Termodinâmica - 1. Alexandre Diehl. Departamento de Física - UFPel

Transcrição

1 Termodinâmica - 1 Alexandre Diehl Departamento de Física - UFPel

2 Hipócrates ( AC) Os temperamentos, ou o conjunto de fatores constituintes de uma personalidade, estão ligados aos 4 humores (fluidos) corporais: Sangue Fleuma (secreção mucosa) Bílis amarela Bílis negra 2

3 Aristóteles ( AC) Temperatura como um conceito associado ao temperamento ou estado assumido pelos corpos. Os 4 elementos (ar, água, terra, fogo) têm qualidades específicas. O temperamento de um corpo é medida pelo grau de mistura de qualidades opostas: o quente e o frio. 3

4 Teoria dos 4 humores Sangue: é armazenado no fígado e levado ao coração, onde se aquece, sendo considerado quente e úmido. Fleuma: compreende todas as secreções mucosas, provém do cérebro e é fria e úmida. Bílis amarela: é secretada pelo fígado e é quente e seca. Bílis negra: é produzida no baço e no estômago e é de natureza fria e seca. 4

5 Teoria dos 4 humores Sangue: otimismo, resistência, confiança, felicidade. Fleuma: indiferença, passividade. Bílis amarela: maldade. Bílis negra: depressão irritabilidade, melancolia, raiva, tristeza, 5

6 Claudius Galenus ( ) Existem 4 graus de calor ( temperamento ), medidos a partir de um ponto neutro, obtido pela mistura de quantidades iguais de gelo e água fervente. Cada pessoa tem uma temperamento próprio: Uma doença altera este temperamento.. O papel do médico é restabelecer o temperamento ideal do corpo, ou seja, o grau apropriado de calor ou de frio. 6

7 A questão que se coloca: como podemos medir o temperamento ou o grau de calor de uma pessoa? ou, de forma mais atual, como podemos medir a temperatura de um corpo? 7

8 Galileu Galilei ( ) 1593: construção do primeiro termoscópio. Galileu tomou um vaso de vidro aproximadamente do tamanho de um ovo de galinha e ajustou-o a um tubo de largura de um canudo com cerca de 18 polegadas de comprimento; ele aqueceu o bulbo de vidro em suas mãos e inverteu o tubo mergulhando-o num outro vaso com água. Tão logo o vaso resfriou-se a água subiu no tubo até a altura de 9 polegadas acima do nível do segundo vaso. Ele usou este instrumento para investigar os graus de calor e frio. Castelli ( ) 8

9 Sanctorio Sanctorius ( ) 1612: construção do primeiro termoscópio clínico. Uso de uma escala graduada, definida usando dois pontos de referência: neve e chama de uma vela. Os graus de calor associados aos estados de saúde do corpo humano eram marcados na escala. Interesse Galenus. pelo trabalho de 9

10 Jean Rey ( ) 1632: propôs a inversão do termoscópio de Galileu. Para fazer uso dele, eu o coloquei ao Sol e algumas vezes nas mãos de um paciente com febre, tendo enchido-o completamente, exceto o tubo; o calor expandindo a água faz com que ela suba mais ou menos, de acordo com o maior ou menor calor. A dilatação da coluna de água passa a ser a medida. Pouco preciso em função da pressão atmosférica (proposta por Torricelli em 1643). 10

11 Ferdinand II de Medici ( ) 1654: construção do primeiro termoscópio selado. Uso de álcool (líquido de -114oC até 76oC) como substância do termoscópio. É mais expansivo do que a água. A dilatação é aproximadamente linear (não percebido na época). A selagem evita a evaporação do álcool e reduz a influência da pressão atmosférica. 11

12 Accademia del Cimento ( ) Fundada por Ferdinand II em Florença. Publicação do primeiro manual de experimentação. Refinamento do termoscópio de álcool. Introdução do mercúrio como substância termoscópico, sem muitos resultados: do Menos expansivo que o álcool. Pouco confiável em função da presença de impurezas. 12

13 Accademia del Cimento ( ) Fundada por Ferdinand II em Florença. Publicação do experimentação. primeiro manual de Refinamento do termoscópio de álcool. Introdução do mercúrio como substância termoscópico, sem muitos resultados: do Menos expansivo que o álcool. Pouco confiável em função da presença de impurezas. 13

14 Accademia del Cimento ( ) Fundada por Ferdinand II em Florença. Publicação do primeiro manual de experimentação. Refinamento do termoscópio de álcool. Introdução do mercúrio como substância do termoscópico, sem muitos resultados práticos: Menos expansivo que o álcool. Pouco confiável em função da presença de impurezas. 14

15 Accademia del Cimento ( ) Adoção de dois pontos fixos para a definição de pontos de referência do termoscópio: Ponto inferior: dia mais frio em Florença. Ponto superior: corpo humano. Produção de termoscópios de grande beleza artesanal, mas com pouca confiabilidade. 15

16 Carlo Renaldini ( ) 1694: sugestão de usar como pontos fixos o ponto de fusão do gelo e o ponto de ebulição da água. A constância das temperaturas nesses dois pontos não era conhecida na época. Somente no século XVIII isto viria a ser um fato científico, a partir dos estudos de Joseph Black sobre o calor latente em

17 Ole Christensen Roemer ( ) 1676: primeira medida quantitativa da velocidade da luz. 1701: criação da escala Roemer: Dia mais frio em Copenhage vale 0 graus. Ponto de fusão do gelo vale 7.5 graus (posteriormente aumentado para 8 graus). Ponto de ebulição da água vale 60 graus. 17

18 Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) 1714: construção do primeiro termômetro com mercúrio purificado como substância termométrica. Maior precisão na medida. 1724: criação da escala Fahrenheit, influenciado por Ole Roemer, com dois pontos fixos: 32 graus: ponto de fusão do gelo 96 graus: corpo humano. Ponto de ebulição da água vale 212 graus e tomado como ponto fixo mais tarde. 18

19 Anders Celsius ( ) Uso de termômetro de tubo aberto no estudo dos pontos de ebulição de ceras. 1742: criação da escala centígrada: Ponto de ebulição da água vale 0 graus. Ponto de fusão do gelo vale 100 graus. Existe alguma controvérsia histórica sobre esta versão do experimento e da construção da escala. 19

20 Carolus Linnaeus ( ) 1745: inverte a escala centígrada: Ponto de fusão do gelo vale 0 graus. Ponto de ebulição da água vale 100 graus. 1794: escala centígrada é adotada na França, a partir da definição do sistema métrico. 1948: graus Celsius são adotados como padrão, ao invés de graus centígrados, definindo assim a escala Celsius. 20

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22 Primeira conclusão: a temperatura é uma grandeza que não se mede diretamente. medimos a temperatura associando sua variação com as propriedades dos corpos usados como substâncias termométricas, como a dilatação de uma coluna de mercúrio, a variação do volume de um gás, etc. 22

23 Segunda conclusão: precisamos admitir que existe uma relação funcional entre a variação da temperatura e a variação da propriedade da substância termométrica. esta relação funcional deve ser a mais simples possível, para assim admitirmos que a temperatura seja a do instrumento. nada é dito sobre o modelo microscópico que define esta relação funcional. 23

24 Terceira conclusão: não é obvio que a temperatura do termômetro seja a mesma do ambiente em que ele está inserido. precisamos admitir que o objeto em contato com o termômetro tenha a mesma temperatura. dizemos que os dois corpos (termômetro e objeto) estão em equilíbrio térmico entre si. nada é dito sobre as condições microscópicas que definem este equilíbrio térmico. 24

25 Quarta conclusão: não é obvio que dois corpos, cujas temperaturas tenham sido medidas separadamente com um termômetro, possam ter a mesma temperatura. nada é dito sobre o que é transferido de um corpo para o outro, enquanto o equilíbrio térmico entre eles não é atingido. equilíbrio térmico e temperatura devem, portanto, estar relacionados com uma visão macroscópica do sistema em estudo. 25

26 Ponto de vista macroscópico Uma medida macroscópica é extremamente lenta na escala de tempo atômico (10-15 s) e de baixa resolução na escala de distâncias atômicas (10-10 m). Natureza temporal: A duração típica de uma medida macroscópica impede que o movimento complexo e rápido dos átomos seja caracterizado de forma apropriada. Natureza espacial: A medida macroscópica sofre de limitações de precisão, uma vez que é incapaz de caracterizar individualmente os átomos do sistema. 26

27 Ponto de vista macroscópico Devido à natureza da observação macroscópica, a termodinâmica descreve apenas os estados do sistema que são independentes do tempo. A descrição é feita a partir de conjunto de coordenadas ou variáveis macroscópicas: Poucas coordenadas são necessárias. Não dependem de condições microscópicas para sua definição. Usamos nossa intuição sobre o sistema para a sua definição. De preferência podem ser medidas diretamente num experimento. 27

28 Ponto de vista macroscópico A caracterização dos estados do sistema que são independentes do tempo é feita a partir de um número pequeno de coordenadas termodinâmicas independentes, como por exemplo X e Y. Quando os valores assumidos pelas variáveis X e Y não variam mais no tempo, dizemos que o sistema em estudo está num estado de equilíbrio termodinâmico. Exemplo: X e Y podem ser as medidas da pressão e do volume do sistema em estudo. 28

29 Ponto de vista macroscópico O estado de equilíbrio termodinâmico deve ser definido para um sistema simples ou para a junção de sistemas simples, definindo o chamado sistema composto. Sistemas simples Definidos como sistemas que são macroscopicamente homogêneos, isotrópicos, não carregados, que são grandes o suficiente para que efeitos de superfície sejam desprezíveis. Além disso, não estão sujeitos à campos elétricos, magnéticos ou campos gravitacionais. Um sistema simples pode conter uma mistura de diferentes espécies químicas. 29

30 Ponto de vista macroscópico A análise macroscópica é feita separando os sistemas em estudo de suas vizinhanças através de paredes ou vínculos. Sistema isolado: o sistema não é influenciado por sua vizinhança. Sistema aberto: o sistema troca informação (interação) com sua vizinhança através das paredes ou vínculos. A junção do sistema e sua vizinhança define o chamado universo termodinâmico. Nada além dele deve existir. 30

31 Ponto de vista macroscópico A análise macroscópica é feita separando o sistema em estudo de sua vizinhança através de paredes ou vínculos. Parede adiabática Um estado Y e X para o sistema A e um estado Y' e X' para o sistema B podem coexistir como estados de equilíbrio, para quaisquer valores possíveis das quatro coordenadas. 31

32 Ponto de vista macroscópico A análise macroscópica é feita separando o sistema em estudo de sua vizinhança através de paredes ou vínculos. Parede diatérmica Os valores de Y, X, Y' e X' mudarão de forma espontânea até que seja obtido um estado de equilíbrio do sistema composto, ou seja, dizemos que os sistemas A e B estão em equilíbrio térmico entre si. 32

33 Ponto de vista macroscópico A análise macroscópica é feita separando o sistema em estudo de sua vizinhança através de paredes ou vínculos. Equilíbrio térmico É o estado adquirido por dois ou mais sistemas simples, caracterizado por valores restritos de coordenadas termodinâmicas dos sistemas, após eles terem sido colocados em contato através de paredes diatérmicas. 33

34 Ponto de vista macroscópico Lei zero da Termodinâmica (Ralph H. Fowler, 1931) Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro, no caso o termômetro, estão em equilíbrio térmico entre si, ou seja, têm a mesma temperatura. Corolário: Temperatura de um sistema é uma propriedade que determina se um sistema se encontra ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas. 34

35 Ponto de vista macroscópico Lei zero da Termodinâmica (Ralph H. Fowler, 1931) 35