Física 2 - Termodinâmica

Transcrição

1 Física 2 - Termodinâmica Calor e Temperatura Criostatos de He C

2 Termodinâmica Energia Térmica Temperatura, Calor, Entropia... Máquinas Térmicas : Refrigeradores, ar-condicionados,...

3 Física Térmica NÚMERO DE PARTÍCULAS N>>1 Termodinâmica : Análise Macroscópica Fenomenológica Física Estatística Análise Microscópica Princípios físicos + estatística

4 Temperatura Sensação térmica Energia térmica : Energia interna : cinética + potencial átomos-moléculas

5 Equilíbrio Térmico Dois sistemas grandes em contato térmico Muitas configurações = divisão da energia térmica permitidas UMA CONFIGURAÇÃO MUITO MAIS PROVÁVEL CONFIGURAÇÃO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO descreve MUITO BEM as propriedades do sistema TEMPERATURA

6 Temperatura Temperatura fundamental Unidade: energia g=n o. estados acessíveis 1 = τ (ln g) U N Temperatura absoluta termodinâmica : τ = KT Unidade: Kelvin K: constante de Boltzmann Zero Absoluto Escalas de temperatura : Celsius, Fahrenheit

7 Temperatura Os e x t r e m o s

8 Lei Zero da Termodinâmica Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles devem estar em equilíbrio térmico entre si. Sistemas : A, B e T Sistema T : parâmetro Temperatura T T =T A e T T =T B T A =T B SE: T i > T j Fluxo de energia de i para j

9 Medida da Temperatura Propriedades físicas que dependem de T: Pressão de gases Volume de gases e líquidos Dimensões de sólidos Resistência elétrica...

10 Escalas de Temperatura Referência: PONTO TRIPLO DA ÁGUA Define um único conjunto de P, V e T T 3 atribuído por acordo internacional: T 3 = 273,16 K Célula de ponto triplo

11 Escalas de Temperatura Kelvin, Celsius, Fahrenheit Celsius: T 3 =0,01 o C - T=1K=1 o C Fahrenheit : T 3 =32,02 o F - T=5K=9 o F t C 5 = ( tf 32º ) 9

12 Dilatação térmica Aumento de T aumento da separação média entre átomos do sólido Expansão linear: Coeficiente de expansão linear: α = L L T CTE

13 Dilatação térmica Furo aumenta ou diminui com T? = Ampliação fotográfica : Furo aumenta.

14 Dilatação térmica Expansão volumétrica : Coeficiente de expansão volumétrica: α β 3 = = T V V T L L L L L V V T = = = = α β Exemplo: CUBO 3 V = L

15 Dilatação térmica

16 Expansão térmica Aplicação : termostato contato elétrico

17 Expansão Térmica Coeficiente de dilatação anômalo da água Densidade: ρ = m V

18 Exemplo Um fio de aço com 130 cm de comprimento e 1,1 mm de diâmetro é aquecido a C e conectado a dois suportes. Qual a força gerada no fio quando ele é resfriado a 20 0 C? α aço = / 0 C E aço =200x10 9 N/m 2. L L = Lα T = = 1.16 cm F A F F L = E L L = E π L = 1700N d 2 2 = π 2 3 2

19 Calor e Temperatura T c >T ambiente T c <T ambiente energia energia Corpo perde energia interna transferida para ambiente Corpo ganha energia interna cedida pelo ambiente T c =T ambiente Não há transferência de energia

20 Calor e Temperatura T c >T ambiente T c <T ambiente energia energia Corpo perde energia interna transferida para ambiente Corpo ganha energia interna cedida pelo ambiente Energia transferida = CALOR = Q

21 Absorção de Calor Capacidade de absorção depende do sistema Em geral, resulta em aumento de T C = Q T Capacidade Calorifica Calor Específico c = Q m T Só depende do material e das condições p cte, V cte

22 Capacidade Térmica Quando se adiciona energia térmica a uma substância, a temperatura desta usualmente se eleva. A quantidade de energia Q necessária para elevar a temperatura de uma sustância é proporcional a variação de temperatura e a massa da substância Q = C T = mc T A quantidade C é chamada de Capacidade Térmica da substância, que se define como a energia térmica necessária para elevar de um grau a temperatura de uma substância.

23 Calor Específico A quantidade C (Capacidade Térmica) é uma grandeza que depende da massa da substância. A capacidade Térmica por unidade de massa de um corpo é chamada de calor específico e é uma característica do material que é composto: c = C m c = Q m T A capacidade térmica é uma característica de um determinado objeto, enquanto o calor específico caracteriza uma determinada substância.

24 Calor específico

25 Unidades CALOR = ENERGIA [Q] = Joule 1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para aumentar T de 1 g de água de 14,5 15,5ºC Calor específico [c] : J/(kg.K) : cal /(g. o C) c = Q m T

26 Transformação de FASE Requer energia : Q Q Q FUSÃO VAPORIZAÇÃO sólido líquido gasoso Q Q Temperatura não varia durante mudança de estado

27 Transformação de FASE Requer energia : Q Q Q FUSÃO VAPORIZAÇÃO sólido líquido gasoso Calor Absorvido/Liberado na mudança de fase por unidade de massa Calor de Transformação Q Q L = Q m

28 Calor de Transformação

29 Q 1 Q 2 Exemplo Qual a quantidade de calor necessária para transformar 720 g de gelo inicialmente a C em água a 15 0 C? c ice = 2220 J/Kg, L F = 333 J/kg, c lig = 4190 J/kg

30 Temperatura 1º. Lei da Termodinâmica

31 Calor e Trabalho CALOR: Energia transferida por contato térmico Q : Calor recebido pelo sistema TRABALHO: Energia transferida por variação dos parâmetros externos do sistema W : trabalho realizado pelo sistema ENERGIA INTERNA DO SISTEMA: Cinética+potencial dos graus de liberdade internos E int : PROPORCIONAL A TEMPERATURA

32 Calor e Trabalho Q : Calor recebido pelo sistema W : trabalho realizado pelo sistema E int : ENERGIA INTERNA DO SISTEMA: CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E i = Q W 1º. LEI DA TERMODINÂMICA

33 Calor e Trabalho TRABALHO - FLUIDO

34 Trabalho Gás ideal PV = nrt Área curva no diagrama p-v i f Qual caminho?

35 Processos Adiabáticos Sistema isolado OU Processo muito rápido Não há transferência de calor Q = 0 Ei = Q W Ei = W Expansão adiabática : W>0 : E i <0 : Temperatura diminui Compressão adiabática : W<0 : Ei>0 : Temperatura aumenta

36 Processos isotérmicos Em um processo isotérmico, a temperatura permanece constante. Se o sistema é um gás ideal, a energia interna também deve ser constante, E int = 0. Pela primeira Lei da Termodinâmica teremos Q = W Processo isotérmico, gás ideal

37 Processos a Volume Constante Quando o volume do gás permanece constante, ele não pode realizar trabalbo. W = 0 E = Q W i Q = E i Gás aborve calor : Q>0 : E i >0 : Temperatura aumenta Gás libera calor : Q<0 : E i <0 : Temperatura diminui

38 Processos Cíclicos Estados inicial e final = iguais E int inicial e final = iguais T inicial e final = iguais E i = 0 Ei = Q + W Q = W Curvas fechadas

39 Expansão Livre Expansão adiabática sem realização de trabalho Q = W = 0 E i = Q W E i = 0 Temperatura do gás NÂO varia Não pode ser realizada lentamente : processo súbito : estados intermediários não são de equilíbrio : Não podemos desenhar trajetória em diagrama p-v

40 Primeira Lei da Termodinâmica Resumo

41 Exemplo Deve-se converter 1 kg de água a em vapor d água na mesma temperatura numa pressão p = 1,01x10 5 N/m 2. O volume da água varia de 1,0 x10-3 m 3 quando liquido para 1,671 m 3 em gás. Qual o trabalho realizado pelo sistema? Qual a variação da energia interna do sistema? E i = Q W

42 Transferência de calor Condução Convecção Radiação

43 Condução Energia térmica transferida átomo átomo

44 Condução Placa com faces de área A e espessura L mantidas em T H e T c Taxa de condução: Calor transferido por unidade de tempo: k : condutividade térmica do material R : resistência térmica à condução de calor :

45 Condução

46 Condução Placa composta em estado estacionário : H 1 = H 2 = H Resistências térmicas em série se somam

47 Convecção Brisa do mar

48 Convecção FLUIDOS : variação da temperatura variação da densidade movimento do fluido : Correntes de convecção

49 Radiação Calor absorvido/liberado por absorção/emissão de ondas eletromagnéticas Única transferência de calor no vácuo SOL Terra

50 Radiação Taxa de radiação de térmica : Potência térmica P = σ ε AT 4 Lei de Stefan-Boltzmann σ= 5,6703x10-8 W/m -2 K -4 : Cte de Stefan-Boltzmann ε : emissividade : 0 1 (1 = corpo negro) T : PRECISA estar em K

51 Radiação Emissão vs Absorção Potência térmica irradiada P rad = σ ε AT 4 Potência térmica absorvida P = σ ε AT abs amb 4 Taxa líquida de troca de energia de um corpo em T num ambiente em T amb P liq = P P = σ ε A( T abs rad 4 amb T 4 )