Calor na Termodinâmica
Enquanto energia interna se refere à energia total de todas as moléculas dentro do objeto, o calor é a quantidade de energia que flui de um corpo para outro espontaneamente devido à diferença de temperatura. O calor é uma forma de energia, mas é energia em trânsito . O calor não é propriedade de um sistema. No entanto, a transferência de energia como calor ocorre no nível molecular como resultado de uma diferença de temperatura .
Considere um bloco de metal em alta temperatura, que consiste em átomos que oscilam intensamente em torno de suas posições médias. A baixas temperaturas , os átomos continuam a oscilar, mas com menos intensidade . Se um bloco mais quente de metal é colocado em contato com um bloco mais frio, os átomos intensamente oscilantes na borda do bloco mais quente emitem sua energia cinética para os átomos menos oscilantes na borda do bloco mais frio. Nesse caso, há transferência de energia entre esses dois blocos e o calor flui do bloco mais quente para o mais frio por essas vibrações aleatórias.
Em geral, quando dois objetos são colocados em contato térmico , o calor flui entre eles até que entrem em equilíbrio um com o outro. Quando existe uma diferença de temperatura , o calor flui espontaneamente do sistema mais quente para o sistema mais frio . A transferência de calor ocorre por condução ou por radiação térmica . Quando o fluxo de calor pára , é dito que eles estão na mesma temperatura . Dizem que eles estão em equilíbrio térmico .
Como no trabalho, a quantidade de calor transferida depende do caminho e não simplesmente das condições iniciais e finais do sistema. Na verdade, existem muitas maneiras de levar o gás do estado i para o estado f.
Além disso, como no trabalho, é importante distinguir entre o calor adicionado a um sistema do ambiente e o calor removido do sistema para o ambiente. Q é positivo para o calor adicionado ao sistema, portanto, se o calor sai do sistema, Q é negativo. Como W na equação é o trabalho realizado pelo sistema, se o trabalho for realizado no sistema, W será negativo e E int aumentará.
O símbolo q é usado algumas vezes para indicar o calor adicionado ou removido de um sistema por unidade de massa . É igual ao calor total (Q) adicionado ou removido dividido pela massa (m).
Capacidade de calor
Diferentes substâncias são afetadas em diferentes magnitudes pela adição de calor . Quando uma determinada quantidade de calor é adicionada a diferentes substâncias, suas temperaturas aumentam em diferentes quantidades. Essa constante de proporcionalidade entre o calor Q que o objeto absorve ou perde e a mudança de temperatura resultante T do objeto é conhecida como capacidade de calor C de um objeto.
C = Q / ΔT
A capacidade de calor é uma propriedade extensiva da matéria, o que significa que é proporcional ao tamanho do sistema. A capacidade térmica C tem a unidade de energia por grau ou energia por kelvin. Ao expressar o mesmo fenômeno que uma propriedade intensiva , a capacidade de calor é dividida pela quantidade de substância, massa ou volume, portanto, a quantidade é independente do tamanho ou extensão da amostra.
Capacidade específica de calor
A capacidade térmica de uma substância por unidade de massa é denominada capacidade térmica específica (c p ) da substância. O índice p indica que a capacidade térmica e a capacidade térmica específica se aplicam quando o calor é adicionado ou removido a pressão constante .
c p = Q / mΔT
Capacidade específica de calor
No Modelo de Gás Ideal , as propriedades intensivas c v e c p são definidas para substâncias compressíveis puras e simples como derivadas parciais da energia interna u (T, v) e entalpia h (T, p) , respectivamente:
onde os subscritos v e p denotam as variáveis mantidas fixas durante a diferenciação. As propriedades c v e c p são referidos como calores específicos (ou capacidades de calor ), porque, sob determinadas condições especiais dizem respeito a mudança de temperatura de um sistema para a quantidade de energia adicionada pela transferência de calor. As suas unidades SI são J / kg K ou J / mol K . Dois aquecimentos específicos são definidos para gases, um para volume constante (c v ) e outro para pressão constante (c p ) .
De acordo com a primeira lei da termodinâmica , para processos de volume constante com um gás ideal monatômico, o calor molar específico será:
C v = 3 / 2R = 12,5 J / mol K
Porque
U = 3 / 2nRT
Pode-se derivar que o calor molar específico a pressão constante é:
C p = C v + R = 5 / 2R = 20,8 J / mol K
Este C p é maior do que o calor específico molar a volume constante C v , porque a energia deve agora ser fornecidos não só para aumentar a temperatura do gás, mas também para o gás de trabalho para fazer porque neste volume caso alterações.
Calor latente de vaporização
Em geral, quando um material muda de fase de sólido para líquido ou de líquido para gás, uma certa quantidade de energia está envolvida nessa mudança de fase. No caso de mudança de fase de líquido para gás, essa quantidade de energia é conhecida como entalpia de vaporização (símbolo ∆H vap ; unidade: J), também conhecida como calor (latente) de vaporização ou calor de evaporação. Calor latente é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma mudança de fase. Essa energia decompõe as forças atraentes intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir o gás (o trabalho pΔV) Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre. A entalpia da vaporização é uma função da pressão na qual essa transformação ocorre.
Calor latente de vaporização – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)
h lg = 2257 kJ / kg
Calor latente de vaporização – água a 3 MPa (pressão dentro de um gerador de vapor)
h lg = 1795 kJ / kg
Calor latente de vaporização – água a 16 MPa (pressão dentro de um pressurizador )
h lg = 931 kJ / kg
O calor da vaporização diminui com o aumento da pressão, enquanto o ponto de ebulição aumenta. Ele desaparece completamente em um determinado ponto chamado ponto crítico . Acima do ponto crítico, as fases líquida e de vapor são indistinguíveis, e a substância é chamada de fluido supercrítico .
O calor da vaporização é o calor necessário para vaporizar completamente uma unidade de líquido saturado (ou condensar uma unidade de massa de vapor saturado) e é igual a h lg = h g – h l .
O calor necessário para derreter (ou congelar) uma unidade de massa na substância a pressão constante é o calor da fusão e é igual a h sl = h l – h s , onde h s é a entalpia do sólido saturado e h l é a entalpia do líquido saturado.
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