Física: Capacidade Térmica, Máquinas Térmicas e Reflexão da Luz

Capacidade Térmica

A capacidade térmica é uma propriedade dos materiais que indica a quantidade de calor necessária para variar a sua temperatura em um grau Celsius (ou Kelvin). Quanto maior a capacidade térmica de um material, mais calor ele pode absorver ou ceder para que sua temperatura varie pouco.

Exemplos de Materiais com Alta Capacidade Térmica

• Isopor
• Madeira
• Porcelana
• Alguns plásticos

Cálculo da Capacidade Térmica

A capacidade térmica (C) é calculada pela razão entre a quantidade de calor (ΔQ) que um corpo recebe ou cede e a variação de temperatura (ΔT) resultante:

C = ΔQ / ΔT

Onde:

• ΔQ = Variação do calor (quantidade de calor trocada)
• ΔT = Variação de temperatura

Unidade de Medida

A unidade usual para medir a capacidade térmica é a caloria por grau Celsius (cal/ºC) ou o Joule por Kelvin (J/K) no Sistema Internacional.

Cal/ºC (Caloria por grau Celsius)

Exemplo de Cálculo

Problema: Determine a capacidade térmica de uma caixa de isopor que recebe 20.000 cal e varia sua temperatura em 5ºC.

Dados:

• ΔQ = 20.000 cal
• ΔT = 5ºC
• C = ?

Cálculo:

C = ΔQ / ΔT

C = 20.000 cal / 5ºC

C = 4.000 cal/ºC

Resposta: A capacidade térmica da caixa de isopor é de 4.000 cal/ºC.

Máquinas Térmicas

As máquinas térmicas são dispositivos responsáveis por transformar energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho). O calor é uma forma de energia, e o trabalho é a energia associada ao movimento ou à realização de uma força ao longo de uma distância.

Exemplos de Máquinas Térmicas

• Trem a vapor
• Termoelétricas (turbinas a vapor)
• Motor de carro (motor a combustão interna)

Historicamente, máquinas térmicas como as a vapor foram fundamentais, mas muitas foram substituídas ou aprimoradas devido à sua eficiência limitada em comparação com outras tecnologias. Por exemplo, trens modernos frequentemente utilizam motores a diesel ou elétricos, que podem oferecer maior eficiência energética em certas aplicações do que máquinas a vapor tradicionais.

Funcionamento e a Primeira Lei da Termodinâmica

Para transformar calor em trabalho, uma máquina térmica opera em ciclos, absorvendo calor de uma fonte quente, realizando trabalho e rejeitando calor para uma fonte fria. A relação entre o calor absorvido (Q), a variação da energia interna (ΔU) do sistema e o trabalho realizado (T ou W) é descrita pela Primeira Lei da Termodinâmica:

Q = ΔU + T (ou Q = ΔU + W)

Onde:

• Q = Quantidade de calor absorvido
• ΔU = Variação da energia interna do sistema
• T (ou W) = Trabalho realizado pela máquina

Unidade de Medida para Trabalho

O trabalho, assim como a energia, é medido em unidades como a Caloria (cal) ou o Joule (J).

Caloria (cal) ou Joule (J)

Exemplo de Cálculo de Trabalho

Problema: Uma máquina térmica recebe 1000 cal de uma fonte quente. Sabendo que a variação da energia interna foi de 800 cal, qual o trabalho realizado?

Dados:

• Q = 1000 cal
• ΔU = 800 cal
• T = ?

Cálculo (usando Q = ΔU + T):

1000 cal = 800 cal + T

T = 1000 cal - 800 cal

T = 200 cal

Resposta: O trabalho realizado pela máquina térmica é de 200 cal.

Exemplo de Cálculo de Eficiência

Considerando uma máquina térmica que absorve 50.000 cal de calor (Q) e realiza 10.000 cal de trabalho (T).

Dados:

• Q = 50.000 cal
• T = 10.000 cal

A eficiência (η) é calculada como a razão entre o trabalho realizado e o calor absorvido:

η = (Trabalho / Calor Absorvido) * 100%

η = (T / Q) * 100%

η = (10.000 cal / 50.000 cal) * 100%

η = (1/5) * 100%

η = 0.2 * 100%

η = 20%

Resposta: A eficiência da máquina térmica é de 20%.

Reflexão da Luz

A reflexão da luz ocorre quando um raio de luz incide sobre uma superfície e retorna para o mesmo meio de onde veio.

Reflexão Regular

A reflexão regular ocorre quando a luz incide sobre uma superfície lisa e polida (como um espelho) e os raios refletidos saem paralelos uns aos outros, mantendo a "imagem" do objeto.

Reflexão Irregular ou Difusão

A reflexão irregular, também conhecida como difusão, ocorre quando a luz incide sobre uma superfície áspera ou irregular. Nesse caso, os raios refletidos se espalham em várias direções, o que nos permite ver objetos não luminosos de diferentes ângulos.