Termodinâmica e Estrutura da Matéria. 19/Fev/2016 Aula 1

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1 Termodiâmica e Estrutura da Matéria 19/Fev/016 Aula 1 Temperatura e a Lei Zero da Termodiâmica Sistema Termodiâmico Termómetros e Escalas de Temperatura Descrição macroscópica dos gases ideais Equação dos gases ideais 1

2 Temperatura e a Lei Zero da Termodiâmica Calor Eergia trasferida etre dois objectos que estão a temperaturas diferetes. Cotacto térmico Dois objectos estão em cotacto térmico se puder existir trasferêcia de calor etre eles Equilíbrio térmico Dois objectos em cotacto (térmico) estarão em equilíbrio térmico se ão existirem trocas de calor etre si. Temperatura Medida do movimeto dos átomos e moléculas idividuais um gás, líquido ou sólido.

3 Temperatura É a característica que determia se dois objectos poderão estar em equilíbrio térmico. T 1 > T U 1 U Lei Zero da Termodiâmica Se dois objectos A e C estiverem em equilíbrio térmico com um objecto B, etão estão em equilíbrio etre si. T 1 = T U 1 U A C B 3

4 Sistema Termodiâmico W > 0 W < 0 Sistema (termodiâmico) Coteúdo material o iterior de uma superfície (froteira). Calor Q > 0 Exterior Sistema Trabalho Q < 0 Classificação dos sistemas termodiâmicos Aberto: troca matéria (e eergia) com o exterior. Fechado: ão troca matéria com o exterior (pode trocar eergia). Mecaicamete isolado: ecotra-se livre de qualquer acção exterior. Termodiamicamete isolado: ão troca trabalho, calor ou matéria com o exterior. Uiverso Aberto Fechado Isolado 4

5 Sistema estacioário Os parâmetros macroscópicos que defiem o seu estado ão variam o tempo. Sistema isolado em equilíbrio termodiâmico Sistema (isolado) em estado estacioário: T = costate distribuição uiforme p = costate distribuição uiforme. Sistema fechado em equilíbrio termodiâmico Sistema (fechado) em equilíbrio: térmico, T = T ext = costate mecâico, p = p ext = costate. 5

6 Escalas de Temperatura Celsius Fahreheit - a água cogela a 0 ºC e ferve a 100 ºC. - a água cogela a 3ºF e ferve a 1 ºF. Kelvi - a água cogela a 73,15K e ferve a 373,15K. Zero Absoluto - temperatura mais baixa possível: 0 K = -73,15 ºC. 0K C 0K C Coversão etre as escalas Celsius e Fahreheit: 9 TF T C+ 3 5 Coversão etre graus Celsius e Kelvi: T =T - 73,15 C K 6

7 Termómetros e Escalas de Temperatura Os termómetros utilizam propriedades físicas que se modificam com a temperatura: 1) volume de um líquido ) dimesões de um sólido 3) pressão de um gás a volume costate 4) volume de um gás a pressão costate 5) resistêcia eléctrica de um codutor ou semicodutor 6) cor de um objecto 7) cor trasmitida ou reflectida por um cristal líquido 8) itesidade da radiação térmica etc. T ( F / C ) T 3 F F 9 5 C 7

8 No etato, as substâcias de que são feitos os termómetros podem ão ter um comportameto liear em toda a gama de temperaturas. E quado ultrapassam determiados limites de temperatura podem mudar de estado. Características mais importates sesibilidade precisão reprodutibilidade velocidade Termómetro de gás a olume costate Matém o ível de referêcia fixo matém o volume de gás costate: quado a temperatura do gás varia, a altura h varia a pressão do gás é proporcioal a h. Temperatura a medir P = P 0 + g h 8

9 Para termómetros de gás a volume costate compostos por diferetes gases, obtém-se curvas com declives diferetes mas a mesma ordeada a origem. Gás 1 Gás Gás 3 Foi com base em curvas deste tipo que se chegou à escala de Kelvi: a ordeada a origem correspode ao zero absoluto. 0 K Actualmete, as escalas de temperatura são estabelecidas com base um úico poto, o poto triplo da água, que correspode à temperatura para a qual a água líquida, o vapor de água e o gelo coexistem em equilíbrio: 73,16 K, bar. 9

10 Exemplos de termómetros Álcool Termopar RTD (Resistace Temperature Detector) efeito de Peltier - Seebeck Pirómetro IR 10

11 Um termómetro de gás a volume costate apreseta uma pressão de 5000 Pa quado a temperatura do gás é de 0º C. Qual é a temperatura quado a pressão é de 000 Pa? T T P = P 1 1 T 000 = 73, T = 109,6 K = -163,9ºC 11

12 Temperaturas de fusão 1

13 Descrição macroscópica de um gás ideal T = temperatura = quatidade de material P = pressão = volume As Leis de Boyle, de Charles e Gay-Lussac e o pricípio de Avogadro coduzem a um modelo empírico simples para os gases moomoleculares a baixas desidades, sem forças itermoleculares. 13

14 14

15 Lei de Boyle O volume de uma quatidade fixa de gás matido a temperatura costate é proporcioal à pressão do gás. = c te T = c te = c te T = c te P 1 1 = P P1 P 1 Lei de Charles e Gay-Lussac O volume de uma quatidade fixa de gás matido a pressão costate é proporcioal à temperatura do gás. = c te P = c te T 1 1 = T 1 T T1 15

16 16 Pricípio de Avogadro O volume ocupado por um gás matido a pressão e temperatura costates é proporcioal à quatidade de gás, expressa em moles P = c te T = c te

17 Equação dos gases ideais Lei de Boyle: Lei de Charles: Pricípio de Avogadro: 1 P T (, T costates) (, P costates) (P, T costates) T P Costate dos Gases Ideais R = 8,31 Jmol -1 K -1 P = R T Nota: costate de Boltzma k B R N A 1, J K -1 N A = 6, mol -1 Gás Ideal Qualquer gás que possa ser descrito pela equação dos gases ideais. 17

18 18 Codições de Pressão e Temperatura Normais (PTN ou STP) T = 0 ºC, P = 1 atm Uma mole de um gás ideal ocupa,4 l ( volume molar dum gás as codições PTN). P i = X i P t Misturas de gases e pressões parciais (Lei de Dalto) As pressões parciais depedem da fracção molar (X i ) dos gases a mistura. A pressão total é a soma das pressões parciais. RT P i i 3 1 t RT P i t i t i t i X RT RT P P P 1 P P 1 +P

19 O argo é um gás ierte utilizado as lâmpadas de icadescêcia para retardar a vaporização do filameto. Cosidere uma destas lâmpadas cotedo argo à pressão de 1, atm e à temperatura de 18ºC. Quado a lâmpada é ligada e a sua temperatura passa para 85ºC, qual é a pressão o seu iterior? Equação dos gases ideais: P = RT Neste caso, e são costates R P cte T P T i i P T f f Tf Pf Pi 1, 1,48 atm T i 19

20 Nos pulmões, a membraa respiratória separa pequeos sacos de ar (alvéolos, à pressão de 1,00x10 5 Pa) do sague os capilares. O raio médio dos alvéolos é 0,15 mm e o ar o seu iterior cotém 14% de oxigéio. Admitido que o ar se comporta como um gás ideal a 310 K, determie o úmero de moléculas de oxigéio um destes alvéolos. Equação dos gases ideais: P = RT , , P 3 3,17 10 RT 8, moles N N A 3, ,0 10 1,91 10 moléculas N N 14% 1, ,14,67 10 moléculas de O O 0