Fórmulas e Conceitos de Termodinâmica e Mecânica

Fórmulas de Calorimetria e Dilatação Térmica

Equivalência de Energia: 1 cal = 4,18 J | 1 J = 0,24 cal
Calor Sensível: Q = m · c_e · (t_f - t_i)
Equilíbrio Térmico: Q_ganhado + Q_cedido = 0
Calor Latente: Q = m · L
Relação entre Coeficientes de Dilatação: β = 2α | γ = 3α
Dilatação Cúbica: ΔV = V₀ · γ · ΔT
Dilatação Superficial: ΔS = S₀ · β · ΔT
Dilatação Linear: ΔL = L₀ · α · ΔT
Coeficientes de Expansão:

• α = Coeficiente de expansão linear (L₀ = comprimento original, ΔT = variação de temperatura)
• β = Coeficiente de expansão superficial (S₀ = superfície inicial)
• γ = Coeficiente de expansão cúbica (V₀ = volume inicial)

Equação de Troca de Calor: m_c · c_c · (T_c - T_e) = m_f · c_f · (T_e - T_f)

Trabalho, Potência e Energia

Trabalho (W): W = F · d · cos(θ)
Potência (P): P = W / t
Unidades de Medida:

• Trabalho em Joules (J)
• Potência em Watts (W): 1 W = 1 J/s
• Conversões: 1 kW = 1000 W | 1 C.V. = 736 W | 1 W·s = 1 J | 1 kWh = 3.600.000 J

Energia Cinética (Ec): Ec = 1/2 · m · v²
Energia Potencial (Ep): Ep = m · g · h
Energia Mecânica (Em): Em = Ec + Ep = constante (Princípio da Conservação da Energia)
Teorema das Forças Vivas (Teorema da Energia Cinética): W = ΔEc = (1/2 · m · v²) - (1/2 · m · v₀²)
Variação de Energia Cinética: ΔEc = Ec_f - Ec_i
Teorema das Forças Vivas (Simplificado): W = Ec_f - Ec_i

Definições de Trabalho, Potência e Energia

O trabalho é definido pela força (F) aplicada em um corpo como o produto da força pelo deslocamento e o cosseno do ângulo entre eles. O Joule é definido como o trabalho realizado sobre um corpo quando, ao aplicar uma força de 1 N, se produz um deslocamento de 1 m. Um watt é a potência aplicada ao realizar um trabalho de 1 Joule a cada segundo de tempo. A potência é uma grandeza escalar que mede a eficiência com que o trabalho é feito, sendo definida como a relação entre o trabalho e o tempo que se leva para realizá-lo. A energia é definida como a capacidade de um corpo de realizar trabalho; por este motivo, energia e trabalho utilizam as mesmas unidades de medida. Um tipo de energia muito conhecido é a energia mecânica, que pode ser classificada em dois tipos: cinética e potencial. Quando várias forças atuam sobre um corpo, o trabalho total realizado por essas forças é igual à variação da energia cinética experimentada pelo corpo. Esta definição é conhecida como o Teorema das Forças Vivas. A energia cinética é a energia que um corpo possui em função de sua velocidade. A energia potencial é a capacidade de realizar trabalho que um corpo possui em virtude de sua posição quando sujeito a algum tipo de força, como a gravidade, a eletricidade, a elasticidade, entre outras. Se, sob a ação dessas forças, o corpo se move de uma posição inicial para outra, a diminuição da sua energia potencial é igual ao trabalho realizado por elas. A soma da energia cinética e potencial possuída por um corpo é chamada de energia mecânica. Na ausência de atrito, a energia mecânica de uma partícula permanece constante, o que constitui o Princípio da Conservação da Energia Mecânica.

Teoria Cinética dos Gases e da Matéria

Teoria Cinética dos Gases

• Os gases são formados por partículas muito pequenas em contínuo movimento desordenado. O volume efetivo ocupado pelas partículas é insignificante em comparação com o volume do recipiente que as contém.
• As partículas colidem continuamente umas com as outras e contra as paredes do recipiente, sem perda de energia cinética. A pressão exercida pelo gás é proporcional ao número de colisões com as paredes.
• As partículas estão muito afastadas umas das outras, de modo que as forças exercidas entre elas são desprezíveis, exceto no instante do choque.
• Nem todas as partículas do gás têm a mesma velocidade. A energia cinética média de translação das partículas é diretamente proporcional à temperatura absoluta do gás (a temperaturas mais altas, maior a velocidade).

Teoria Cinético-Molecular da Matéria

• As partículas de um sólido têm pouca liberdade de movimento. Embora não estejam fixas, elas vibram em torno de suas posições de equilíbrio. Se aquecermos um sólido, a velocidade de agitação das partículas aumenta até ser suficiente para que abandonem suas posições de equilíbrio. Isto é chamado de fusão e ocorre a uma temperatura característica para cada substância, chamada temperatura de fusão.
• As partículas dos líquidos têm mais liberdade de movimento, porque as forças de coesão entre elas são menos intensas.
• A evaporação ocorre porque as partículas do líquido com maior velocidade são capazes de superar as forças de coesão e escapar para a fase gasosa. As partículas que permanecem têm menor velocidade média, o que causaria o resfriamento do líquido. Para que isso não ocorra, o líquido absorve energia do exterior na forma de calor. Este fenômeno ocorre a qualquer temperatura, apenas na superfície do líquido.
• A ebulição ocorre em todo o volume do líquido e a uma temperatura característica (ponto de ebulição), na qual desaparecem praticamente todas as forças de atração entre as partículas.

Transições de Estado Físico

• Sólido para Gás: Sublimação
• Sólido para Líquido: Fusão
• Líquido para Gás: Vaporização (por ebulição ou evaporação)
• Gás para Líquido: Liquefação (ou Condensação)
• Líquido para Sólido: Solidificação
• Gás para Sólido: Sublimação (ou ressublimação)

Temperatura, Calor e Calorimetria

Temperatura: É uma grandeza diretamente proporcional à energia cinética média das partículas. Sua unidade no SI é o Kelvin (K), também sendo utilizado o grau Celsius (°C).
Calor: É a energia transferida de um corpo para outro quando estes se encontram a temperaturas diferentes. No SI, é medido em Joules (J), mas também se usa a caloria (cal). 1 cal = 4,18 J | 1 J = 0,24 cal.
Calor recebido ou cedido por um corpo: É diretamente proporcional à sua massa e à variação de temperatura sofrida: Q = m · c_e · (t_f - t_i).
Calor específico (c_e): É a energia necessária para fornecer a 1 kg de uma substância para elevar a sua temperatura em 1 K.
Calorímetro: É um recipiente termicamente isolado. Se colocarmos dois corpos com temperaturas diferentes dentro dele, ocorrerá transferência de calor entre eles até atingirem a mesma temperatura, alcançando o equilíbrio térmico: Q_cedido + Q_ganhado = 0.
Calor latente (L): É a energia necessária para que uma unidade de massa mude de estado físico a uma temperatura constante: Q = m · L.

Dilatação Térmica

A dilatação térmica é a variação das dimensões de um corpo devido à variação de sua temperatura. Relação entre os coeficientes: β = 2α e γ = 3α.
Dilatação linear: ΔL = L₀ · α · ΔT, onde α é o coeficiente de dilatação linear, L₀ é o comprimento original e ΔT é a variação de temperatura.
Dilatação superficial: ΔS = S₀ · β · ΔT, onde β é o coeficiente de dilatação superficial, S₀ é a área inicial e ΔT é a variação de temperatura.
Dilatação cúbica (volumétrica): ΔV = V₀ · γ · ΔT, onde γ é o coeficiente de dilatação cúbica, V₀ é o volume inicial e ΔT é a variação de temperatura.

Revisão de Conceitos: Teoria Cinética e Termodinâmica

Teoria Cinética dos Gases (Revisão)

• Os gases são formados por partículas muito pequenas em contínuo movimento desordenado. O volume efetivo ocupado pelas partículas é insignificante em comparação com o volume do recipiente que as contém.
• As partículas colidem continuamente umas com as outras e contra as paredes do recipiente, sem perda de energia cinética. A pressão exercida pelo gás é proporcional ao número de colisões com as paredes.
• As partículas estão muito afastadas umas das outras, de modo que as forças exercidas entre elas são desprezíveis, exceto no instante do choque.
• Nem todas as partículas do gás têm a mesma velocidade. A energia cinética média de translação das partículas é diretamente proporcional à temperatura absoluta do gás (a temperaturas mais altas, maior a velocidade).

Teoria Cinético-Molecular da Matéria (Revisão)

• As partículas de um sólido têm pouca liberdade de movimento. Embora não estejam fixas, elas vibram em torno de suas posições de equilíbrio. Se aquecermos um sólido, a velocidade de agitação das partículas aumenta até ser suficiente para que abandonem suas posições de equilíbrio. Isto é chamado de fusão e ocorre a uma temperatura característica para cada substância, chamada temperatura de fusão.
• As partículas dos líquidos têm mais liberdade de movimento, porque as forças de coesão entre elas são menos intensas.
• A evaporação ocorre porque as partículas do líquido com maior velocidade são capazes de superar as forças de coesão e escapar para a fase gasosa. As partículas que permanecem têm menor velocidade média, o que causaria o resfriamento do líquido. Para que isso não ocorra, o líquido absorve energia do exterior na forma de calor. Este fenômeno ocorre a qualquer temperatura, apenas na superfície do líquido.
• A ebulição ocorre em todo o volume do líquido e a uma temperatura característica (ponto de ebulição), na qual desaparecem praticamente todas as forças de atração entre as partículas.

Transições de Estado Físico (Revisão)

• Sólido para Gás: Sublimação
• Sólido para Líquido: Fusão
• Líquido para Gás: Vaporização (por ebulição ou evaporação)
• Gás para Líquido: Liquefação (ou Condensação)
• Líquido para Sólido: Solidificação
• Gás para Sólido: Sublimação (ou ressublimação)

Revisão: Temperatura, Calor e Calorimetria

Temperatura: É uma grandeza diretamente proporcional à energia cinética média das partículas. Sua unidade no SI é o Kelvin (K), também sendo utilizado o grau Celsius (°C).
Calor: É a energia transferida de um corpo para outro quando estes se encontram a temperaturas diferentes. No SI, é medido em Joules (J), mas também se usa a caloria (cal). 1 cal = 4,18 J | 1 J = 0,24 cal.
Calor recebido ou cedido por um corpo: É diretamente proporcional à sua massa e à variação de temperatura sofrida: Q = m · c_e · (t_f - t_i).
Calor específico (c_e): É a energia necessária para fornecer a 1 kg de uma substância para elevar a sua temperatura em 1 K.
Calorímetro: É um recipiente termicamente isolado. Se colocarmos dois corpos com temperaturas diferentes dentro dele, ocorrerá transferência de calor entre eles até atingirem a mesma temperatura, alcançando o equilíbrio térmico: Q_cedido + Q_ganhado = 0.
Calor latente (L): É a energia necessária para que uma unidade de massa mude de estado físico a uma temperatura constante: Q = m · L.

Revisão: Dilatação Térmica

A dilatação térmica é a variação das dimensões de um corpo devido à variação de sua temperatura. Relação entre os coeficientes: β = 2α e γ = 3α.
Dilatação linear: ΔL = L₀ · α · ΔT, onde α é o coeficiente de dilatação linear, L₀ é o comprimento original e ΔT é a variação de temperatura.
Dilatação superficial: ΔS = S₀ · β · ΔT, onde β é o coeficiente de dilatação superficial, S₀ é a área inicial e ΔT é a variação de temperatura.
Dilatação cúbica (volumétrica): ΔV = V₀ · γ · ΔT, onde γ é o coeficiente de dilatação cúbica, V₀ é o volume inicial e ΔT é a variação de temperatura.

Revisão: Trabalho, Potência e Energia Mecânica

O trabalho é definido pela força (F) aplicada em um corpo como o produto da força pelo deslocamento e o cosseno do ângulo entre eles. O Joule é definido como o trabalho realizado sobre um corpo quando, ao aplicar uma força de 1 N, se produz um deslocamento de 1 m. Um watt é a potência aplicada ao realizar um trabalho de 1 Joule a cada segundo de tempo. A potência é uma grandeza escalar que mede a eficiência com que o trabalho é feito, sendo definida como a relação entre o trabalho e o tempo que se leva para realizá-lo. A energia é definida como a capacidade de um corpo de realizar trabalho; por este motivo, energia e trabalho utilizam as mesmas unidades de medida. Um tipo de energia muito conhecido é a energia mecânica, que pode ser classificada em dois tipos: cinética e potencial. Quando várias forças atuam sobre um corpo, o trabalho total realizado por essas forças é igual à variação da energia cinética experimentada pelo corpo. Esta definição é conhecida como o Teorema das Forças Vivas. A energia cinética é a energia que um corpo possui em função de sua velocidade. A energia potencial é a capacidade de realizar trabalho que um corpo possui em virtude de sua posição quando sujeito a algum tipo de força, como a gravidade, a eletricidade, a elasticidade, entre outras. Se, sob a ação dessas forças, o corpo se move de uma posição inicial para outra, a diminuição da sua energia potencial é igual ao trabalho realizado por elas. A soma da energia cinética e potencial possuída por um corpo é chamada de energia mecânica. Na ausência de atrito, a energia mecânica de uma partícula permanece constante, o que constitui o Princípio da Conservação da Energia Mecânica.