Termodinamica

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INTRODUÇÃO TEÓRICA – Efeito Joule

1.0) Termodinâmica e Teoria Cinética

A descoberta da relação entre eletricidade e calor trouxe ao homem vários benefícios. Muitos aparelhos que utilizamos no nosso dia-a-dia têm seus funcionamentos baseados no Efeito Joule.
Esse fenômeno é explicado pelo o aquecimento dos condutores, ao serem percorridos por uma corrente elétrica.Num condutor metálico, os elétrons estando livres, possuem grande mobilidade e podem se deslocar e se chocar com os átomos do condutor. A cada colisão, parte da energia cinética do elétron livre é transferida para o átomo com o qual ele colidiu, e esse passa a vibrar com uma energia maior. O aumento no grau de vibração dos átomos do condutor tem como consequência um aumento de temperatura. Assim, aenergia elétrica é transformada em energia térmica (calor).
Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo. [1] [2] [3]


2.0) Definição

O Efeito Joule tem esse nome em homenagem ao Físico Britânico James Prescott Joule (1818-1889), o qual concluiu experimentalmente que a energia térmicadissipada num condutor, quando percorrido por uma corrente eléctrica, é diretamente proporcional à resistência do condutor, ao quadrado da intensidade da corrente e ao tempo durante o qual passa essa corrente. A expressão matemática que traduz este efeito é:
Q=R . I² . dt (Equação 1)
Onde:
* Q é o calor gerado por uma corrente constante percorrendo uma determinada resistência elétrica pordeterminado tempo.
* I é a corrente elétrica que percorre o condutor com determinada resistência R.
* R é a resistência elétrica do condutor.
* dt é a duração ou espaço de tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.


Se a corrente não for constante em relação ao tempo, integra-se a


Utilizando a Equação 1, e considerando: R= VITem-se que:
Q=V.I.dt (Equação 2) [1][4][5]


3.1) Potência

Potência elétrica dissipada em um resistor em qualquer circuito é dada por :
P=I .V (Equação 3)

Segundo a lei de Ohm temos que: V=R . I
Assim podemos encontrar que:
P=I .R .I∴ P=R .I² (Equação 4)

Ou ainda se: I= VR
Podemos fazer:
P=VR .V ∴P=V2R (Equação 5)

Sendoque qualquer uma destas três equações (3), (4) e (5) mede a potência dissipada de maneira satisfatória. [2][5]


3.2) A Lei de Joule

A lei de Joule está relacionada com a definição de joule onde:
Um joule é o trabalho realizado para transportar um coulomb (unidade de medida da carga elétrica) de um ponto para outro, estando os dois pontos a uma diferença de potencialde um volt (unidade de medida da diferença de potencial).
O trabalho é dado por:
E=q .V (Equação 6)
onde:
* E é o trabalho elétrico (em joule).
* q é a carga (em coulomb).
* V é a diferença de potencial (em volt). [1][5][7]

A quantidade de calor liberada pela passagem da corrente elétrica pode ser calculada pela aplicação do 1o princípio da Termodinâmica,também chamado princípio da equivalência. Seu enunciado é:

“quando há transformação da quantidade de energia E na quantidade de calor Q, ou vice-versa, o quociente de E por Q é constante, quaisquer que sejam E e Q ”.

Significa que:
J = EQ (Equação 7)
Onde:
* J é equivalente elétrico do calor
* E é o trabalho elétrico (em joule).
* Q é a carga (emcoulomb).

O inverso do equivalente elétrico do calor (J) se representa por A. Então:
Q = A .E (Equação 8) [1][5][7]

Quando a energia elétrica absorvida pela resistência elétrica é transformada totalmente em calor, isto é, a produção de calor é inerente à passagem da corrente (energia “dissipada” por uma resistência). Em virtude das Equações 1, 2 e 7, a quantidade de calor...
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