Calorimetria

Para iniciarmos o estudo da calorimetria, vamos relembrar o conceito calor. Calor é energia térmica em trânsito, ou seja, o calor só existe quando não há equilíbrio térmico entre corpos que estão sendo estudados. Essa energia em trânsito se desloca do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

Calorimetria
A calorimetria é uma análise do problema que envolve trocas de calor quando corpos de diferentes temperaturas são postos juntos em recipientes termicamente isolantes e isolados do meio exterior.
Se tivermos um sistema fechado contendo dois corpos A e B, sendo que a temperatura do corpo A é maior que a de B, irá ocorrer troca de calor até que ambos os corpos estejam em equilíbrio. É preciso observar que, ao final do processo, a temperatura de equilíbrio será menor que a maior temperatura (no caso temperatura do corpo A) e maior que a menor temperatura (no caso temperatura do corpo B).
T maior > T equilíbrio > T menor


Calor Sensível e Calor Latente
Quando um corpo recebe ou cede calor, isso ocasiona uma variação na energia cinética desse corpo. Um corpo que recebe ou cede calor mantém seu estado de agregação. Apenas sua temperatura varia. Quando falamos de variação de temperatura, estamos falando de calor sensível, que é o calor trocado.
O calor recebido ou cedido por um corpo irá afetar seu estado físico. Nesse caso, a temperatura é constante. A água, em condições normais, entra em ebulição com 100°C, sua temperatura permanece constante nesse ponto, enquanto ocorre a mudança de estado físico. Quando falamos de mudança de estado físico, estamos falando de calor latente.

Quantidade de Calor
Critério de Igualdade
Quando dois corpos possuem uma mesma variação de temperatura, dizemos que suas quantidades de calor são iguais.

Critério da Multiplicidade
Uma quantidade de calor será n vezes igual a outra quando ambas provocam uma mesma variação de temperatura a partir da uma temperatura inicial por massas das quais uma é n vezes maior que a outra.

Unidades de Calor
A unidade de calor adotada é a caloria (cal). Caloria é uma quantidade de calor que deve ser fornecida a um grama de água para elevar sua temperatura a 1°C. A quilocaloria (kcal = 10³ cal) é um múltiplo da caloria. A quilocaloria deve ser fornecida a 1 kg de água, para elevar sua temperatura em 1°C. Em nosso dia-a-dia, a unidade que devemos usar quando nos referimos a alimentos é a kcal.
Outra unidade, a qual podemos usar, é a de energia no S.I., o joule (J). Sendo que 1 kcal = 4,18 J. Se você observar um ar condicionado, por exemplo, poderá encontrar outra unidade de calor, a BTU (unidade térmica inglesa: British Thermal Unit). 1 BTU = 1055 J = 252 cal. Na engenharia, um BTU é adotado com um valor de 0,293 W.h (watt.hora).

Capacidade Térmica
Vamos utilizar a letra Q como sendo a quantidade de calor que um corpo troca com e exterior, e ΔT como sendo a variação de temperatura. A capacidade térmica de um corpo é a razão entre a quantidade de calor e a variação de temperatura:
C = Q/ΔT
A unidade da capacidade térmica é dada por cal/°C, mas a medida pode ser feita em joule, sendo assim, a unidade será J/°C.

Calor Específico (c)
É a capacidade térmica de um corpo por uma unidade de massa desse corpo.
Q = mcΔT
Usualmente Q é medido em calorias, m em gramas e ΔT em °C. Portanto, a unidade de calor específico pode ser dado por cal/g°C, e se a medida for em joules, J/g°C.
Podemos notar que quanto menor o calor específico de uma substância, menor será a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura.

Calor Latente
Calor latente é quantidade de calor que um corpo tem de trocar com o exterior para que ocorra a mudança de estado sem a variação de temperatura. A equação de calor latente é a seguinte:
Q = mL

Princípio da Igualdade das Trocas de Calor
Esse princípio mostra que quando dois corpos, com temperaturas diferentes, são colocados no interior de um recipiente isolado termicamente, trocam calor entre si até atingirem o equilíbrio térmico. A soma das quantidades de calor cedidas e recebidas pelos corpos no sistema é sempre zero.
ΣQrec + ΣQced = 0

Cargas Elétricas

Há muito tempo o homem vem estudando fenômenos relacionados a eletricidade. Na Grécia antiga, o fenômeno de atração entre corpos já era observado quando se atritava âmbar com outros materiais. A palavra âmbar em grego é “elektron”, e dessa maneira surgiu o conceito eletricidade.

Carga elétrica e a teoria atômica
Sabemos que tudo a nossa volta é composto de átomos. As primeiras idéias do átomo surgiram na Grécia antiga, com Leucipo e Demócrito, por volta de 450 a.C. Para esses dois pensadores, toda a matéria pode ser dividida, até chegarmos a um ponto em que não é mais possível dividirmos parte alguma. Esse minúsculo pacote de matéria recebeu o nome de átomo, indivisível. Mas isso é matéria apenas para uma outra frente da física. O que vamos tratar aqui é a respeito das cargas elétricas do átomo. A visão que temos hoje a respeito do átomo é que, diferente do termo usado por Demócrito, o nosso átomo apresenta divisões.

Grosso modo, o átomo é constituído de 3 partículas elementares: prótons, nêutrons e elétrons. Mas a verdade é que mais de 200 partículas já foram detectadas através de colisões de núcleos. Os prótons e nêutrons, por exemplo, são constituídos de partículas menores chamadas quarks.
Os nêutrons, junto com os prótons, habitam no núcleo atômico. O que difere os nêutrons dos prótons é uma propriedade chamada carga elétrica (os primeiros não possuem essa propriedade). Prótons e elétrons possuem carga elétrica, como pode ser observado na tabela a seguir.

Embora os prótons e elétrons apresentem massas diferentes, suas cargas elétricas são iguais (em módulo). A carga elétrica de um próton ou de um elétron é denominada carga elétrica elementar, por ser a menor quantidade de carga elétrica da natureza, e é representada por e. No Sistema Internacional de Unidades, a grandeza de carga elétrica é medida em coulomb (C).
É preciso lembrar que os prótons e nêutrons estão firmemente presos aos núcleos atômicos. Apenas os elétrons, especialmente os das camadas mais externas denominadas camadas de valência, podem abandonar a estrutura atômica. Portanto, quando um corpo eletriza, quer dizer que houve perda ou ganho de elétrons.

Conceitos de carga atômica
Corpo Neutro: é quando o número de prótons é o mesmo número de elétrons.
Corpo eletrizado positivamente: é quando o número de prótons é maior que o número de elétrons.
Corpo eletrizado negativamente: é quando o átomo recebe elétrons.
A carga elétrica de um corpo eletrizado é conseqüência do desequilíbrio da quantidade de prótons e elétrons na estrutura do corpo. Pela perda ou ganho de n elétrons, o corpo possuirá uma carga:
Q= +- n.e
Se o corpo ganhar n elétrons, sua carga será: Q= - n.e
Se o corpo perder n elétrons, sua carga será: Q= + n.e
O n não pode assumir qualquer valor real, mas apenas valores inteiros.

Os princípios da Eletrostática
A eletrostática estuda a interação das cargas elétricas em corpos que apresentam um equilíbrio eletrostático. A eletrostática tem por base dois princípios:

1) Princípio de atração e repulsão
2) Princípio da conservação das cargas elétricas

O primeiro princípio diz que cargas de sinais opostos se atraem, enquanto cargas de sinais iguais se repelem.

Já o segundo princípio diz que a soma algébrica das cargas elétricas existentes em um sistema eletricamente isolado, é sempre constante.

Condutores e Isolantes
Um corpo é um bom condutor de eletricidade quando possuem portadores de carga que podem se movimentar mais facilmente pela sua estrutura. Os condutores podem ser divididos em três espécies:
· 1ª espécie: condutores onde os portadores livres de carga são os elétrons.
· 2ª espécie: são aqueles em que os portadores livres de carga são os íons positivos (cátions) ou negativos (ânions).
· 3ª espécie: os portadores de carga podem ser íons positivos e negativos.
Por outro lado, um corpo isolante não possui cargas elétricas de condução. O corpo pode até possuir cargas elétricas, mas as mesmas não conseguem se movimentar pela estrutura do corpo.
O sal de cozinha, NaCl, no estado sólido, possui íons Na+ e Cl-, sem nenhuma mobilidade. Quando jogado em água, os íons são liberados, o que passa a conduzir corrente elétrica.

Processos de Eletrização
Quando falamos de eletrização, temos que pensar no processo de retirar ou ceder elétrons a um corpo. Tanto um condutor quanto um isolante podem ser eletrizados, a diferença é que no corpo isolante, a carga elétrica adquirida permanece na região de eletrização e não se espalha pelo resto do corpo.
· Eletrização por atrito de materiais diferentes: Esse processo de eletrização foi o primeiro conhecido pelo homem. Atritando-se um pedaço de seda com um bastão de vidro percebe-se que o vidro adquire cargas positivas, cedendo elétrons para a seda. As cargas adquiridas pelos matérias são sempre iguais, mas de sinais opostos.
· Eletrização por contato: é um processo que funciona, essencialmente, entre materiais condutores. Em qualquer condutor com equilíbrio eletrostático, as cargas se dispõem pela superfície, de modo a minimizar a repulsão entre elas (um condutor esférico, por exemplo). Em um condutor não esférico, as cargas se concentram mais nas regiões estremas e pontiagudas. Se tivermos duas esferas condutoras de tamanhos diferentes e encostarmos uma na outra, as cargas elétricas se distribuirão proporcionalmente ao raio das esferas, e a carga total do sistema será conservada. Se duas esferas apresentarem o mesmo raio, as cargas elétricas serão distribuídas igualmente pela superfície das esferas.
· Eletrização por indução: é o fenômeno de separação das cargas que ocorre na superfície de um condutor quando colocado próximo a um corpo eletrizado. Para que dois corpos se atraem mutuamente, existem três possibilidades para seus estados de eletrização: positivo e negativo; negativo e neutro, positivo e neutro.

Indução Parcial e Total
- Indução Parcial
As cargas induzidas de um condutor neutro são, em módulo, menores que o total das cargas do corpo que provoca a indução.
- Indução Total
Imagine um condutor oco, com uma carga total +Q, que por sua vez é distribuída pela superfície do condutor. Agora, vamos introduzir dentro desse condutor oco uma esfera pequena com uma carga –q. A carga –q induzirá uma carga +q de mesmo módulo, mas de sinal contrário, na superfície do condutor oco. Porém, a soma total das cargas do condutor oco é inalterada: +q + (Q – q) = +Q. Esse tipo de indução recebe o nome de indução total, pois a carga induzida apresenta o mesmo módulo da carga indutora, mas de sinal contrário. Esse tipo de indução só ocorre quando o indutor está dentro de um induzido, que por sua vez é oco.

Eletroscópio
O eletroscópio é um aparelho usado para determinar se um corpo está ou não eletrizado. Os dois tipos mais usados de eletroscópio são o de folhas e o pêndulo eletrostático.

Unidade de Carga Elétrica
No Sistema Internacional, a unidade de carga elétrica é o coulomb ( C ). Como 1 coulomb é uma carga muito grande, na prática, utilizamos alguns submúltiplos como milicoulomb, microcoulomb, etc. A grandeza fundamental da eletricidade não é carga elétrica, mas sim ampéres ( A ). Um ampére equivale a uma corrente elétrica de carga 1 C que atravessa uma área de secção em um intervalo de 1 segundo, ou seja: 1A = C/s.


Lei de Coulomb
Um cientista inglês chamado Priestley, afirmava que as forças de repulsão e atração entra duas cargas deveriam ser regidas por leis iguais as da gravitação. Mas foi o francês Charles Augustin de Coulomb quem comprovou essa idéia. Essa comprovação ficou conhecida como Lei de Coulomb.
As forças de interação entre duas partículas eletrizadas possuem intensidades iguais e são sempre dirigidas segundo o segmento de uma reta que as une. Suas intensidades são diretamente proporcionais ao módulo do produto das cargas e inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre as partículas.

O valor de K é uma constante, denominada constante eletrostática. Essa constante depende do meio em que as cargas elétricas se encontram. De forma geral, o meio a ser considerado é o vácuo, portanto, o valor de K é aproximadamente 9,0 x 10^9 N.m²/C-2.

Equilíbrio Eletrostático
Um metal está em equilíbrio eletrostático quando não há movimento ordenado de cargas em sua superfície ou interior.

Big-Crunch: O que pode ocorrer caso o nível de densidade aumente?

Muitos alegam: o Big-Bang deu origem ao universo. Mas o que fará nosso universo chegar ao fim? Ele chegará ao fim?

Questões que dizem respeito do universo sempre foram feitas pelo homem, pois as mesmas sempre nos fascinaram. Mas quantos de nós temos certeza de quanto tempo ficaremos aqui nos questionando sobre a vida? Afinal, nossa existência nesse universo é eminente.

Existem três maneiras de estruturas do universo. A primeira diz respeito a um universo em que o nível de densidade total do mesmo está abaixo de um valor crítico. É o que estamos presenciando, o universo está em expansão e tem o formato de uma sela.

A segunda maneira estrutural do universo é o qual apresenta uma densidade igual ao nível crítico. Nessas condições, a expansão será desacelerada. O Universo é plano.

Por fim, a densidade pode ter um valor acima do valor crítico, isso fará com que toda a matéria atraia outra matéria e assim o universo entrará em colapso. É o que chamamos de Big-Crunch.

Mas existe outra maneira do Big-Crunch ser visto.
A expansão do universo está acontecendo de uma forma acelerada. Quando os físicos perceberam isso, atribuíram a essa ação uma energia que faz o inverso da força gravitacional. Essa energia ficou conhecida como Energia Escura, a quintessência do universo (de quinta essência). Uma cena improvável, mas não absurda, é que a Energia Escura mude sua forma de atuar, ou seja, se transforme em uma força gravitacional, colapsando toda a matéria em um único ponto. UAU!!!