor
osan $ 0,50. Bainhira be’e nakale ka atinji ninia pontu ebulisaun, ita presija
osan hira?.
1 kWh signifika kilo watt hora
1 kw = 1,000
W, no 1 hora = 3600 s
1 kWh = (1 kW)
(1h)
=
(1000 W) (3.600s)
1 kWh = 3600000
J
10
litros be’e = 10 kg, cbe’e = 4200 J / kgoC
ΔT = 100 oC – 20oC
= 80oC
Q = m C ΔT
= (10) (4,200) (80)
= 3360000
Massa husi cobre (riti) baluk ida mak 100 g, ho temperatura inicial 95 °C hatama (hamonu) ba iha be’e ho massa 280 gr iha recipiente laran ho forma alumínio. Temperatura inicial husi recipiente no be’e nian mak 15 oC. Temperatura final sistema (prosesu misturasaun) nian hira? (Kalor espesífiku cobre 390 J/kg no kalor espesífiku alumínio 900 J/kg K). Kestaun ida ne’e bele deskrisaun hanesan tuir mai ne’e.
|
Cobre (riti) |
Be’e |
Alumínio |
|
m1 = 100 gr
= 0,1 kg C1 = 390 J/kg K T1 = 95o |
m2 = 200 gr =
0,2 kg C2 = 4.200 J/kg K T2 = 15oC |
m3 280g =
0,28 kg C3 = 900 J/kg K T3 = 15oC |
Hare’e ba kestaun refere iha leten, ida ne’ebé liberta kalor mak cobre baluk ida, ida ne’ebé simu kalor mak be’e no recipiente ho forma alumínio. Iha ne’e, ita bele kalkula temperatura final sistema nian, usa lei konservasaun energia (o princípio de Black);
Qoferese = Qsimu
Q1 =
Q2 + Q3
m1 .
c1 . ΔT1 = m2 . c2 . ΔT2
+ m3 . c3 . ΔT4
(0,1) (390) (95
– x) = (0,2) (4200)(x – 15) + (0,28) (900)(x – 15)
39 (95 – x) =
840 (x – 15) + 252 (x – 15)
39 (95-x) =
1.092 (x – 15)
13 (95 – x) =
364 (x – 15)
1.235
– 13x
= 364x – 5.460
6.695 = 377x
x
= 17,7 oC
Neduni,
temperatura final iha sistema
mak (x = 17,7 oC)
Dilatasaun
Geralmente, substância sólida, líquida, no gásosa halo expansaun (dilatasaun) kuando halo manas (hamanas) no halo arrefecimento bainhira sai malirin, exepto be’e.
Dilatasaun sólido
Dilatasaun akontese depende fatores tolu, hanesan, tamanho inisial husi objetu, karkterístikas material, no mudansas temperatura husi objetu ne’e rasik. Dilatasaun sólidos ne’e konstituídos husi dilatasaun komprimentu (naruk), dilatasaun superfisial (luan), no dilatasaun volumétrika (volume).
Dilatasaun Komprimentu (naruk) ka Linear
Exemplo iha fio ida ho ninia komprimentu (naruk) inicial Lo no temperatura inicial To, wainhira hamanas nia temperatura aumenta ba T. Nune’e dilatasaun komprimentu (naruk) ba sólido, depois hetan manas aplica fórmula tuir mai ne’e:
Lo = komprimentu (naruk) inicial objetu (cm)
Lf = komprimentu (naruk) objetu nian depoi halo dilatasaun (cm)
ΔL = L - Lo = variasaun ba ninia komprimentu (naruk) (cm)
α = Koefisiente dilatasaun térmica ba komprimentu (naruk) objetu nian (oC-1 e K-1)
ΔT = variasaun temperatura (oC)
Koefisiente dilatasaun komprimentu (naruk) ba materiais ka objetu ida ho ida seluk sempre diferente. Por exemplo aluminiu, ninia koefisiente dilatasaun maior do que besi ho vidro.
Dilatasaun Superfisial (luan)
Dilatasaun superfisial (luan) husi material sólidos katak, material refere simu energia kalor. Durante prosesu nia laran, material ida hetan mudansa ba ninia luan, bele aumenta sai luan ou hamenus sai klo’ot, nune’e bele aplika fórmula:
ho:
Ao = Area husi material sira
bainhira akontese dilatasaun (cm2)
A = área inicial (cm2)
ΔA = A - Ao = variasaun area superfisial (luan) (cm2)
β = koefisiente dilatasaun térmica superfisial (luan) (oC-1 ou K-1)
ΔT = T - To = variasaun temperatura
(°C ou K)
Dilatasaun Volumétrika (volume)
Vo = volume inicial material (m3)
ΔV = V
- Vo = variasaun volumes material (cm3)
γ =
koefisiente dilatasaun volumetrika (oC-1 ou K-1)
ΔT = T - To = variasaun temperatura (°C ou K)
Kestaun no Solusaun 1
Fio ida ho ninia komprimentu (naruk) inicial mak 2 cm,
temperatura inicial 20°C.
Bainhira
sunu ninia temperatura sae to
70oC. Se for fio ninia koefisiente dilatasaun komprimentu (naruk) mak 10-5 oC-1,
Kalkula:
a.
Variasaun komprimentu (naruk) fio nian!
b.
Komprimentu
(naruk) depois
sunu!
Solusaun
a.
Δl = lo α ΔT
=
2 (10-5) (70 – 20)
=
10-3
= 0,001 m
b. L = lo + Δl
=
2 + 0,001
=
2,001 m.
Kestaun atu Resolve
1. Plaka metal ida, inicialmente ho ninia área mak 2 cm2, depois sunu (hamanas), ninia medida aumenta ba 2,002 m2. Se koefisiente dilatasaun metal nian 5 x 10-6 °C-1. Kalkula variasaun temperatura iha plaka ne’e!
2. Be’e ho ninia volume mak 0,6 m3, ninia temperatura 5 °C. Volume be’e aumentou ba 0,610 m3 ho ninia temperatura 30 oC. Kalkula volume be’e kuandu ninia temperatura aumenta ka sae to 80 °C!
Dilatasaun be’en (líquido)
Iha estadu be’en
(líquido) so akontese dilatasaun ba volume ou espasu deit. Ida ne’e ita bele hare’e
ka eksperiensia bainhira ita nono be’e. Wainhira be’e sei malirin ninia volume
ki’ik, maibe’e kuandu nakale ona ninia volume mos aumenta sai bo’ot. Ita bele sura be’e ninia volume depois halao hela
dilatasaun ho formula tuir mai ne’e.
Iha estado be’en (líquido), kuandu temperatura sae, ninia volume mos aumenta kedas, enkuanto ninia massa permanece ka nafatin (la muda). Ho konsekuensia mak densidade matéria diminui. Densidade be’en (líquido) depois dilatasaun formulado
ρ = densidade
substância depois dilatasaun (g/cm3)
Hafoin mensiona, dilatasaun
be’e iha
ninia privilégio. Previlégio ida ne’e
ita hanaran anômalo be’e.
Ita estuda tiha ona kona ba dilatasaun sólido, dilatasaun líquido, oinsa ho dilatasaun gás? Gás ne’ebé existi iha espasu confinado (espasu metin) mos iha grandeza sira ne’ebé atu bele sukat diretamente mak hanesan, presaun, volume no temperatura. Koefisiente volume ba tipus gás hotu-hotu sempre hanesan:
Bainhira
ita atu kopriende didiak kona ba dilatasaun gas, uluk nanai ita tenki
kumpriende lei sira ne’ebé mak Mai
ita hare’e hamutk grandeza tolu ne’ebé iha relasaun ba malu mak hanesan tuir
mai ne’e!
a. Lei
Boyle Nian
Lei Boyle nian iha ne’e descreve liu ba iha dilatasaun gás ho ninia temperatura konstante (konhesidu ho prosesu isotermiku), iha gás, mesmo temperatura sempre konstante, maibe volume muda tamba iha mudansa ba presaun.
Ita hare’e iha imagem (a) ne’ebé nakonu ho gas, ninia presaun mak P1 no volume V1. Bainhira ita hanehan ka dudu embolu ka piston ne’ebé maka iha, ninia presaun ikus mak P2 no volume V2. Nune’e ita bele nota kedas katak volume gas iha imagem (b) diminui, maibe’e ninia presaun aumenta kedas. Ida ne’e ita bele halo direita ho seringa (daum sona ema moras) ou bomba bai-bain hodi bomba bola, ka pneu ka roda. Ninia expresaun matematika hakerek hanesan tuir mai ne’e:
P1 V1 = P2 V2 ka P . V = konstante
P = presaun gás (atm, N/m2, Pa
V = volume gás (cm3 ou m3)
a. Lei Charles ou Gay-Lussac
Lei Charles ou lei Gay Lussace esplika liu kona ba dilatasaun gás
ho presaun konstante (konhesidu ho prosesu isobariku), kuandu
gás ninia temperatura aumenta (bainhira kona manas) presaun konstante, ida ne’e ita bele
halo direita ho bulaun, bainhira ita hu’u ka hatama anin ba bulaun laran,
depois ita husi iha loron manas. Iha momentu ne’e temperatura aumenta gas ninia
volume mos aumenta, maibe’e presaun nafatin.
Ninia expresaun matematika hakerek hanesan tuir mai ne’e:
V
≈ T
a. Lei Presaun
Iha parte
seluk, lei presaun deskreve liu ba dilatasaun
gás ho volume konstante (konhesidu ho prosesu
isokhoricu),iha ne’e atu dehan
katak kuandu gás hetan manas ninia volume konstante, maibe’e ninia
presaun no temperatura hetan alterasaun. Ninia expresaun matematika hakerek hanesan tuir mai
ne’e:
Relasiona ho
deskrisaun husi lei tolu iha leten, ita halo kombinasaun fila fali sai ekuasaun
ida ne’ebé hanaran ekuasaun gás ideais ka lei Boyle-Gay lussac. Husi lei tolu
ne’e, sira ninia expresaun matematika hakerek
hanesan tuir mai ne’e:
Kestaun no Solusaun 1
Iha tubo ida nia laran existe gás
ho
ninia presaun mak presaun
6 x 104 Pa (pascal), temperatura 27 oC. Se temperatura gas aumenta ba 60
°C no
volume mantein konstante, presaun gás iha tubu nia laran
agora hira?
Solusaun
P1 = 6 x 106 Pa P2 = .. . . .
T1 = 273 + 27 = 300 k T2 = 60
+ 273 = 333 k
V2 = V1
Kestaun no Solusaun 2
Besi
lolon ida ninia temperatura
aumenta husi 0 oC ba 100 oC no komprimentu inicial 1m. wainhira besi ne’e sunu halo manas nini naruk aumenta
1 mm. Se
besi ne’e nia komprimento inicial 50
cm, aumenta
tan naruk hira kuando nia temperatura altera husi 0 oC ba 120 oC?
Solusaun
komprimentu
inicial 1 m
Lo = 1
m = 1000 mm
ΔL = 1 mm
ΔT = 100oC – 0oC = 100oC
uluk nanai ita
buka uluk lai besi ninia koefisiente
dilatasaun, liu husi ekuasaun
Lo = 50
cm = 500 mm
ΔT = 120 oC – 0 oC = 120 oC
ΔL = α L0 ΔT
= (10-5)
(500) (120)
= (10-5)
(6 x 104)
= 6 x 104-5
= 6 x 10-1
= 6 x 0,1 = 0,6 mm
Komprimentu besi ikus nian
maka 50 cm + 0,06 cm = 50,06 cm.
Kestaun no Solusaun 3
Besi
pedasuk ida ho ninia koefisiente dilatasaun
linear 10-5 /oC, ninia komprimentu
100 cm
no temperatura 30 oC. Kuandu komprimentu husi besi aumenta
ba 100,1 cm, entaun ninia temperatura
final
hira?
Solusaun
Dados;
α = 10-5/oC Lo = 100 cm To = 30oC L = 100,1 cm
Atu buka temperatura final ita usa ekuasaun dilatasaun
linear nian
L = Lo (l + α
(10-5) ΔT)
≈ 100,1 = 100 (1 + 10-5) ΔT
≈ 100,1 = (100 x 1) .(100 x 10-5) . ΔT
≈ 100,1 = (100 ) .((1x102 ) x 10-5)
. ΔT
≈ 100,1 = (100 ) .((1x102 ) x 10-5) . ΔT
≈ 100,1 = (100 ) .((1x102-5) . ΔT
≈ 100,1 = 100 (10-3) ΔT
Kestaun no Solusaun 4
Tubu
hosi vidro ida ninia temperatura
25 °C no volume 100
cm3. Tubo
ne’e
ita ense mercurio iha laran to nakonu.
Kalkula
volume mercúrio ne’ebé fakar kuandu manas ninia temperatura sae ba 120 °C. (koefisiente dilatasaun komprimentu
vidro
nian 3 x 10-6/k no koefisiente
dilatasaun volume mercúrio 5,4 10 -4/°C)
Solusaun
Tubos hosi vidro
kona ba merkuriu
Volume ne’ebé fakar
ΔV = ΔVa - ΔVk
= 4,59 – 0,0765 = 4,51 cm3
Mekanismu Transferensia
Energia Kalor
Kalor liu husi sasan ka
objetu ruma ne’ebé ninia temperatura mais alta ba objetu ruma ne’ebé ninia tempratura mais baixa. Existes formas tolu (3) transferensia kalor, hanesan, kondusaun, konveksaun no radiasaun.
a. Transferensia Kalor ho Forma Kondusaun
Husi imagem ne’e hatudu katak kalor iha ponto P ho ninia temperatura TP desloka pontu Q ho ninia temperatura mak TQ. Iha taxa kondusaun kalor ne’ebé deloka depende ba escala ha’at (4) hanesan:
a. Temperatura, kuando diferensia temperatura ΔT = T2 – T1 entre superfície rua maior ka bo’ot, prosesu transferensia kalor mos bo’ot ka lalais.
b.
Parede
nini
espesura ka mahar (d), ba parede ne’ebé mahar liu, transferensia kalor ne’e kleur (lento),
c.
Área
superfisial
(luan) (A), kuandu área superfície bo’ot,
prosesu
transferensia kalor lalais liu.
d.
kondutividade
térmica substâncias (k) mak medida kapasidade husi substância ruma konduz kalor, kuandu valor k bo’ot,
ninia
transferensia kalor mos bo’ot.
Kuantidade kalor (Q) ne’ebé liu husi parede ka buat ruma durante tempu t, ninia expressa matematika hakerek hanesan tuir mai ne’e.
Konveksaun
mak
prosesu transferensia kalor
husi sirkulasaun be’en
(líquido), kauja husi diferensia
densidade. Existe tipos tipu rua iha
prosesu konveksaun mak konveksaun natural no konveksaun
inventa.
A = area seksaun (m2)
Transferensia kalor ho forma radiasaun, transferensia kalor ida ho forma ondas elektromagnéticas. Hare ba definisaun ondas elektromagnéticas katak la necesita ka presija meio hodi halo propagasaun, então transferensia kalor ho forma radiasaun mos la presija meio hodi propaga, no bele propaga liu ka atraves husi vácuo (zona livre husi ar).
Exemplos husi radiasaun mak transferensia kalor husi loron-matan to
iha rai, refrigerasaun (halo malirin
iha uma, aquecimento iha forno (oven), efeito
de estufa. Por exemplo, objetu ho ninia temperatura
T no
area superfície A. Transferensia kalor ho forma radiasaun ita bele hakerek
ninia expresaun matematika tuir lei Stefan-Bolzman
hanesan
tuir mai ne’e.
σ
= konstante husi Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8W/m2K4
Ekuasaun ne’e somente válida ba objetu perfeitamente ko’or metan. Bainhira aplika ba kada substância, entaun ekuasaun Stefan-Bolzman hakerek hanesan tuir mai ne’e:
e = emisitividade ho 0 to 1(0 ≤ e ≤ 1)
Deslokamento de Wien
Kualkuer temperatura husi objetu ruma, nia emite radiasaun tuir ninia frequência. Maibe’e, existe mos zona balun ne’ebé emite ho intensidade máxima. Zona sira, sempre iha variasaun ba ninia temperatura, halo deslocamento ho frequência bo’ot tebes, no menor nia laloran naruk (comprimento de onda), medida ka valor temperatura husi objetu refere sai aumenta. Fenómeno ne’e, conhecido ho deslokamento Wien, ne’ebé estabelece iha 1893, husi físico Alemão Wilhelm Wien.
Ho nune’e, lei deslokamento Wien estabelece katak laloran naruk iha verifikasaun ba potência máximu radiasaun ne’ebé emite husi objetu inverssamente proporciona ho temperatura absoluta ne’ebé determina tuir mai ne’e;
λmax =laloran naruk ne’ebé koresponde ho intensidade maxima radiasaun ne’ebé emite,
T = temperatura superfície radiante, medida iha K.
Kestaun no Solusaun 1
Iha
kuartu ida kompletu ho ar condisionado (AC), janela kuartu nian monta
ho vidro, ninia luan 2,0 m x
1,75 m,
ninia mahar 3,2 mm.
Se temperatura superfície interior vidro nian ka husi
parte laran mak 25
°C temperatura superfície exterior vidro ka liur
mak
31 °C. Kalcula taxa
ka
modulo kondusaun kalor husi liur ba kuartu
laran ka interior
(kondutividade térmica de vidro,
k = 0,8 W/m K).
Solusaun
A = 2,0 m x
1,75 m = 3,5 m2
d = 3,2 mm = 3,2 x 10-3 m
k = 0,8 W/m
K
ΔT = 31oC
– 25oC = 6oC
Modulo taxa kondusaun kalor hamutuk 5250 W, katak iha Segundo 1 nia liberta ka husik energia 5250 J ba ambiente.
Kestaun no Solusaun 2
Bronze
no riti baluk ida-idak ho ninia área seksaun
transversal no naruk hanesan, sira ninia rohan ka extremidade halo ligasaun ka kona malu.
Temperatura extremidade livre bronze
nian
250 °C, enkuanto temperatura extremidade livre riti nian
100 oC. Se koefisiente
kondusaun kalor riti no
bronze, tuirmalu, de 0,12 e 0,24 cal/s cm, temperatura husi ponto contakto ka kona malu hamutuk hira?:
Solusaun
Bronze : T1 = 250oC
k1
= 0,12 cal/s cm
Riti : T2 = 100oC
k2 = 0,24 cal/s cm
ho: L1 = L2 e A1 = A2
Temperatura husi ponto contakto ka kona malu hamutuk 150 oC.
Kestaun no Solusaun 3
Fio incandecente (filament) lampu ampolas ho ninia area mak 50 mm2 emite radiasaun energia ho ninia potência 2,835 W. Se filamento bele considera sasan metan perfeito (corpo negro perfeito), temperatura superfície husi lampu ampolas ne’e hira?
Solusaun
A = 50 mm2
= 50 x 10-6 m2
e = 1(Konsidera
ho sasan
metan perfeito)
σ
= 5,67 x 10-8 W m-2
K-4
2,835 = (1) (5,67 x 10-8) (50 x 10-6)
T4
2,835 = (2,835 x 10-12) T4
T4 = 1012
T = 103 = 1000 K
Temperatura superfície lampu ampolas mak 1.000 K.
Kestaun no Solusaun 3
Sasan rua A e B halo kontaktu, ida-idak ninia temperatura
mak 37oC no 5000 oC.
Indika:
a.
Se
laloran naruk correspondente ba potência máxima no radiasaun husi sasan A maior,
menor ou hanesan deit laloran naruk correspondente ba potência máxima no
radiasaun husi sasan B.
b.
Zona
espectro electromagnético bainhira nia laloran naruk correspondente ba potência
máxima no radiasaun husi sasan B.
Solusaun
a. Maior
Sasan A ho ninia temperatura menor, husi lei deslokamento
Wien, emite preferencialmente radiasoeñs ho maior laloran naruk (menor energia). Tuir lei Wien nian
Substitui T ho
(5000 + 273,15) K = 5273,15 K
Objetu ida ho área superfície mak 1,4 m2 no koefisiente emisitivitas 0,85. Se objetu ne’e ninia temperatura 37 oC lokaliza iha aula ida nia laran ho temperatura 20oC. Kalkula kuantidade kalor iradiasaun durante minuto ida!
Solusaun:
A = 1,4 m2
e
= 0,85
σ
= 5,67 x 10-8 W/m2K4
Tobjetu = 37 °C = 310 K
Taaula = 20oC = 293 K
Q
= e σ A t T4
= (0,85) (5,67 x 10-8) (1,4)
(3104-2944) (60)
= 7550,87 J
= 7,55 kJ.
Temperatura
superfisial husi objetu ida mak 600 oC. Calkula laloran naruk maximu
tuir lei delokamento wien.
Solusaun
T
= 600 + 273 = 873 K
k
= 2,898 x 10-3 mK
TERMODINAMIKA
Termodinamika mak parte ida husi siensia físika ne’ebé estuda no fo atensaun liu ba iha energia prinsipalmente energia kalor ka manas ho ninia transformasaun. Iha termodinamika ita fahe ba parte rua, ida deskrisaun macroscópico no ida seluk mak ida deskrisaun.
Portantu, possível estuda komportamentu ka lalaok iha sistema termodinâmika através husi valores propriedades hanesan temperatura, dimensaun sasan ka objetu, presaun, ne’ebé traduz efeito global husi interaksoeñs milhões particulas, la preokupa halo identifikasaun ba saida mak akontese kada ida-idak ka individualmente. Ne’e ita hare (liafuan makroskópico) tenki adapta. Iha termodinamika ita estuda lei tolu mak hanesan lei zero, primeira ou lei dahuluk, no segunda lei termodinamika.
1. Lei Zero Termodinamika
Sistema rua iha
estado quilíbrio termico ho terceiro, sistema rua ne’e mos iha estado
equilivrio termico ba malu. Iha termodinamika
existe mos
termos rua mak
inter-relacionados, hanaran,
sistema no meio ambiente. Sistema mak gás ne’ebé iha objetu ruma ho volume
taka
metin, enkuanto objetu ruma sai ou se’es
husi sistema hanaran meio
ambiente.
a. Equilibrio Kalor ho Energia
Estado iha Sistema ida. Iha sistema termodinamika,
iha ideia importante ida mak tenki mantein, mak sistema no ambiente, hanesan nosaun estado
termodinamico.
Konsidera
sistema ida constituído husi massa ar balun iha seringa laran. Sistema okupa
volume balun, temperatura no presaun determinada. Valorer grandezas tolu ne’e caracteriza
estado sistema nian.
Prosesu. Prosesu mak modo ne’ebé sistema transita estado ida ba ida seluk. Durante prosesu, sistema sofre transformasoeñs caracterizadas husi variasaun ida ou liu husi propriedades sira.
Energia. Energia la bele kria ou destruí, mas bele converte ka transforma husi forma id aba forma seluk ( lei konservasaun enegia). Iha ne’e kalor hanesan forma energia. Ekuivalensia entre energia ho kalor expressa hanesan tuir mai.
1 kaloria = 4,186 joules ≈ 4,2 Joule
1 joule = 0,24 kalorias
b. Gás simu trabalho husi ambiente
Forsa ruma ( F) ne’ebé fornese husi êmbolo (piston) ho ninia área seksaun transversal (A), hodi hanehan gás iha espasu limitadu P, define ho
F = P A
W = PA (h2
– h1)
Purtantu, Ah = V, entaun:
W = P (V2
– V1)
V1 = volume inicial (m3)
V2 = volume final (m3)
ΔV = variasaun volume (m3)
W = trabalho
externo
realiza husi gás (J)
P = presaun husi gás (N/m2)
Kuandu:
W > 0 → gás (sistema) realiza trabalho (V2 > V1)
W < 0 → gás (sistema) simu trabalhos husi ambiente (V2 < V1)
Trabalho iha prosesu termodinamika. Jeralmente ita estuda ona trabalho ne’ebé halo ona husi sistema ida. Tuir mai, agora, ita ba define prinsipalmente trabalho realiza iha sistema termodinamika, hanesan prosesu isotermiku, prosesu isobariku, prosesu isokhoriku, no prosesu adiabatiku.
Prosesu Isotérmiku. Mak transformasaun ba kondisaun sistema ida ho temperatura konstante. Tabalho
ne’ebé raliza husi sistema, uluk nanai ita ba define presaun hanesan funsaun volume baseia ba kondisaun gas ideais
Iha prosesu isotermiku, prosesu kompresaun gás husi sistema neneik los, ho modo mantein constantamente equilíbrio térmico ho ambiente. Trabalho husi gás (W) ne’ebé proporcional ho área iha kurva.
Kualquer transformasaun
sofre husi sistema gásoso iha recipiente fechado ka taka metin hanaran
iskhorico, tan ne’e volume iha sistema sempre hanesan deit ho volume recipiente
nian.
W = p ΔV = P (0) = 0
a. Prosesu isobariku (transformasaun ho presaun konstante)
Kualquer aquecimento (hamanas) ou arrefecimento (halo malirin) sasan ruma, ne’ebé realizado kontaktu ho atmosfera, hanesan prosesu isobárico, durante transformasaun valor presaun iha sistema sempre hanesan ho valor presaun atmosférica nian
a. Prosesu Adiabatiku
Mak prosesu transformasaun kondisaun sistema la iha prosesu troka kalor entre sistema ho ambiente. Em geral, prosesus neneik.
T1V1(γ-1)
= T2V2 (γ-1)
Ho γ >
1, hanesan resultadu husi komparasaun kapasidade kalor gas nian iha presaun
konstante CP ho kapasidade kalor gas ho volume konstante CV,
tuir mai hanaran konstanta Laplace.
Valor komparasaun ne’e hakerek ho ekuasaun:
CP = kalor
espesífiku gás ho
presaun konstante
CV = kalor
espesífiku gás ho
volume konstante
Determin Trabalho Externo ho Grafiku
Trabalho exterior ne’ebé realizado
husi gás ho presaun la konstante
bele expressa ho diagrama
pV, hanesan:
W = P ΔV ka = P (V2 – V1)
a) Prosesu diresaun ba lima karuk valor V2 < V1), signifika W negativo, katak sistema
simu trabalho husi ambiente
W = - P ΔV
W = - P (V2 – V1)
Prosesu 1- 2 → W = 0, katak prosesu ho volume konstante
Prosesu 2 - 3
→ W =
Positivo, katak prosesu ho presaun konstante, volume aumenta
Prosesu 3 - 4
→ W = 0,
katak prosesu ho volume konstante
Prosesu 4 - 1
→ W =
Negativo, katak prosesu ho presaun konstante volume diminui
Wtotal
= ΔP x ΔV = (P2 – P1) x (V2 –
V1)
Primeira Lei Termodinamika
Kontekstu prinsipal iha primeira lei termodinamika mak principio konservasaun energia. Iha
kontekstu ne’e bele afirma katak iha sistema ida kria ou konsumu energia, maibé
armazen kaa rai hela ou transfere ba meio balo bainhira iha kontaktu. Ida ne’e
atu dehan katak wainhira iha prosesu ida, se kuandu kalor (Q) ne’ebé oferese ba
sistema no sistema halo ninia trabalho ho modulu W, sei hamosu mudansa ba
energia interna sistema nian.
ΔE = Q – W ou Q =
ΔE + W
Q
= kalor
simu (recebe) ou
husik
(liberta) husi
sistema (J)
W = trabalho husi liur realiza
ba sistema (J)
ΔE = mudansa energia interna (J)
Nota
Q positivo, signifika sistema
simu kalor husi ambiente
Q negativo, signifika sistema liberta kalor ba ambiente
W positiva, signifika sistema
realiza
ka halo trabalho ba ambiente
W negativo, signifika sistema
simu trabalho husi ambiente
ΔE positivo,
signifika akontese aumenta
energia interna
iha sistema
ΔE negativo, signifika akontese diminuisaun
energia interna
iha sistema
Prosesu
Isotermiku. Iha prosesu ida ne’e laiha mudansa ba ninia temperatura
(ΔT = 0), ho nune’e
mudansa energia interna, entaun nia ekpresaun matematika hakerek hanesan tuir
mai ne’e
Kapasidade Termika Gás. Kapasidade térmica gas katak kuantidade kalor necessária ou presisa Q hodi eleva ka hasae temperatura gás ho montante 1 K.
Q = kuantidade kalor ne’ebe simuo (J)
ΔT = variasaun temperatura gás nian (K)
C = kapasidade térmica gás (J/K)
Kapasidade termika iha tipo oin rua mak hanesan:
a. kapasidade termika ho volume konstante (CV)
b. Kapasidade kalor ho presaun konstante (CP)
Siklu serie ida husi posesu
hahu
estado inicial no terminando ho ninia estado inicial fila fali. Siklu hanesan ne’e hetan deskobrimento
husi Sadi Carnot (1796 - 1832). Ikus mai konhesidu ho siklu Carnot. Siklu ne’ebé
Carnot apresenta iha prosesu termodinamika mak hanesan iha imagem ne’e.
Siklu Carnot konsiste iha prosesu ha’at mak hanesan tuir mai ne’e :
a. Prosesu dilatasaun isotérmiku (A ba
B ),
iha prosesu ida ne’e sistema absorve
ka
simu kalor ho modulo Q1 hodi converte fali ba
trabalho W1.
b. Prosesu
dilatasaun
adiabátika
(B ba C), iha prosesu ida ne’e sistema realiza trabalho W2.
c. Prosesu kompresaun isotérmica (C ba D), iha prosesu ida ne’e sistema liberta kalor Q2.
d. Prosesu kompresaun adiabatiku (D ba A). iha prosesu ida ne’e sistema la realiza trabalho.
Liu husi esplikasaun ne’e, hodi define
katak bainhira iha motor (mesin)ida
ideal tebes ho ninia efisiensias masimu mak motor ne’ebé uja siklu Carnot.
Tamba prinsipio trabalho husi maina ne’ebé uja siklu Carnot nian apa’ar ho
Embora
efisiensia motor Carnot bele mos expressa ho modo tuir mai ne’e
Ho:
Q1 = kalor ne’ebé oferese ba gás
husi reservatório alta temperatura, T1
Q2 = kalor ne’ebé oferese gás husi reservatório baixa temperatura (T2)
W = trabalho realizado husi motor Carnot (J)
T1 = temperatura husi reservatório
alto (K)
T2 = temperatura husi reservatório baixo (K)
Efisiensia husi motor Carnot nunka atinge 100 % (sempre menor). Ciclo Carnot hanesan ciclo teórico (ideal), maibe iha prática iha moos tipos siklu seluk mak siklo otto no siklo diesel.
b.
Ciclo
Otto,
siklu ida ne’e bai-bain uza ba motor sira ne’ebé uza gasoline, hanesan gerado, motor
roda rua no motor roda ha’at (r, mikrolet, taxi) bai-bain siklu ida ne’e uza
deit hodi produs motor ka mesin ho kapasidade ki’ik (CC ki’ik). Prosesu ne’ebé
konsiste iha siklu otto mak:
1
. Prosesu adiabatiku no
2.
prosesu
Isohoriku
Ciclo Diesel, siklu ida
ne’e bai-bain uza ba motor sira ne’ebé uza gasoelo, hanesan gerador bo’ot,
motor roda ha’at ka liu (mikrolet, mini truk, truk, bus, escavator na kareta
bo’ot seluk tan) bai-bain siklu ida ne’e uza deit hodi produs motor ka mesin ho
kapasidade bo’ot (CC bo’ot). Prosesu ne’ebé konsiste iha
siklu diesel mak:
a. Prosesu Adiabatiku
b. Prosesu Isobariku e
b. Prosesu Isohoricu.
Segunda
Lei Termodinamika
Baseia ba lei
primeira lei termodinamika katak energia ne’e eterna, katak labele kria no
labele destrui, maibe so bele transforma ka altera husi forma ida ba forma
selu. Bainhira ita kaer metin ba lei husi primeira termodinamika nian mak ita
bele transforma husi forma energia ida ba forma energia seluk tuir ita hakarak,
maibe prinsipalmente mak tuir lei konservasaun energia nian. Ho nune’e iha
segunda lei termodinamika nian halo limitasaun ba mudansa energia ne’ebé bele
akontese ou energia ne’ebé labele akontese. Ho razaun sira ne’e iha formulasaun
rua husi Kelvin-Planck ho Claussius segunda sei lori ita atu hatene didiak kona ba lei
termodinamika.
a. Fórmulasaun Kelvin-Planck
Kelvin-Planck halo ninia formulasaun dehan "labele halo makina ka motor ida mak konverte kalor kompletu sai trabalho. Iha hanoin seluk katak laiha motor ida mak ninia efisiensia ne’e possível de 100%.
b. Formulasaun Claussius
Liu
husi Claussius nia formulasaun katak impossível halo motor ruma mak
funsiona ho siklus balun ne’ebé uza kalor hus reservatoriu ho
temperatura baixa no oferese ba reservatoriu ho temperatura alta sem presiza
trabalho husi liur. Formulasaun ida ne’e uza hodi kria makina sira maka hanesan
tuir mai ne’e
Geladeira
(frefigerator)
Trabalho no efisiensia husi refrigerator defini hanesan tuir mai ne’e.
ho;
Q1 = kalor ne’ebé oferese ba gas husi alta temperatura, T1
Q2 = kalor ne’ebé oferese ba gas husi baixa temperatura, T2
W = trabalho ne’ebé realiza husi motor refrigerator
Kestaun no Solusaun 1
Gás ida experiensia prosesu isobariku. Inicialmente, volume gás 0,5 m3, tuirmai
halo comprimido,
nia volume
sai fali 0,3 m3 iha presaun de 105 N/m2. Kalkula
kuantidade trabalho externa hui gas!. . .
Solusaun
V1 = 0,5
m3
V2 = 0,3 m3
iha
prosesu
isobariku (presaun konstante),
W = p ΔV
W = p (V2
– V1)
= 105
(0,3 – 0,5)
= -0,2 x 105
= 2 x 104 J
Sinal menos (-) Signifika gás recebe ka simu trabalho husi ambiente.
Ho presensa
artigu ho titulo kalor no termodinamika
bele haklean
ta’an ita bo’ot nia konhesimentu.
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