Física: Termologia Fundamental

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Diferença entre calor e temperatura

Temperatura mede o grau de agitação molecular. Calor é energia térmica em trânsito motivada por uma diferença de temperatura entre corpos.

Equilíbrio térmico e Lei Zero

Ocorre quando dois corpos atingem a mesma temperatura e cessa o fluxo líquido de calor. A Lei Zero afirma que se A está em equilíbrio com B e C, B e C estão em equilíbrio entre si.

Conversão: Celsius para Kelvin

K = C + 273. Dica: Kelvin é a escala absoluta (SI) e nunca admite valores negativos.

Conversão: Celsius para Fahrenheit

C / 5 = (F - 32) / 9. Dica de prova: em -40 graus, as escalas Celsius e Fahrenheit marcam exatamente o mesmo valor numérico.

Relação entre variações de temperatura (ΔC, ΔF, ΔK)

ΔC / 5 = ΔF / 9 e ΔC = ΔK. Cuidado em questões: variação de 1 °C equivale numericamente à variação de 1 K, mas equivale a 1,8 °F.

Fórmula do calor sensível

Q = m . c . ΔT (Macete: 'Que macete'). Provoca variação de temperatura sem mudar o estado físico da substância.

Capacidade térmica (C)

C = Q / ΔT ou C = m . c. Mede a inércia térmica do corpo como um todo (unidade: cal/°C ou J/K).

Calor específico sensível (c)

Quantidade de calor para 1 g variar 1 °C. É característica da substância. Quanto maior o calor específico (ex: água = 1 cal/g°C), mais difícil é aquecer ou esfriar.

Fórmula do calor latente

Q = m . L (Macete: 'Que moleza'). Ocorre durante mudanças de fase com temperatura constante em substâncias puras.

Curva de aquecimento da água

Patamares horizontais indicam mudanças de fase (fusão a 0 °C e vaporização a 100 °C a 1 atm), onde calor é latente e temperatura não varia.

Princípio da conservação de energia térmica

Em sistemas termicamente isolados (calorímetros ideais): Σ Q = 0 (a soma de todos os calores cedidos e absorvidos é zero).

Condução térmica

Propagação de calor molécula a molécula, típica em sólidos. Não ocorre transporte de matéria e exige meio material para se propagar.

Lei de Fourier para fluxo de calor (Φ)

Φ = Q / Δt = k . A . ΔT / e. O fluxo depende da condutividade (k), da área de contato (A) e é inversamente proporcional à espessura (e).

Convecção térmica

Propagação por movimento de massas fluidas (líquidos e gases) devido a diferenças de densidade criadas pelo calor (ar quente sobe, ar frio desce).

Exemplos de convecção em provas

Ar-condicionado instalado no alto, congelador no topo da geladeira e formação de brisas marítimas (dia) e terrestres (noite).

Radiação (ou irradiação) térmica

Propagação por ondas eletromagnéticas (principalmente infravermelho). É o único processo de transferência que ocorre no vácuo (ex: calor do Sol).

Dilatação térmica linear

ΔL = L0 . α . ΔT. Onde α é o coeficiente de dilatação linear. Aplica-se ao comprimento de barras, trilhos e fios.

Dilatação térmica superficial

ΔA = A0 . β . ΔT. Relação com coeficiente linear: β = 2α. Aplica-se a placas, folhas e chapas finas.

Dilatação térmica volumétrica

ΔV = V0 . γ . ΔT. Relação: γ = 3α. Aplica-se a sólidos tridimensionais e fluidos.

Comportamento anômalo da água

Entre 0 °C e 4 °C, a água se contrai com o aquecimento em vez de expandir, atingindo densidade máxima a 4 °C. Isso permite o congelamento apenas superficial de lagos.

Dilatação aparente de líquidos

ΔV_real = ΔV_aparente + ΔV_recipiente. O líquido geralmente dilata mais que o recipiente que o contém, provocando transbordamento.

Dilatação de orifícios e furos

Orifícios em placas dilatam como se fossem preenchidos pelo mesmo material da placa (se a placa se expande, o buraco também aumenta de diâmetro).

Lâmina bimetálica

Duas tiras de metais coladas com coeficientes α diferentes. Ao aquecer, curva-se para o lado do menor α; ao esfriar, curva-se para o lado do maior α.

Trabalho termodinâmico em transformações isobáricas

W = P . ΔV. Se o gás expande (ΔV > 0), o gás realiza trabalho positivo; se é comprimido (ΔV < 0), recebe trabalho.

Cálculo gráfico do trabalho de um gás

Em qualquer diagrama Pressão vs Volume (P x V), o trabalho realizado pelo gás é numericamente igual à área sob a curva do gráfico.

Primeira Lei da Termodinâmica

ΔU = Q - W. A variação da energia interna de um sistema decorre do calor trocado com o meio menos o trabalho por ele realizado.

Energia interna (U) de um gás monoatômico ideal

U = (3/2) . n . R . T. A energia interna depende unicamente da temperatura absoluta do gás: se ΔT = 0, então ΔU = 0.

Transformação Isotérmica (Lei de Boyle)

Temperatura constante (T = cte, ΔU = 0). Portanto, pela Primeira Lei: Q = W. Pressão e volume são grandezas inversamente proporcionais (P1.V1 = P2.V2).

Transformação Isobárica (Lei de Charles)

Pressão constante (P = cte). Ocorre variação de temperatura e volume na razão direta: V1 / T1 = V2 / T2. Trabalho é calculado por P.ΔV.

Transformação Isocórica / Isométrica / Isovolumétrica

Volume constante (V = cte). Não há trabalho (W = 0). Logo, ΔU = Q. A pressão varia diretamente com a temperatura: P1 / T1 = P2 / T2.

Transformação Adiabática

Ocorre sem troca de calor com o exterior (Q = 0). Portanto: ΔU = -W. Expansão rápida esfria o gás; compressão rápida aquece o gás.

Equação de Clapeyron (Gases Ideais)

P . V = n . R . T. (Dica: 'Por Você Nunca Rezei Tanto'). Temperatura (T) sempre deve estar em Kelvin.

Lei Geral dos Gases Ideais

(P1 . V1) / T1 = (P2 . V2) / T2. Válida quando a massa ou o número de mols (n) do gás permanece constante entre dois estados.

Ciclo termodinâmico fechado em gráfico P x V

Após um ciclo completo, ΔT = 0 e ΔU = 0, logo Q_total = W_ciclo. Sentido horário: ciclo motor (trabalho > 0). Sentido anti-horário: refrigerador.

Segunda Lei da Termodinâmica (Enunciado de Kelvin-Planck)

É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclos, converta integralmente todo o calor recebido de uma fonte quente em trabalho mecânico.

Segunda Lei da Termodinâmica (Enunciado de Clausius)

O calor não flui espontaneamente de um corpo com menor temperatura para outro com maior temperatura sem intervenção de trabalho externo.

Rendimento de uma máquina térmica qualquer (η)

η = W / Qq = (Qq - Qf) / Qq = 1 - (Qf / Qq). Onde Qq é o calor da fonte quente e Qf é o calor rejeitado para a fonte fria.

Ciclo de Carnot e rendimento máximo

Ciclo ideal composto por duas isotérmicas e duas adiabáticas reversíveis. Rendimento: η = 1 - (Tf / Tq), com Tf e Tq estritamente em Kelvin.

Teorema de Carnot

Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas dadas pode ter rendimento maior que o de uma máquina de Carnot entre essas mesmas fontes.

Conceito físico de Entropia (S)

Mede o grau de desordem ou irreversibilidade de um sistema. Em qualquer processo espontâneo em sistema isolado, a entropia do universo sempre aumenta (ΔS ≥ 0).

Garrafa térmica (Vaso de Dewar): mecanismos de isolamento

Vácuo duplo evita condução e convecção; paredes espelhadas refletem radiação infravermelha; tampa fechada impede convecção com o ar externo.

Diferença entre evaporação e ebulição

Evaporação é vaporização lenta, espontânea e superficial em qualquer temperatura. Ebulição é rápida, turbulenta, com formação de bolhas em temperatura fixa.

Efeito da pressão na temperatura de ebulição

Maior pressão atmosférica externa eleva o ponto de ebulição (panela de pressão). Menor pressão (altitudes elevadas) diminui a temperatura de fervura da água.

Sensação térmica e umidade do ar

O suor resfria o corpo ao evaporar (processo endotérmico). Com alta umidade relativa, o suor evapora mais devagar, aumentando a sensação de calor.

Sublimação

Passagem direta do estado sólido para o gasoso, ou vice-versa, sem passar pela fase líquida (ex: gelo seco e naftalina à pressão ambiente).

Ponto triplo da água

Condição singular e precisa de temperatura e pressão na qual as três fases da substância (sólida, líquida e gasosa) coexistem em equilíbrio estável.

Pressão de vapor saturante

Pressão exercida pelos vapores em equilíbrio com seu líquido em recipiente fechado; depende exclusivamente da natureza do líquido e da sua temperatura.

Trabalho em expansão livre de um gás ideal

Gás expande no vácuo sem resistência externa: W = 0, Q = 0 e ΔU = 0. A temperatura permanece constante sem realização de trabalho.

Coeficiente de eficácia (COP) de refrigeradores

COP = Qf / W. Mede a eficiência de tirar calor da fonte fria (alimentos) dividida pelo trabalho elétrico gasto pelo compressor.

Dica prática de unidades: Caloria para Joules

1 caloria equivale a aproximadamente 4,18 Joules (Experimento de Joule para o equivalente mecânico do calor). Preste atenção às unidades do calor específico.