Física do Calor Licenciatura: 2ª Aula (07/08/2015)

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1 ísica do Calor Licenciatura: ª Aula (7/8/15) Prof. Alvaro Vannucci Vimos, na última aula: Conceitos de calor x temperatura. grandezas termodinâmicas macroscópicas P, V e T definem o estado termodinâmico de um sistema. No caso de um gás ideal: PV Escala termométricas usuais: Celsius, ahrennheit e Kelvin nrt TC 1 T T C 5 ( T 9 3) e T T 73,15 k c Além dos termômetros a álcool, mercúrio, etc. (no estado liquido), temos também o termistor, o termopar e o que mede radiação Infra-Vermelha. O termômetro termistor explora o fato que a resistência elétrica de certos materiais (fio de platina, por exemplo) varia mais ou menos linearmente com a temperatura. Calibração: nas pontas de gelo e de vapor medemse as resistências e constrói-se, então, a escala termométrica. O termopar explora o fato que a função de dois fios de metais diferentes faz surgir uma diferença de potencial entre eles; e esta ddp é proporcional (mais ou menos linearmente) com a temperatura de função. Calibração: se consegue da mesma forma que acima.

2 Um experimento interessante é o que explora o efeito Poytier : O termômetro IV mede diretamente a radiação eletromagnética, nesta faixa de frequência DilataçãoTérmica Além dos liquidos e gases, os sólidos também apresentam a propriedade de dilatação quando aquecidos (e podem mesmo ser utilizados para se construir termômetros). Por esta razão são deixados os espaçamentos em trilhos, superfícies pavimentadas, etc. Experimentalmente observa-se que um fio de comprimento l, quando submetido a uma variação de temperatura T, sofre uma dilatação ( l = l - l ) que é proporcional (a constante de proporcionalidade depende do material que compõe o fio) ao seu comprimento inicial (l ): T (demonstração: contração de haste metálica partindo um prego) Agora, no caso de se querer construir um termômetro, explorando este efeito, podemos usar duas lâminas de metais diferentes (bi-metal) com diferentes coeficientes de dilatação ( ). Experimentos : 1) curvatura de um papel de maço de cigarro:

3 ) termômetro usando um bi-metal: Tomando agora uma chapa metálica delgada de área, A 1, sob uma variação de temperatura T, observa-se que ela também sofre uma dilatação térmica, de forma que a sua área final será: A ( ) ( l ) (comparativamente ás outras parcelas, é muito pequena) De forma que variação da área será : A A A Assim, percentualmente A : A A Agora, utilizando a equação (1): A A T A T T T A Atenção : note que esta mesma equação se aplica para calcular o aumento de um orifício na placa (demonstrando com uma bexiga) 6 1 Exercício: um orificio circular feito em uma lâmina de alumínio (,3 1 o al C ) tem diâmetro aquecida a resolução: sendo d 1 C? 3 cm a A 1 ( ) 1 C. Qual é o diâmetro do orificio quando o placa for R e A A A T A A(1 T) ; então: d d 3 6 (1 T) d d 1 T 1 1 (),3 1 d 1,46 cm ; ou seja d 1m e d,46cm

4 o * note que poderíamos ter utilizado diretamente a relação de dilatação linear para cálculo do diâmetro: d d T d cm 3 6 1,3 1, 46 Seguindo-se a mesma linha de raciocínio, o cálculo da dilatação volumétrica será: V 3V T demonstração de dilatação volumétrica: Atenção : um certo cuidado deve-se tomar quando for medida a dilatação volumétrica de um líquido contido em recipiente, porque a dilatação volumétrica segue (geralmente) a relação: V V T ; sendo 3 De forma que, ao se variar a temperatura do sistema de T, tanto o recipiente quanto o líquido no seu interior sofrerão dilatação, mas a uma taxa diferente; ou seja: liquido solido l l l l l (líquido) : V V V T V V (1 T) rec rec (recipiente) : V V (1 3 T ) liq rec ; sendo que: V V V liq l rec liq Assim: V V V V (1 T 1 3 T ) V V ( 3 ) T efetivo efetivo (coeficiente de dilatação aparente do líquid o) Os termômetros devem ser calibrados levando-se em consideração este efeito. Os líquidos em geral apresentam valores ; mas a água entre o C e 4 o C tem nesta faixa de temperatura! Este "comportamento anômalo" reflete as ligações tipo "pontes de hidrogênio" (a molécula HO é fortemente polar), formando macro-moléculas de água ("clusters"). Calorimetria Quando se fornece ou se extrai calor de uma substância, ou sistema, verifica-se que a sua temperatura varia. Se levarmos 1 L de leite ao fogo, por exemplo, verificamos que em 3 minutos a temperatura varia de 15 C para 4 C.

5 Mantendo-se o mesmo fogo e o mesmo tempo de aquecimento, observa-se que o mesmo volume de outros líquidos (água, vinho, etc.) atinge temperaturas finais diferentes, partindo todos da mesma temperatura inicial. Também, se litros de leite a 15 C forem levados ao fogo no mesmo intervalo de tempo, verifica-se que a temperatura final alcançada será menor que E è justamente através de constatações experimentais como estas que se 4 C de antes. determinou uma relação empírica entre a quantidade de calor ( dq ) trocada por um corpo e a consequente variação de temperatura ( dt ): dq m c dt ; onde (m) é a massa e (c - em cal ) corresponde ao calor g C específico do material, que depende da sua temperatura. No caso da água: Nota: Neste nosso curso o calor específico será sempre admitido constante. Experimento : Cálculo do calor específico de um bloco metálico : antes depois T ( H O) T ( metal) T ( H O) 1 C T ( ) C i i metal Assim: QH ( 1) ( ) O Qmetal mh O cho T mmetal cme tal T o 1 cal / g C Medindo-se: m(h O) = 8g ; m(metal) = 3g e T = 9 o C: cmetal cmetal,8 cal 8.8 g C