TERMOLOGIA

Termologia (termo = calor, logia = estudo) é a parte da Física encarregada de estudar o calor e seus efeitos sobre a matéria. A termologia está intimamente ligada à energia térmica, estudando a transmissão dessa energia e os efeitos produzidos por ela quando é fornecida ou retirada de um corpo.

Temperatura é a grandeza que mede o estado de agitação das moléculas. Quanto mais quente estiver uma matéria, mais agitadas estarão suas moléculas. Assim, a temperatura é o fator que mede a agitação dessas moléculas, determinando se uma matéria está quente, fria, etc.

Existem várias escalas para se medir a temperatura de um corpo. Entre as mais usadas estão a Fahrenheit (ºF), Celsius (ºC) e Kelvin (K). A escala Celsius se baseia em duas temperaturas: o gelo em fusão (Ponto de Gelo – PG) e o vapor de água em ebulição sob pressão normal (Ponto de Vapor – PV).

Na escala Celsius o intervalo entre θv e θg é dividido em 100 partes iguais, enquanto que na escala Fahrenheit em 180 partes iguais.

Variação de Temperatura

Se a temperatura de um sistema variar, a variação lida na escala Celsius (ΔC) e a variação lida na escala Fahrenheit (ΔF) relacionam-se através de: 

Escala de Temperatura - KELVIN

É conhecida como Escala Absoluta ou Escala Kelvin.

Sendo a temperatura uma medida de agitação térmica molecular, a menor temperatura possível teoricamente corresponde à situação em que agitação cessa completamente.  Denomina-se ZERO ABSOLUTO esse limite inferior de temperatura.  Verifica-se que o mesmo corresponde a – 273 ºC. 

Denominamos ESCALA ABSOLUTA ou KELVIN a escala termométrica cuja origem é zero absoluto e cuja unidade, denominada Kelvin (K) tem a mesma extensão que o grau Celsius.

As indicações na escala Kelvin (K) e na escala Celsius (ºC) para o mesmo estado térmico, estão separadas sempre por 273 unidades.

Calor é a energia que flui de um corpo com maior temperatura para outro de menor temperatura. Em outras palavras: calor é energia térmica em trânsito. O termo calor só pode ser usado quando houver transferência de energia entre corpos.

Como sabemos a unidade de representação de qualquer forma de energia é o joule (J), porém, para designar o calor, é adotada uma unidade prática denominada caloria, em que 1 cal = 4,186 J. 

Caloria (símbolo cal) é uma unidade de medida de energia que não pertence ao Sistema Internacional de Unidades.  Porém, muito utilizada.

Por definição 1 cal é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água de 14,5 ºC para 15,5 ºC, sob pressão de uma atmosfera.

É comum verificarmos que o termo caloria não está presente apenas na Física Térmica. Outro dos lugares em que ela é bastante conhecida é o rótulo das informações nutricionais dos alimentos. Porém cabe uma ressalva importante: em termos nutricionais, uma caloria é a quantidade de energia gasta para elevar a temperatura de 1000g de água de 14,5 ºC para 15,5 ºC. O mais correto seria dizer que essa quantidade de energia equivale a 1000 vezes a quantidade de energia utilizada na Física, ou seja, 1kcal. Para contornar esse impasse, criou-se no meio nutricional, a quantidade Cal. Assim 1 Cal nutricional equivaleria a 1kcal em termos de energia na Física.

1 Cal = 1000 cal = 1Kcal

Equilíbrio térmico é o estado em que a temperatura de dois ou mais corpos são iguais. Assim, quando um corpo está em equilíbrio térmico em relação a outro, cessam os fluxos de troca de calor entre eles. Ex.: Quando uma xícara de café é deixada por certo tempo sobre uma mesa, ela esfriará até entrar em equilíbrio térmico com o ambiente em que está.

CALORIMETRIA

A calorimetria é a parte da física que estuda o calor.  Calor é energia em trânsito, ou melhor, é a energia fluindo de um corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

Em um sistema isolado, o calor é transferido do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura até que seja atingido o equilíbrio.

Propagação do Calor

A transferência de energia calorífera entre os corpos ocorre de três maneiras: condução, convecção e irradiação.

Condução

Na condução térmica a propagação de calor ocorre de corpo mais quente para o corpo menos quente por contato.

Convecção

Na convecção térmica a transferência de calor ocorre por meio das correntes de convecção que ocorre entre os líquidos e os gases, devido à divergente de temperaturas.

Irradiação

Na irradiação térmica a transferência de calor ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, de forma que ocorre sem que haja o contato entre os corpos.  Um exemplo: a irradiação solar que aquece o nosso Planeta Terra.

CALOR LATENTE

É relativa à quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo de modo que sua temperatura permanece constante, enquanto seu estado físico está se modificando.

No Sistema Internacional (SI), a dimensão do calor latente é J/Kg (Joule/Quilograma).

A quantidade de calor nesta fase de transição é expressa pela seguinte fórmula:

                                   Q = m_*L

Q = quantidade de calor

M = massa

L = calor latente

CALOR ESPECÍFICO

Este parâmetro depende somente da substância do corpo. 

No Sistema Internacional (SI), o calor específico possui a seguinte dimensão: J/Kg.K (Joule/Quilograma.Kelvin).

Calor Sensível

Corresponde à variação de temperatura de um corpo.  

No Sistema Internacional (SI), a dimensão do calor sensível é J/K (Joule/Kelvin)

A quantidade de calor é calculada pela seguinte fórmula:

                       

                        Q = m.c.Δθ

Q = quantidade de calor

m = massa

Δθ = variação de temperatura

CAPACIDADE TÉRMICA

A capacidade térmica (C), também chamada de capacidade calorífica, é uma grandeza que corresponde à quantidade de calor presente num corpo em relação à variação de temperatura sofrida por ele.

Tem-se a seguinte relação:

                        C = Q/Δθ, ou C = m.c

Sendo que:

C = capacidade térmica (cal/ºC, ou J/K)

Q = quantidade de calor (cal, ou J)

Δθ = variação de temperatura (ºC, ou K)

M = massa (g, ou Kg)

c = calor específico (cal/(g.ºC), ou J/(Kg.K))

Vamos ver um exemplo:

Se um corpo possui a capacidade térmica de 10 J/K (Joule/Kelvin), isto significa que quando ele receber ou ceder 10 J (Joule), sua temperatura aumentará ou diminuirá de 1 K (Kelvin).

Diferença entre CALOR ESPECÍFICO e CAPACIDADE TÉRMICA

A Capacidade Térmica (C), também chamada, muitas vezes, de Capacidade Térmica Mássica, é uma grandeza física que está relacionada com a quantidade de calor recebida (ou cedida) por um corpo e sua variação térmica.  Sendo assim, ele determina a quantidade de calor necessária para aumentar (ou diminuir) a temperatura de 1ºC de 1 g do corpo.

Diferente do calor específico que depende apenas da substância, a capacidade térmica depende da substância e da massa do corpo.

ENERGIA CINÉTICA DAS MOLÉCULAS e TEMPERATURA

A temperatura é uma grandeza física que está relacionada com a agitação das moléculas.   Sabemos que todos os corpos na natureza são formados por átomos, que unidos formam moléculas.

Quanto maior a temperatura de um corpo maior será a agitação das moléculas (energia cinética) presentes no corpo, porém, em um corpo mais frio, as moléculas apresentam pouca energia cinética (menor movimento).

A dimensão da temperatura no Sistema Internacional de Unidades (SI) é Celsius (ºC), Kelvin (K) ou Fahrenheit (ºF).

CONVERSÃO DE TEMPERATURA de FAHRENHEIT para CELSIUS E VICE-VERSA.

Da figura temos que:

Portanto,

PRINCÍPIOS DA CALORIMETRIA

a) Princípio de transformações inversas: a quantidade de calor que um corpo recebe é igual, em módulo, à quantidade de calor que um corpo cede ao voltar, pelo mesmo processo, à situação inicial.

b) Princípio do Equilíbrio Térmico: quando vários corpos inicialmente a temperaturas diferentes trocam calor entre si, e só entre si, observamos que alguns perdem enquanto outros recebem calor, de tal maneira que decorrido certo tempo, todos estacionam numa mesma temperatura, chamada temperatura de equilíbrio térmico.

c) Princípio da Igualdade das Trocas de Calor: quando vários corpos trocam calor apenas entre si, a soma das quantidades de calor que alguns cedem é igual, em módulo, à soma das quantidades de calor que os restantes recebem.

EQUILÍBRIO TÉRMICO

Em equilíbrio térmico, tem-se que:

onde Q = quantidade de calor.

FLUXO DE CALOR

O fluxo de calor é calculado como:

Sendo:

                        φ = fluxo de calor

                        Q = quantidade de calor

                        Δt = intervalo de tempo

Hidráulica-Ex.Resolvidos-2

Ex-01

Um tubo admite água (ρ = 1000 kg/m³) num reservatório com uma vazão de 20 litros/segundo.  No mesmo reservatório é trazido óleo (ρ = 800 kg/m³) por outro tubo com uma vazão de 10 litros/segundo. A mistura homogênea formada é descarregada por um tubo cuja seção tem uma área de 30 cm². Determine a massa específica da mistura no tubo de descarga e a velocidade da mesma.

Solução

Pela equação da conservação de massa em um escoamento em regime, tem-se:

Sabemos que:

Reescrevendo a determinação da vazão em função da velocidade média do escoamento e da área da seção formada pelo fluido, tem-se:

Ex-02

Considere o esquema de um cilindro de dupla ação:

A) Sabendo que a pressão P2 é de 8 bar, calcular a força aplicada no cilindro para ele retornar.

B) Qual a pressão (P1) em bar para manter o cilindro parado?

Solução

A) Terá que aplicar uma força maior que 1.424 N.

B) 

Ex-03

Em um prédio de apartamentos residenciais será instalado um sistema de bombeamento de água para elevar o volume de 18.000 litros (L) de água, em um tempo de 45 min.

O desnível entre o fundo do reservatório subterrâneo e o ponto de descarga no reservatório superior é de 36 m.

Considere:

g = 9,8 m/s² (aceleração da gravidade local)

μ_b = 0,8 (rendimento da bomba)

ρ_H2O= 1 Kg/l

• Qual a potência da bomba a ser instalada?

Solução

1) Vazão do fluxo (Q)

2) Potência (P)

Portanto,

Como comercialmente o valor é dado em CV:

Ex-04

Em um prédio de apartamentos residenciais será instalado um sistema de bombeamento de água para elevar o volume de 30 m³ de água em um tempo de 1 hora. Sabendo-se que o reservatório inferior está 10 m abaixo do nível da rua e o reservatório superior encontra-se no topo do prédio de 20 andares, sendo o pé direito de cada andar de 2,80 m. Dimensionar a bomba e fazer previsão de consumo de energia.

Solução

Consumo:

Ex-05

Dimensione o diâmetro (d) da tubulação de um sistema de bombeamento de água cuja bomba possui vazão Q=60 l/min. O tempo de trabalho diário da bomba é t=3 h (por dia).

Solução

Vazão da bomba (m³/s):

Diâmetro da tubulação (d):

Sendo Q = vazão do fluido (m³/s) e x = proporção de horas diárias de funcionamento da bomba.

Ex-06

Dada uma bomba para bombeamento de óleo cuja vazão Q = 100 l/s e o tempo de trabalho dessa bomba é de 8h/dia. Dimensione o diâmetro (d) da tubulação.

Solução

Vazão da bomba (m³/s):

Diâmetro da tubulação:

Ex-07 (COVEST-PE)

Se o fluxo sanguíneo não fosse ajustado pela expansão de artérias, para uma pessoa em pé a diferença de pressão arterial entre o coração e a cabeça seria de natureza puramente hidrostática. Nesse caso, para uma pessoa em que a distância entre a cabeça e o coração vale 50 cm, qual o valor em mmHg dessa diferença de pressão? (Considere a densidade do sangue igual a 10³ kg/m³ e a densidade do mercúrio igual a 13,6x10³ kg/m³).

Solução:

Aplicando o Princípio de Stevin:

Para calcular a pressão em coluna de mercúrio, basta calcular a pressão da coluna de mercúrio equivalente a ∆P.

Igualando as equações (1) e (2), tem-se:

Portanto, a diferença pressão (em mmHg) é ∆P = 36,76 mmHg

Outra maneira de resolver:

Caso a questão seja de múltipla alternativa, existe outro caminho talvez mais rápido, porém, tem que saber e adotar os seguintes dados: g = 9,8 m/s² (aceleração da gravidade) e 1 (N/m², PA) = 0,0075 (mmHg).

Equação (1): 

Ex-08 (UnB-DF)

Temos dois tubos cilíndricos, A e B de diâmetros D e D/4, respectivamente. Os cilindros formam um sistema de macaco hidráulico e os êmbolos são móveis. Considerando o sistema em equilíbrio e desprezando o peso dos êmbolos, ache a razão entre as intensidades das forças F_A/F_B. 

Solução:

Pelo princípio de Pascal, tem-se:

 Ex-09 (FUVEST-SP)

As esferas maciças A e B, que têm o mesmo volume e foram coladas, estão em equilíbrio, imersas na água. Quando a cola que as une se desfaz, a esfera A sobe e passa a flutuar, com metade de seu volume fora da água (densidade da água: 1 g/cm³).

A) Qual é a densidade da esfera A?

B) Qual é a densidade da esfera B?

Solução:

A) 

Esfera A em situação de flutuação na superfície da água.

Seja V o volume da esfera A.

B)

Ex-10

Um cilindro hidráulico de dupla ação contém, as seguintes características:

Área de avanço A₁ = 20 cm²

Área de retorno A₂ = 10 cm²

Curso do atuador S_at = 200 mm.

Calcular a força e velocidade que o atuador exerce no avanço e no retorno com uma pressão de trabalho (p) de 60 kgf/cm² e vazão (Q) de 5000 cm³/min.

Solução

No avanço

No retorno