EuraStudy
Resumos/Física e Química A/Energia, fenómenos térmicos e radiação
Resumos · Física e Química APT · Secundário

Energia, fenómenos térmicos e radiação

Distinguem-se temperatura, calor e energia interna, estudam-se os mecanismos de transferência de energia (condução, convecção e radiação), a primeira lei da termodinâmica e a capacidade térmica mássica, e ainda as mudanças de estado, a segunda lei (degradação da energia) e o rendimento. Matéria do 10.º ano (Física), avaliada no Exame Nacional (prova 715).

4 secções·~10 min de leitura·3 competências·Nível Base 1 · Padrão 1 · Aprofundamento 2

T·0888 / 17
Perfil de exame
Distinguir temperatura, calor e energia interna e interpretar o equilíbrio térmicoAplicar a capacidade térmica mássica e as entalpias de mudança de estadoInterpretar a primeira e a segunda leis da termodinâmica e o rendimento
Operadores:distinguecalculainterpretarelacionajustificaexplica

nível básico

Distinguir temperatura de calor e reconhecer os mecanismos de transferência de energia.

nível avançado

Resolver problemas com capacidade térmica mássica e mudanças de estado e interpretar as leis da termodinâmica.

Profundidade

Profundidade de leitura: Aprofundado

Texto

Tamanho do texto: Padrão

Conteúdo · 4 secções▾
  1. Energia, fenómenos térmicos e radiação
    • 01Temperatura, energia interna e equilíbrio térmico○
    • 02Mecanismos de transferência de energia◐
    • 03Primeira lei da termodinâmica e capacidade térmica mássica●
    • 04Mudanças de estado, 2.ª lei e rendimento●
§ 01

Temperatura, energia interna e equilíbrio térmico#

●○○BaseLPAE-fisica-e-quimica-a-10-fenomenos-termicos

Pontos-chave

A temperatura é uma medida do grau de agitação térmica das partículas de um corpo (a sua energia cinética média). A energia interna «Ei» é a energia total associada ao movimento e às interações de todas as partículas do corpo. Não se deve confundir: um copo e uma piscina à mesma temperatura têm energias internas muito diferentes (a piscina tem muito mais partículas).
O calor «Q» é energia em trânsito entre corpos (ou entre um corpo e a vizinhança) devido a uma diferença de temperatura. Não é uma propriedade de um corpo («um corpo não tem calor»): é a energia que se transfere espontaneamente do corpo a temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa. Esta distinção — calor como transferência, temperatura como estado — é essencial.
Dois corpos a temperaturas diferentes, postos em contacto, trocam energia até atingirem a mesma temperatura: o equilíbrio térmico. A energia flui sempre do mais quente para o mais frio, nunca ao contrário de forma espontânea (uma antecipação da 2.ª lei da termodinâmica).
A temperatura mede-se em graus Celsius (°C) ou, na escala absoluta do SI, em kelvin (K), relacionadas por «T(K) = θ(°C) + 273» (ver Fig. 1). O zero absoluto (0 K ≈ −273 °C) é a temperatura mínima possível, à qual a agitação térmica é mínima.

Escalas de temperatura Celsius e Kelvin

Escalas de temperaturaTabela com 3 colunas e 3 linhas, Dados: Ponto de referência · θ / °C · T / K; Zero absoluto · −273 · 0; Fusão do gelo · 0 · 273; Ebulição da água · 100 · 373PONTO DE REFERÊNCIAΘ / °CT / KZero absoluto−2730Fusão do gelo0273Ebulição da água100373
Fig. 1Fig. 1 — Pontos de referência nas escalas Celsius e Kelvin (T = θ + 273).
T (K)=θ (∘C)+273T\,(\text{K}) = \theta\,(^{\circ}\text{C}) + 273T(K)=θ(∘C)+273

Escalas Celsius e Kelvin

A escala Kelvin é absoluta; 0 K ≈ −273 °C é o zero absoluto.

Exemplo resolvido

Converter entre escalas de temperatura

Um forno está a 200 °C. Exprime a temperatura em kelvin. E qual é, em °C, uma temperatura de 310 K?

  1. 01De °C para K

    T = 200 + 273 = 473 K.

  2. 02De K para °C

    θ = T − 273 = 310 − 273 = 37 °C.

Resultado: 200 °C = 473 K; 310 K = 37 °C (temperatura corporal).

Foco no Exame Nacional

  • Distinguir temperatura, calor e energia interna.
  • Converter entre as escalas Celsius e Kelvin e interpretar o equilíbrio térmico.

Erros frequentes

  • Dizer que «um corpo tem calor» (o calor é energia em trânsito, não uma propriedade do corpo).
  • Confundir temperatura (energia cinética média) com energia interna (energia total das partículas).

Revisão ativa

Converte para kelvin as temperaturas de 25 °C e de −40 °C, e indica qual é o zero absoluto na escala Celsius.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 02

Mecanismos de transferência de energia#

●●○PadrãoLPAE-fisica-e-quimica-a-10-fenomenos-termicos

Pontos-chave

A energia transfere-se como calor por três mecanismos. Na condução, a energia propaga-se de partícula para partícula, sem transporte de matéria; é o mecanismo dominante nos sólidos, sobretudo nos metais (bons condutores térmicos). Uma colher metálica numa chávena de café aquece por condução.
Na convecção, a energia é transportada pelo próprio movimento do fluido: as porções mais quentes, menos densas, sobem e as mais frias descem, formando correntes de convecção. É o mecanismo típico nos líquidos e gases — aquece uma sala através do ar, ou a água numa panela.
Na radiação, a energia é transferida por ondas eletromagnéticas (radiação infravermelha, sobretudo) e não necessita de meio material — propaga-se mesmo no vácuo. É assim que a energia do Sol chega à Terra. Todos os corpos emitem radiação, tanto mais quanto maior a sua temperatura.
A Fig. 2 resume os três mecanismos e distingue-os pela necessidade (ou não) de meio material e de transporte de matéria. Compreender qual domina em cada situação permite explicar fenómenos do dia a dia e conceber isolamentos térmicos.

Mecanismos de transferência de energia

Transferência de energiaTabela com 3 colunas e 3 linhas, Dados: Mecanismo · Como ocorre · Exemplo; Condução · de partícula para partícula, sem transporte de matéria · colher que aquece no café; Convecção · por correntes num fluido (transporte de matéria) · água a ferver, ar de um aquecedor; Radiação · por ondas eletromagnéticas, sem meio material · energia do Sol na TerraMECANISMOCOMO OCORREEXEMPLOConduçãode partícula para partícula,sem transporte de matériacolher que aquece no caféConvecçãopor correntes num fluido(transporte de matéria)água a ferver, ar de umaquecedorRadiaçãopor ondas eletromagnéticas,sem meio materialenergia do Sol na Terra
Fig. 2Fig. 2 — Condução, convecção e radiação: modos de transferência de energia como calor.
Exemplo resolvido

Identificar mecanismos de transferência

Indica o mecanismo dominante: (a) parede de um forno metálico que aquece por dentro; (b) brisa marítima; (c) aquecimento de uma pessoa junto a uma fogueira.

  1. 01(a)

    Sólido metálico, energia de partícula para partícula ⇒ condução.

  2. 02(b)

    Correntes de ar por diferenças de temperatura/densidade ⇒ convecção.

  3. 03(c)

    Energia por ondas (infravermelho) sem contacto ⇒ radiação.

Resultado: (a) condução; (b) convecção; (c) radiação.

Foco no Exame Nacional

  • Distinguir condução, convecção e radiação quanto ao meio e ao transporte de matéria.
  • Identificar o mecanismo dominante em situações concretas.

Erros frequentes

  • Pensar que a radiação precisa de um meio material (propaga-se no vácuo, ao contrário da condução e convecção).
  • Atribuir a convecção a sólidos (nos sólidos domina a condução; a convecção exige um fluido).

Revisão ativa

Indica o mecanismo de transferência de energia dominante em cada caso: (a) a base de um ferro de engomar aquece a roupa; (b) a água ferve numa panela; (c) o calor do Sol chega à Terra.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 03

Primeira lei da termodinâmica e capacidade térmica mássica#

●●●AprofundamentoLPAE-fisica-e-quimica-a-10-fenomenos-termicos

Pontos-chave

A primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação da energia aplicado aos sistemas termodinâmicos: a variação da energia interna de um sistema é igual à soma das energias transferidas por trabalho, calor e radiação, «ΔEi = W + Q + R». A energia não se cria nem se destrói — apenas se transfere e transforma.
A capacidade térmica mássica «c» de uma substância é a energia necessária para elevar em 1 °C (ou 1 K) a temperatura de 1 kg dessa substância. A energia transferida como calor para variar a temperatura de uma massa «m» é «Q = m · c · Δθ». Quanto maior o «c», mais energia é preciso para a mesma variação de temperatura.
A água tem uma capacidade térmica mássica excecionalmente elevada («c ≈ 4186 J kg⁻¹ °C⁻¹»), muito superior à dos metais (ver Fig. 3). Por isso aquece e arrefece lentamente, regulando o clima junto ao mar e servindo de fluido de refrigeração. Os metais, com «c» baixo, aquecem depressa.

Capacidade térmica mássica de algumas substâncias

Capacidade térmica mássicaGráfico de barras: c (J kg⁻¹ °C⁻¹), Dados: capacidade térmica mássica (J kg⁻¹ °C⁻¹) · água: 4186; capacidade térmica mássica (J kg⁻¹ °C⁻¹) · alumínio: 897; capacidade térmica mássica (J kg⁻¹ °C⁻¹) · ferro: 449; capacidade térmica mássica (J kg⁻¹ °C⁻¹) · cobre: 38505001000150020002500300035004000águaalumínioferrocobre4186897449385c (J kg⁻¹ °C⁻¹)
Fig. 3Fig. 3 — A água tem uma capacidade térmica mássica muito superior à dos metais.
A relação «Q = m c Δθ» permite calcular a energia envolvida em aquecimentos e arrefecimentos e, em calorimetria, determinar a capacidade térmica mássica de uma substância. É uma das expressões mais usadas nos itens de cálculo do Exame.
ΔEi=W+Q+R\Delta E_i = W + Q + RΔEi​=W+Q+R

Primeira lei da termodinâmica

A variação da energia interna é a soma das energias transferidas por trabalho (W), calor (Q) e radiação (R).

Q=m c ΔθQ = m\,c\,\Delta\thetaQ=mcΔθ

Calor e capacidade térmica mássica

Energia transferida como calor para variar em Δθ a temperatura de uma massa m de capacidade térmica mássica c.

Exemplo resolvido

Energia para aquecer água

Calcula a energia necessária para aquecer 0,50 kg de água de 20 °C para 80 °C (c = 4186 J kg⁻¹ °C⁻¹).

  1. 01Variação de temperatura

    Δθ = 80 − 20 = 60 °C.

  2. 02Aplicar Q = m c Δθ

    Q = 0,50 × 4186 × 60.

    Q=0,50×4186×60Q = 0{,}50 \times 4186 \times 60Q=0,50×4186×60
  3. 03Calcular

    Q ≈ 125 580 J ≈ 1,3 × 10⁵ J (126 kJ).

Resultado: São necessários ≈ 1,3 × 10⁵ J (cerca de 126 kJ).

Foco no Exame Nacional

  • Aplicar Q = m·c·Δθ a aquecimentos e arrefecimentos.
  • Interpretar a primeira lei da termodinâmica e o significado da capacidade térmica mássica.

Erros frequentes

  • Usar a massa em gramas com c em J kg⁻¹ °C⁻¹ sem converter (deve estar em kg).
  • Esquecer que Δθ é a variação (final − inicial) de temperatura, e não a temperatura final.

Revisão ativa

Calcula a energia necessária para aquecer 0,50 kg de água de 20 °C para 80 °C (c = 4186 J kg⁻¹ °C⁻¹).

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 04

Mudanças de estado, 2.ª lei e rendimento#

●●●AprofundamentoLPAE-fisica-e-quimica-a-10-fenomenos-termicos

Pontos-chave

Durante uma mudança de estado (fusão, vaporização), a temperatura mantém-se constante apesar de continuar a receber energia: a energia fornecida é usada para quebrar as ligações entre partículas, não para aumentar a agitação térmica. Por isso a curva de aquecimento apresenta patamares aos valores de fusão e de ebulição (ver Fig. 4).

Curva de aquecimento de uma substância

Curva de aquecimentoGráfico de linhas: temperatura (°C) por energia fornecida−2002040608010002468temperatura (°C)energia fornecida
Fig. 4Fig. 4 — Curva de aquecimento: os patamares correspondem à fusão e à ebulição, a temperatura constante.
A energia necessária para a mudança de estado de uma massa «m» é «E = m · L», onde «L» é a entalpia mássica de mudança de estado (de fusão ou de vaporização). Assim, para fundir gelo a 0 °C ou vaporizar água a 100 °C é preciso fornecer energia sem que a temperatura suba — daí a eficácia do gelo a arrefecer bebidas.
A segunda lei da termodinâmica exprime o sentido das transformações: a energia tende a degradar-se, dispersando-se em formas menos úteis (energia interna, à temperatura da vizinhança). O calor flui espontaneamente do quente para o frio, nunca ao contrário sem intervenção — e nenhuma máquina térmica converte integralmente calor em trabalho.
Consequentemente, o rendimento de qualquer máquina térmica é inferior a 100 %: parte da energia é sempre dissipada. O rendimento «η = E_útil / E_fornecida × 100 %» quantifica esta limitação. A Fig. 4 ilustra a curva de aquecimento, com os patamares onde a energia fornecida realiza a mudança de estado.
E=m LE = m\,LE=mL

Energia de mudança de estado

L é a entalpia mássica de fusão ou de vaporização; a temperatura mantém-se constante.

Exemplo resolvido

Energia para fundir gelo

Calcula a energia necessária para fundir 0,20 kg de gelo a 0 °C (entalpia mássica de fusão: 3,34 × 10⁵ J/kg).

  1. 01Relação a usar

    E = m · L (a temperatura mantém-se a 0 °C durante a fusão).

  2. 02Substituir

    E = 0,20 × 3,34 × 10⁵.

    E=0,20×3,34×105E = 0{,}20 \times 3{,}34 \times 10^{5}E=0,20×3,34×105
  3. 03Calcular

    E = 6,68 × 10⁴ J ≈ 66,8 kJ.

Resultado: São necessários ≈ 6,7 × 10⁴ J (66,8 kJ), sem que a temperatura suba durante a fusão.

Foco no Exame Nacional

  • Interpretar curvas de aquecimento e calcular energia de mudança de estado (E = m·L).
  • Relacionar a segunda lei da termodinâmica com a degradação da energia e o rendimento.

Erros frequentes

  • Pensar que a temperatura sobe durante a mudança de estado (mantém-se constante nos patamares).
  • Supor que uma máquina térmica pode ter rendimento de 100 % (a 2.ª lei impede-o).

Revisão ativa

Calcula a energia necessária para fundir 0,20 kg de gelo a 0 °C (entalpia mássica de fusão do gelo: 3,34 × 10⁵ J/kg).

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Conteúdo

Secção -- / 04

    • 01Temperatura, energia interna e equilíbrio térmico○
    • 02Mecanismos de transferência de energia◐
    • 03Primeira lei da termodinâmica e capacidade térmica mássica●
    • 04Mudanças de estado, 2.ª lei e rendimento●

0/4 Lidos

Dos resumos à prática

Energia, fenómenos térmicos e radiação

Consolida este tema com perguntas do banco de perguntas.

~10
min
3
Competências
Praticar

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

  • Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE)

Tópico anterior

Energia e movimentos

Tópico seguinte

Aspetos quantitativos das reações químicas

EuraStudy·Resumos T·08·MMXXVI

Continua com o tópico seguinte: o teu percurso é mantido.