BC0205. Fenômenos Térmicos Gustavo M. Dalpian Terceiro Trimestre/2009. Aula 2 Dalpian

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1 BC0205 Fenômenos Térmicos Gustavo M. Dalpian Terceiro Trimestre/2009

2 Fenômenos Térmicos? Ementa: Temperatura e calor. Sistemas termodinâmicos. Variáveis termodinâmicas e sua natureza macroscópica. Teoria cinética do calor e dos gases. Primeira lei da termodinâmica. Processos irreversíveis e entropia. Segunda lei da termodinâmica.?

3 Fenômenos Térmicos??? Termodinâmica: Estuda processos de transformação na matéria macroscópica (número de Avogadro de constituintes), prescindindo de qualquer hipótese sobre a constituição atômica (microscópica) dos corpos materiais; Estuda as transferências e conversões de energia entre um sistema e sua vizinhança, com possíveis variações na temperatura ou mudanças de estado físico do sistema; Descreve processos de transformação em física, química e biologia. Início de seu desenvolvimento ocorreu na primeira metade do século XIX, como resultado de tentativas para melhorar a eficiência de máquinas a vapor (Calor->Trabalho)

4 Termodinâmica? 4

5 Termodinâmica Permite saber se um processo é permitido Qualquer processo Permite saber se um processo irá acontecer espontaneamente Fundamental para Física, Química e Biologia Permite calcular limites teóricos para rendimentos de processos Fundamental para as engenharias Calor e Trabalho

6 Temperatura Como definir qual objeto mais quente (ou mais frio)? Uma chama? Uma estrela? O espaço sideral? Definindo uma escala de temperatura! Quantas escalas de temperatura existem? Em uso: tres Celsius Fahrenheit Kelvin Como definir uma escala de temperatura? Utilizando propriedades da materia que dependem da temperatura (termoscópio) Volume/pressão de uma gas confinado, resistencia elétrica, comprimento de uma haste de metal, dilatacao de um liguido em um capilar, comprimento de onda de maior intensidade de um corpo negro.

7 Equilíbrio térmico + =? 7

8 Equilíbrio térmico Dois corpos em contato térmico trocam calor, fazendo variar suas propriedades até que entrem em equilíbrio térmico: suas propriedades assumem valores fixos e suas temperaturas são iguais (def.) Algumas definições úteis: Paredes diatérmicas: não oferecem obstáculo à equalização das temperaturas entre os corpos que separam Paredes adiabáticas: Impedem a equalização das temperaturas dos corpos que separam.

9 Equilíbrio Térmico Lei Zero da Termodiâmica: Se dois corpos A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si. OBS: A calibração do termoscópio resulta em um termômetro.

10 Escalas de Temperatura Termômetro: Termoscópio calibrado Escala ABSOLUTA! Escala Celsius: à pressão atmosférica, a temperatura da mistura de água e gelo em equilíbrio é definida como 0 o C (ponto de gelo) e a temperatura da mistura de água e vapor em equilíbrio é definida como 100 o C (ponto de vapor). Escala Fahrenheit: à pressão atmosférica, a temperatura da mistura de água e gelo em equilíbrio é definida como 32 o F (ponto de gelo) e a temperatura da mistura de água e vapor em equilíbrio é definida como 212 o F (ponto de vapor). Equação de Conversão:» TF = (9/5)TC + 32

11 Escalas de Temperatura Problema! Pureza da substancia afeta o ponto de fusão e ebulição Introdução do ponto tríplice da água como fenômeno de referência conjunto único de valores de P,V e T no qual água líquida gelo e vapor d'água coexistem e o zero absoluto T 3 =273,16K

12 Termômetro de Gás a V cte Termômetro de referência Composto por um tubo cheio de gás conectado por um tubo a uma manômetro de mercúrio. Levantando ou abaixando o reservatório R, o nível de mercúrio sempre pode ser trazido para o zero da escala, assegurando que o volume do gás permaneça constante. Padrão antigo: Pontos de fusão e ebulição da água como referência Padrão atual: Ponto triplo da água

13 Termômetro de Gás a V cte Defina a pressão de um gas qualquer no termômetro Meça a pressão no ponto triplo da água e utilize: Método somente é independente da pressão quando P->0

14 Termômetro de Gás a V cte Porque extrapolar para p->0?

15 Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos Conceito: Para a maioria das substâncias, quando a temperatura aumenta ocorre um aumento em seu volume. Esse é o fenômeno da expansão (ou dilatação) térmica. Aplicações: Juntas de expansão térmica em edifícios, estradas, pontes, trilhos de trem Termostatos baseados em lâminas bimetálicas: Materiais odontológicos para obturações (propriedades de expansão similares às do esmalte do dente) Rebites e elementos de fixação de peças em aeronaves

16 Origem: Aumento da separação média entre os átomos ou moléculas constituintes da substância com o aumento da temperatura (assimetria do potencial interatômico) Expansão Linear: ΔL = L f L i = αl i ΔT α: coeficiente médio de expansão linear ( o C -1 ) Expansão Volumétrica: Expansão Superficial: ΔV = V f V i = βv i ΔT β: coeficiente médio de expansão volumétrica ΔA= A f A i = γα i ΔT γ: coeficiente médio de expansão superficial Relação entre os coeficientes: β = 3α γ = 2α