Cap 18 (8 a edição) Temperatura, Calor e Primeira lei da termodinâmica

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1 Termodinâmica: estuda a energia térmica. Cap 18 (8 a edição) Temperatura, Calor e Primeira lei da termodinâmica O que é temperatura: mede o grau de agitação das moléculas. Um pedaço de metal a 10 o C e um bloco de madeira também a 10 o C, qual deles parece mais frio? O metal remove energia mais rapidamente. A temperatura é uma das sete grandezas básicas do Sistema internacional e sua unidade no SI é o kelvin K Não se tem um limite superior para a temperatura, mas o inferior é o zero kelvin (0 K) conhecida como zero absoluto. A temperatura ambiente é por volta de 290 K. Na figura temos algumas temperaturas típicas. Lei Zero (1930) surgiu depois da Primeira Lei. É a Lei do equilíbrio térmico. As propriedades de muitos corpos variam quando alteramos a sua temperatura. Exemplo: volume aumenta, haste metálica fica maior, resistência elétrica aumenta. Experiência: Se T A = T B isso implica que A está em equilíbrio térmico com B.

2 Lei Zero: se cada corpo estiver em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estarão em equilíbrio térmico entre si. Medindo a temperatura: Ponto Triplo da água (P.T.) Situação onde agua nos estados líquido, sólido e gasoso coexistem para um conjunto de pressão e temperatura. Para este ponto foi atribuído o valor de 273,16 K que é o ponto de calibração de termômetros: Termômetro a Gás a Volume constante. Usado para calibração. T3 273,16 K Subindo ou descendo o reservatório R o nível do lado esquerdo do tubo em U é levado para o zero da escala. A temperatura do líquido é definida por: cons tante T C p mas p po gh pressão T3 Para o ponto triplo temos: T3 Cp3 C e com isso temos: T p valor de T 3, temos: T 273,16 p p Devemos usar um gás bem rarefeito para a medida: 3 3 T p 3 3 p, como sabemos o T p 273,16 lim gás0 p3

3 Escalas Celsius e Fahrenheit: a primeira é usada mais popularmente e comercialmente enquanto a segunda nos países de língua inglesa. A outra escala muito usada, principalmente no meio científico é a escala kelvim A relação entre as escalas é dada por: Matematicamente, temos:.

4 Expansão térmica: Por que isso ocorre? Materiais diferentes sofrem dilatação diferentes Três tipos de dilatação Linear Superficial Volumétrica

5 Dilatação Linear Dilatação superficial Dilatação Volumétrica L Lo comprimento _ inicial L T Variação _ temperatura L LoT L coeficiente _ dilatação _ linear S So sup erficie _ inicial S T Variação _ temperatura S SoT S coeficiente _ dilatação _ sup erficial V Vo volume _ inicial V T Variação _ temperatura V VoT V coeficiente _ dilatação _ volumétrico Relação entre os coeficientes de dilatação: 2 3 Alguns coeficientes de dilatação foram determinados em laboratório, sob certas condições. Veja exemplos: Substância α (10-6 C -1 ) gelo 51 chumbo 29 alumínio 24 latão 19 cobre 17 concreto 12 aço 11 vidro comum 9,0 vidro pirex 1,2 invar (liga de níquel e aço) 0,70 Valores obtidos à temperatura ambiente (20 C), exceto para o gelo. O líquido mais precioso da natureza tem um comportamento estranho quando sofre variações de temperatura. Observando o gráfico abaixo se percebe que o volume específico (volume por unidade de massa) muda com a temperatura. Acima de 4 C ela se expande com o aumento da temperatura, o que é esperado. Mas, entre 0 C e 4 C a água se contrai com o aumenta da temperatura. Em torno de 4 C o volume específico da água passa por um mínimo, o que

6 significa que a densidade passa por um máximo. Esse comportamento da água permite entender porque os lagos congelam primeiro na superfície. Um exemplo: Supondo que a água na superfície esteja a 10 C. À medida que a temperatura diminui, ela fica mais densa e se desloca para o fundo. Abaixo de 4 C, no entanto, um maior resfriamento torna a água da superfície menos densa que a do fundo; logo, ela permanece na superfície até congelar. Temperatura e Calor: Quando deixamos um bolo sobre a mesa, ele perde calor rapidamente no início e depois a temperatura diminui mais lentamente. Isso pode ser visto pelo gráfico abaixo, que representa a lei de resfriamento de Newton.

7 Q é a quantidade de calor (J joules) e é definido com a energia térmica em transito devido a diferença de temperatura entre dois corpos. Q>0 significa calor absorvido pelo sistema Q<0 significa calor liberado pelo sistema. Caloria (cal): capacidade de aumentar a temperatura da água. Absorção de calor por sólidos e líquidos. Capacidade calorífica ( C ) Q C T J K C ( S. I.) Calor específico ( c ) 3 1,0 3, ,186 cal x Btu J Dois materiais iguais com massas diferentes, qual transfere mais calor para atingir a mesma variação de temperatura? C c m J kg. K c ( S. I.) o O maior valor do calor específico é o da água e ele vale c 1,00 cal / g C, todos os outros serão menores. Quanto menor, maior será a variação de temperatura sofrida por um determinado material. O valor de alguns materiais são mostrados na tabela abaixo.

8 Então, podemos calcular a quantidade necessária de calor para que uma determinada quantidade de massa sofra uma determinada variação na temperatura: Calor de transformação: Q mc T Absorvendo energia (calor) um objeto pode ou não variar sua temperatura. Ele pode também mudar de fase (sólido, líquido, gasoso). Dependendo da quantidade de calor absorvida pelo material.

9 Nessas transformações necessitamos de energia por massa que deve ser transferido para o objeto. Esse calor é chamado de calor latente ( L ). Q ml Podemos observar a mudança de fase no gráfico a seguir: Calor e trabalho A energia pode ser transferida em forma de calor e trabalho Diminuindo a massa sobre o êmbolo, e consequentemente o peso, a pressão empurra o êmbolo para cima fazendo-o deslocar, produzindo um trabalho sobre o mesmo pelo gás. Caso aumentemos a massa, o peso aumenta e o êmbolo desce produzindo um trabalho no gás. Tomemos a seguinte situação: diminuindo a massa lentamente o êmbolo vai deslocar para cima lentamente, de modo que a força sobre ele seja constante. Com isso podemos escrever:

10 W F s força deslocamento dw F ds pads p Ads dv dw pdv V f W dw pdv Vi Durante a variação de volume, a pressão e a temperatura podem ou não variar. Tanto o trabalho ( W ) quanto o calor ( Q )serão diferentes para processos diferentes. Ou seja, dependem da trajetória. Primeira Lei da termodinâmica: Dependendo da trajetória Q e W tem valores distintos, mas Q W (a diferença entre elas) sempre tem o mesmo valor. Essa diferença é independente da trajetória. Ela representa uma variação de uma propriedade intrínseca do sistema, denominada de energia interna ( E Int ). Casos especiais: EInt Q W Pr imeira _ Lei _ da _ Ter mod inâmica deint dq dw

11 Transferência de Calor: Três tipos: Condução, convecção e Radiação. Condução: Ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). Convecção: Ocorre somente em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido. Radiação: Ocorre em de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.

12 Taxa de condução de calor: P Cond Q T ka t H T L C Onde: k condutividade _ térmica _ do _ material L Espessura _ do _ material A Área _ de _ troca _ de _ calor Quando a condutividade é alta, temos um bom condutor de calor. Quando a condutividade é baixa temos um bom isolante térmico. Veja alguns valores na tabela:

13 Resistência Térmica à condução ( R ). Isolamento térmico: maus condutores de calor: R L k Taxa de emissão de radiação: Um objeto pode emitir radiação, deste que tenha temperatura. Essa taxa pode ser medida e depende da área do objeto e de sua temperatura. PRad onde : AT , / tan x W m K Cons te de Stefaqn Boltzmann 0 1( corpo _ Negro) emissividade _ da _ sup erfície

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