O que é calor, realmente? Se você aproximar o suficiente, tudo é feito de partículas minúsculas, sempre em movimento. Aqueça algo, e suas partículas se movem mais rápido. Resfrie-o, e…
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2.1
Estados da matéria 物态
Programa
2.1.1 Estados da matéria
Central
Suplementar
1 Conheça as propriedades distintivas de sólidos, líquidos e gases
2 Conheça os termos para as mudanças de estado entre sólidos, líquidos e gases (transferências de gás para sólido e sólido para gás não são necessárias)
2.1.2 Modelo de partículas
Central
Suplementar
1 Descreva a estrutura de partículas de sólidos, líquidos e gases em termos de disposição, separação e movimento das partículas e represente esses estados usando diagramas simples de partículas
6 Saiba que as forças e distâncias entre partículas (átomos, moléculas, íons e elétrons) e o movimento das partículas afetam as propriedades de sólidos, líquidos e gases
2 Descreva a relação entre o movimento das partículas e a temperatura, incluindo a ideia de que existe uma temperatura mínima possível ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), conhecida como zero absoluto, onde as partículas têm menor energia cinética
3 Descreva a pressão e as variações de pressão de um gás em termos do movimento de suas partículas e de suas colisões com uma superfície
7 Descreva a pressão e as variações de pressão de um gás em termos das forças exercidas por partículas colidindo com superfícies, criando uma força por unidade de área
4 Saiba que o movimento aleatório de partículas microscópicas em uma suspensão é evidência do modelo cinético das partículas da matéria
8 Saiba que partículas microscópicas podem ser movidas por colisões com moléculas rápidas e corretamente use os termos átomos ou moléculas distintos de partículas microscópicas
5 Descreva e explique esse movimento (às vezes conhecido como movimento browniano) em termos de colisões aleatórias entre as partículas microscópicas em uma suspensão e as partículas do gás ou líquido
2.1.3 Gases e a escala absoluta de temperatura
Central
Suplementar
1 Descreva qualitativamente, em termos de partículas, o efeito sobre a pressão de uma massa fixa de gás de: (a) uma mudança de temperatura a volume constante (b) uma mudança de volume a temperatura constante
3 Lembre-se e use a equação $pV = \text{constant}$ para uma massa fixa de gás a temperatura constante, incluindo uma representação gráfica dessa relação
2 Converta temperaturas entre kelvin e graus Celsius; lembre-se e use a equação $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
Fonte: Programa Cambridge International
Teoria cinética: pressão de um gás
A matéria existe em três estados: sólido 固体, líquido 液体 e gás 气体。
Estado
Forma
Volume
Partículas
Sólido
fixa
fixa
próximas umas das outras, em padrão regular, vibrando
Líquido
assume a forma do recipiente
fixo
próximas umas das outras, sem padrão, podem passar umas pelas outras
Gás
preenche o recipiente
variável
distantes, rápidas, movimento aleatório
As mudanças de estado são: fusão (sólido → líquido), ebulição/evaporação (líquido → gás), condensação 凝结 (gás → líquido) e solidificação 凝固 (líquido → sólido). Na condensação, as partículas gasosas desaceleram e se aproximam para formar um líquido. Na solidificação, as partículas líquidas perdem energia e se assentam em posições fixas.
Toda a matéria é composta por pequenas partículas 粒子 que estão sempre em movimento. Este é o modelo cinético das partículas.
Em um sólido, as partículas apenas vibram 振动 em torno de posições fixas.
Em um líquido, elas ainda estão próximas, mas podem deslizar umas sobre as outras.
Em um gás, elas estão distantes e se movem rapidamente em direções aleatórias.
As mesmas partículas em três estados: fixas e ordenadas em um sólido, próximas mas desordenadas em um líquido, distantes e rápidas em um gás
Temperatura e energia das partículas
Quando você aquece uma substância, suas partículas se movem mais rápido, tendo mais energia cinética 动能. Temperatura 温度 é uma medida da energia cinética média das partículas.
A temperatura mais baixa possível é o zero absoluto 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. Nesse ponto, as partículas têm a menor energia possível.
Um termômetro digital mede a temperatura detectando a energia cinética das partículas que toca
Pressão gasosa
Partículas de gás batem nas paredes de seu recipiente. Cada batida é um pequeno empurrão. A pressão 压强 do gás é a força total dessas batidas por unidade de área.
A pressão do gás é a força total de inúmeras batidas de partículas em cada unidade de área da parede
Aquecer um gás (a volume constante) faz as partículas se moverem mais rápido e baterem com mais força e frequência, então a pressão aumenta.
Comprimir um gás para um volume menor (a temperatura constante) significa mais batidas por segundo em cada unidade de área, então a pressão aumenta.
Para uma massa fixa de gás a temperatura constante:
$$pV = \text{constant}$$
Então, se o volume for reduzido pela metade, a pressão dobra.
A temperatura constante, o gráfico de pressão-volume é uma curva: reduza o volume pela metade e a pressão dobra, então $pV$ permanece constante
Exemplo resolvido. Um gás tem volume de $200\ \text{cm}^3$ a uma pressão de $100\ \text{kPa}$. Ele é comprimido para $50\ \text{cm}^3$ a temperatura constante. Encontre a nova pressão.
Como $pV$ permanece constante, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:
Se você observar fumaça no ar sob um microscópio, verá minúsculos grânulos movendo-se de forma irregular e aleatória. Isso é movimento browniano 布朗运动. Os grânulos são empurrados por partículas de ar rápidas e invisíveis que as atingem. É uma forte evidência para o modelo cinético das partículas.
Colisões aleatórias de partículas de ar rápidas empurram um grânulo de fumaça ao longo de um trajeto irregular e aleatório
A escala Kelvin
Cientistas frequentemente usam a escala de temperatura kelvin 开尔文 (K), que começa do zero absoluto. Para converter:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
Assim $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.
Exemplo resolvido. Converta $25\,{}^{\circ}\text{C}$ para kelvin, e $200\ \text{K}$ para graus Celsius.
Deslize o êmbolo para dentro para reduzir o volume. As mesmas partículas são empurradas para menos espaço, então elas colidem com as paredes com mais frequência e a pressão aumenta — enquanto a pressão × volume permanece constante.
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/
热能传递
rè néng chuán dì
2.2
Expansão térmica 热膨胀
Programa
2.2.1 Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases
Central
Suplementar
1 Descreva, qualitativamente, a expansão térmica de sólidos, líquidos e gases a pressão constante
3 Explique, em termos do movimento e disposição das partículas, a ordem relativa de magnitudes da expansão de sólidos, líquidos e gases conforme suas temperaturas aumentam
2 Descreva algumas aplicações e consequências cotidianas da expansão térmica
2.2.2 Calor específico
Central
Suplementar
1 Saiba que um aumento na temperatura de um objeto aumenta sua energia interna
2 Descreva um aumento na temperatura de um objeto em termos de um aumento nas energias cinéticas médias de todas as partículas do objeto
3 Definir capacidade térmica específica como a energia necessária por unidade de massa por unidade de aumento de temperatura; recordar e usar a equação
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Descreva experimentos para medir o calor específico de um sólido e de um líquido
2.2.3 Fusão, ebulição e evaporação
Central
Suplementar
1 Descreva fusão e ebulição em termos de fornecimento de energia sem mudança de temperatura
6 Descreva as diferenças entre ebulição e evaporação
2 Conheça as temperaturas de fusão e ebulição da água à pressão atmosférica padrão
3 Descreva condensação e solidificação em termos de partículas
4 Descreva evaporação em termos da saída de partículas mais energéticas da superfície de um líquido
7 Descreva como temperatura, área de superfície e movimento do ar sobre uma superfície afetam a evaporação
5 Saiba que a evaporação causa resfriamento de um líquido
8 Explique o resfriamento de um objeto em contato com um líquido evaporando
Fonte: Programa Cambridge International
Quando a matéria é aquecida, suas partículas se movem mais e ocupam mais espaço, então o material expande. Gases expandem mais, seguidos por líquidos, depois sólidos. Essa ordem decorre das forças entre as partículas: em um sólido, as partículas estão presas firmemente em uma rede cristalina 晶格 (um padrão fixo), então elas podem apenas vibrar um pouco mais; em um líquido, elas são mantidas menos fortemente; em um gás, as forças são muito fracas, então as partículas se espalham muito mais.
Exemplos cotidianos: lacunas são deixadas entre trilhos de trem; pontes assentam sobre roletes; uma tampa metálica apertada afrouxa quando aquecida.
Uma pequena lacuna é deixada entre os trilhos quando frios, para que, ao expandirem com o calor, a lacuna feche em vez de deformar o trilho
Explorar
Aquecimento e capacidade calorífica específica
Q = mcΔT
A energia térmica necessária é proporcional ao aumento de temperatura para uma dada massa de material.
A energia interna 内能 de um objeto é a energia total de todas as suas partículas. Aquecer um objeto aumenta sua energia interna e geralmente sua temperatura.
A capacidade térmica específica 比热容 é a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de um material em 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
Um material com alta capacidade térmica específica (como água) precisa de muita energia para aquecer e esfria lentamente.
Exemplo resolvido. Quanto de energia é necessário para aquecer $2.0\ \text{kg}$ de água de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ para $70\,{}^{\circ}\text{C}$? A capacidade térmica específica da água é $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
Reorganizando $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ obtemos $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, com $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
Medindo a capacidade térmica específica. Para um sólido, use um bloco de metal com dois orifícios: um para um aquecedor elétrico 加热器 e outro para um termômetro 温度计. Meça a massa $m$ do bloco. Ligue o aquecedor por um tempo medido $t$ e registre a corrente $I$ e a tensão $V$, para que a energia fornecida seja $E = IVt$ (ou leia a energia de um joulemeter). Registre o aumento de temperatura $\Delta\theta$. Então $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Para um líquido, aqueça uma massa medida do líquido em um recipiente e mexa-o, para que a temperatura seja igual em toda a extensão. Envolva o bloco ou o recipiente com material isolante 隔热材料, para que menos energia escape para o ar.
Água fervente: a energia interna aumenta com a temperatura; a capacidade térmica específica é energia por kg por °C
Fusão 熔化 e ebulição 沸腾 necessitam de energia, mas a temperatura permanece constante durante a mudança de estado. Essa energia rompe as forças entre as partículas. Para a água à pressão atmosférica normal, a fusão ocorre em $0\,{}^{\circ}\text{C}$ e a ebulição em $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Enquanto a substância derrete e enquanto ferve, a temperatura permanece plana, mesmo que energia continue sendo adicionada
Evaporação 蒸发 é quando um líquido muda para um gás em sua superfície, abaixo do ponto de ebulição. As partículas mais rápidas escapam da superfície. Como as partículas mais rápidas (mais energéticas) saem, a energia média das restantes diminui, então o líquido resfria 冷却. Um objeto que toca um líquido evaporando também resfria, porque o líquido retira energia dele: é por isso que o suor resfria sua pele.
A evaporação é mais rápida quando a temperatura é maior, a área superficial é maior e há mais movimento de ar sobre a superfície.
Explorar
A curva de aquecimento — observe a pausa da temperatura
Enquanto a substância está fundindo ou fervendo, a temperatura permanece plana, embora o calor ainda esteja entrando — a energia quebra ligações em vez de aquecê-la.
2.3
Transferência de energia térmica 热能传递
Programa
2.3.1 Condução
Central
Suplementar
1 Descreva experimentos para demonstrar as propriedades de bons condutores térmicos e maus condutores térmicos (isolantes térmicos)
2 Descreva a condução térmica em todos os sólidos em termos de vibrações da rede atômica ou molecular e também em termos do movimento de elétrons livres (deslocalizados) em condutores metálicos
3 Descreva, em termos de partículas, por que a condução térmica é ruim em gases e na maioria dos líquidos
4 Saiba que existem muitos sólidos que conduzem energia térmica melhor que isolantes térmicos, mas menos bem que bons condutores térmicos
2.3.2 Convecção
Central
Suplementar
1 Saiba que a convecção é um método importante de transferência de energia térmica em líquidos e gases
2 Explique a convecção em líquidos e gases em termos de mudanças de densidade e descreva experimentos para ilustrar a convecção
2.3.3 Radiação
Central
Suplementar
1 Saber que a radiação térmica é radiação infravermelha e que todos os objetos emitem essa radiação
2 Saber que a transferência de energia térmica por radiação térmica não requer um meio
4 Saber que, para que um objeto esteja a uma temperatura constante, ele precisa transferir energia para fora na mesma taxa em que recebe energia
3 Descrever o efeito da cor da superfície (preto ou branco) e da textura (mate ou brilhante) na emissão, absorção e reflexão da radiação infravermelha
5 Saber o que acontece com um objeto se a taxa em que recebe energia for menor ou maior do que a taxa em que transfere energia para fora
6 Saber como a temperatura da Terra é afetada por fatores que controlam o equilíbrio entre a radiação incidente e a radiação emitida pela superfície da Terra
7 Descrever experimentos para distinguir bons e maus emissores de radiação infravermelha
8 Descrever experimentos para distinguir bons e maus absorvedores de radiação infravermelha
9 Descrever como a taxa de emissão de radiação depende da temperatura da superfície e da área superficial de um objeto
2.3.4 Consequências da transferência de energia térmica
Central
Suplementar
1 Explicar algumas das aplicações cotidianas básicas e consequências da condução, convecção e radiação, incluindo: (a) aquecimento de objetos como panelas de cozinha (b) aquecimento de um ambiente por convecção
2 Explicar algumas das aplicações complexas e consequências da condução, convecção e radiação onde mais de um tipo de transferência de energia térmica é significativo, incluindo: (a) uma fogueira queimando madeira ou carvão (b) um radiador de carro
Fonte: Programa Cambridge International
A energia térmica se move de locais mais quentes para locais mais frios de três maneiras.
Condução
Condução 热传导 é a transferência de energia térmica através de um material sem que o material se mova. As partículas em um sólido estão dispostas em uma rede. Partículas aquecidas vibram mais e transmitem a energia para seus vizinhos. Em metais, elétrons livres (elétrons deslocalizados 自由电子) transportam energia rapidamente, então metais são bons condutores térmicos 热导体.
Materiais que conduzem mal (como ar, madeira e plástico) são isolantes térmicos 热绝缘体.
Testando condutores. Fixe um alfinete de desenho com um pouco de cera em uma extremidade de hastes de cobre, ferro, vidro e madeira, e aqueça as outras extremidades igualmente. O alfinete cai primeiro da haste de cobre, depois da haste de ferro, e por último (ou nunca) do vidro e da madeira: metais são os melhores condutores. Uma haste metálica segurada em uma chama logo fica quente; uma haste de madeira não fica.
Gases e a maioria dos líquidos são maus condutores porque suas partículas estão distantes e só transmitem energia quando colidem acidentalmente. Não há rede cristalina nem elétrons livres.
Na condução, as partículas vibrantes transmitem energia para seus vizinhos, então a energia flui da extremidade quente para a fria
Convecção
Convecção 对流 ocorre em líquidos e gases. Quando um fluido é aquecido, ele expande, torna-se menos denso e sobe. Fluido mais frio e denso desce para ocupar seu lugar. Esse ciclo de fluido em movimento é uma corrente de convecção.
O fluido aquecido sobe e o fluido mais frio desce, estabelecendo uma corrente de convecção
Mostrando convecção. Coloque um cristal de permanganato de potássio 高锰酸钾 roxo em um béquer de água e aqueça o béquer suavemente abaixo do cristal. Um rastro colorido sobe acima do calor, se espalha pelo topo e desce nas laterais. No ar, uma vela acesa sob uma chaminé de uma caixa de fumaça puxa a fumaça para baixo pela outra chaminé e para cima acima da chama.
A convecção não pode ocorrer em um sólido porque as partículas não podem se mover de um lugar para outro.
Radiação
Radiação térmica 热辐射 é energia transportada por ondas infravermelhas 红外线. Todos os objetos a emitem, e ela não precisa de material para viajar — pode atravessar o vácuo (é assim que a energia chega até nós do Sol).
Uma superfície que é opaca 暗淡 e preta é boa emissora 发射体 e boa absorvedora 吸收体 de infravermelho. Uma superfície brilhante e branca é má emissora e bom refletora 反射体.
Uma superfície opaca negra emite (e absorve) infravermelho muito melhor do que uma brilhante e branca
Comparando superfícies. Encha duas latas, uma opaca preta e outra prateada brilhante, com água quente na mesma temperatura, e coloque um termômetro em cada uma. A lata preta esfria mais rápido, então é a melhor emissora. Depois, coloque as mesmas duas latas, cheias de água fria, a distâncias iguais de um aquecedor. A lata preta esquenta mais rápido, então é a melhor absorvedora. Um cubo de Leslie 莱斯利立方体 (uma caixa de metal com um lado de cada acabamento) mostra o mesmo fenômeno.
Uma câmera térmica (infravermelha) transforma o infravermelho emitido por uma mão quente em uma imagem; quanto mais brilhante, mais quente
Um objeto mantém temperatura constante quando emite energia na mesma taxa em que absorve energia. A taxa de emissão é maior quando a superfície está mais quente e maior. Se um objeto absorve energia mais rápido do que emite, sua temperatura sobe; se emite mais rápido do que absorve, sua temperatura cai.
A temperatura da Terra. A Terra absorve radiação do Sol e emite radiação infravermelha de volta para o espaço. Sua temperatura média permanece constante apenas quando as duas taxas são iguais. Qualquer coisa que altere esse equilíbrio altera a temperatura. Gases na atmosfera 大气, como dióxido de carbono, absorvem parte do infravermelho emitido e devolvem parte dele para baixo, então mais desses gases aquecem a Terra. Nuvens e gelo refletem a luz solar entrante, então menos gelo significa mais energia absorvida, e a Terra aquece ainda mais.
Exemplos cotidianos
Uma panela de cozinha tem fundo metálico que conduz energia rapidamente para os alimentos, e cabo de plástico ou madeira que é isolante, para que você possa segurá-la.
Um radiador 散热器 aquece um ambiente por convecção: o ar próximo a ele aquece, sobe, e ar mais frio entra para ocupar seu lugar, aquecendo todo o ambiente.
Sentado perto de uma lareira, você sente sua radiação no rosto instantaneamente; o ar entre você e a lareira é mau condutor.
Uma garrafa térmica 保温瓶 mantém uma bebida quente impedindo as três transferências: o vácuo entre suas paredes duplas impede condução e convecção, e suas superfícies prateadas brilhantes impedem a radiação.
Explorar
Laboratório de transferência de calor
Compare as rotas pelas quais a energia térmica se move.
No modelo cinético das partículas, aquecer um gás faz suas partículas se moverem mais rápido e baterem nas paredes com mais força e frequência, aumentando a pressão. As próprias partículas não ficam maiores.
Evaporação ocorre apenas na superfície e em qualquer temperatura; ebulição ocorre por todo o líquido a uma temperatura fixa. Evaporação resfria o líquido restante, pois as partículas mais rápidas escapam.
Durante fusão e ebulição, a temperatura permanece constante embora energia ainda esteja sendo fornecida — essa energia rompe as forças entre as partículas.
Para capacidade térmica específica usar $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, onde $\Delta\theta$ é a variação de temperatura, não a temperatura final.
Superfícies opacas pretas são as melhores emissorares e absorvedoras de infravermelho; superfícies brilhantes e claras são as melhores refletoras. Convecção requer um fluido para fluir, então não pode ocorrer em um sólido.
Aulas interativas sobre este tópico
Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.
