DISCIPLINA AMB30093 TERMODINÂMICA - Aula 3 17/10/2013. Prof. Robson Alves de Oliveira robson.aoliveira@gmail.com.br robson.oliveira@unir.

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1 DISCIPLINA AMB30093 TERMODINÂMICA - Aula 3 17/10/2013 Prof. Robson Alves de Oliveira robson.aoliveira@gmail.com.br robson.oliveira@unir.br Ji-Paraná

2 Porque a água atinge o seu ponto máximo em 3,98 o? Porque quando congelamos a água, quando ela volta ao seu estado líquido ela não cabe no mesmo recipiente?.2

3 A massa específica da água líquida aumenta com a redução da temperatura..3

4 Quanto maior a temperatura da água líquida, maior o movimento cinético das moléculas, e mais intensa a agitação entre as moléculas. Isso ocasiona a cisão das ligações de hidrogênio e o afastamento das moléculas com o consequente aumento de volume..4

5 A massa específica do gelo também aumenta com a redução da temperatura..5

6 Por que o gelo flutua na água líquida? A massa específica do gelo é de 0,9178 g/cm³ (-1 o C). O gelo é menos denso do que a água líquida porque as ligações de hidrogênio nas moléculas do gelo são mais espaçadas e organizadas, formando uma estrutura rígida de forma hexagonal. Isso faz com que as moléculas ocupem um espaço maior do que ocupariam se estivessem no estado líquido..6

7 A medida que o gelo funde, há o desmoronamento parcial de sua estrutura, e em consequência há um aumento da massa específica (as moléculas antes mais afastadas se aproximam mais umas das outras), e o espaço entre elas torna-se menor..7

8 Num primeiro momento, poderíamos pensar (erroneamente) que a água atingiria sua massa específica máxima a zero graus (fusão do gelo)..8

9 Entretanto, a 3,98 C a água atinge sua massa específica máxima. Para valores menores ou maiores o volume da água aumenta, e sua massa especifica decresce..9

10 Porque a água atinge o seu ponto máximo em 3,98 o?... o gelo funde, há o desmoronamento parcial de sua estrutura... Esse efeito continua acima da temperatura de 0 o C. Ou seja, mesmo na fase líquida, a água ainda apresenta resquícios de sua formação cristalina com espaços vazios..10

11 Á medida que a temperatura da água vai aumentando, a destruição da estrutura molecular se acentua, os espaços intermoleculares tornam-se cada vez menores, e consequentemente a massa específica continua aumentantando. Esse efeito permanece até a temperatura de 3,98 o C, na qual a água tem sua maior massa específica (volume mínimo). Mas por que isso ocorre?.11

12 Isso é uma conseqüência direta do tipo de ligação que forma a molécula de água (ligações de hidrogênio). É apenas em temperaturas acima de 3,98 o C (e não 0 o C) que o efeito do movimento cinético das moléculas começa a prevalecer, enquanto que abaixo desta temperatura o efeito de destruição da estrutura é o mais importante. Isso explica porque a água congela primeiro na superfície dos lagos no inverno: quando a água atinge a temperatura de 0 C se torna menos densa que a água a 3,98 C, ficando consequentemente na superfície..12

13 Isso é faz com que a água a 3,98 C fique no fundo e mantenha mais aquecidas as criaturas que ali vivem. Porque quando congelamos a água, quando ela volta ao seu estado líquido ela não cabe no mesmo recipiente?.13

14 EXERCÍCIOS.14

15 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA Exemplo 2.4 O recipiente mostrado na figura, com um volume interno de 1m 3, contém 0,12 m 3 de granito (ρ granito =2750 kg/m 3 ), 0,15 m 3 de areia (ρ areia = 1500 kg/m 3 ) e 0,2 m 3 de água líquida a 25 o C (ρ água = 997 kg/m 3 ). O volume interno do recipiente é ocupado por ar que apresenta massa específica = 1,15 kg/m 3. Determine o volume específico médio da mistura contida no recipiente. Comente o resultado? 15

16 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA Exemplo 2.5 No Mar morto as pessoas flutuam mais facilmente que em um lago comum. Porque isso ocorre? Resposta: A massa específica da água depende da quantidade de sais dissolvidos e da temperatura (massa específica da água salgada e maior que a água doce). O Mar Morto contém a água mais salgada do mundo, é por isso que se chama mar morto, pois nenhum peixe ou vegetação sobrevive nele. São cerca de 300 g/l (a quantidade normal para os oceanos é de aproximadamente 35 g/l). 16

17 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA Exemplo 2.5 No Mar morto as pessoas flutuam mais facilmente que em um lago comum. Porque isso ocorre? Resposta: Não é o material mais pesado, ou seja, o que apresenta a maior massa que afunda, e sim o material de maior massa específica. Exemplo: o isopor apresenta uma massa específica de 0,1 g/cm 3 (10 vezes menor que a água), assim, 10 kg de isopor não afundariam numa piscina. Mas poucos gramas de chumbo (massa específica 11,3 g/cm 3 ) afundariam. 17

18 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA Exemplo 2.8 Um tanque apresenta duas partições separadas por uma membrana. A partição A contém 1 kg de ar e apresenta volume igual a 0,50 m 3. O volume da partição B é de 0,75 m 3 e esta contém ar com massa específica igual a 0,80 kg/m 3. A membrana é rompida e o ar atinge um estado uniforme. Determine a massa específica do ar no final do processo. Exemplo 2.9 Um cilíndro de aço, com massa igual a 2Kg, contém 4 litros de água líquida a 25 o C e 200 kpa. Determine a massa total e o volume do sistema, sabendo que ρ aço = 7820 kg/m 3. 18

19 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA Exemplo 2.10 A massa específica da água líquida pode ser aproximada por ρ = 1008-T/2 (kg/m 3 ) em que T é a temperatura em o C. Determine o crescimento de uma lâmina d água, que originalmente apresenta espessura igual a 1 m, se a temperatura da água aumentar 10 o C. Adote que o aumento da massa específica para um aumento de temperatura é dado por Δρ = - ΔT/2 (Kg/m 3 ). 19

20 PRESSÃO Exemplo 2.13 A figura abaixo mostra um conjunto cilindro-pistão utilizado num sistema hidráulico. O diâmetro do cilindro (D) é igual a 0,10 m e a massa do conjunto pistão-haste é de 25 kg. O diâmetro da haste é 0,01 m e a pressão atmosférica (p 0 ) é 101 kpa. Sabendo que o conjunto cilindro-pistão está em equilíbrio e que a pressão do fluido hidráulico é de 250 kpa, determine o módulo da força que é exercida, na direção vertical e no sentido descendente, sobre a haste..20

21 PRESSÃO Exemplo 2.14 Um manômetro de mercúrio é utilizado para medir a pressão no recipiente mostrado abaixo. O mercúrio apresenta massa específica igual a kg/m 3. A diferença entre as alturas das colunas foi medida e é igual a 0,24m. Determine a pressão absoluta no recipiente (admita que a pressão atmosférica é igual a 750 mm Hg)..21

22 PRESSÃO Exemplo 2.15 O fluido contido no manômetro mostrado na figura abaixo tem uma densidade relativa de 0,85 e a altura da coluna do manômetro é de 55 cm. Se a pressão atmosférica local é de 96 kpa, determine a pressão absoluta dentro do recipiente (admita que a massa específica da água é igual a 1000 kg/m 3 )..22

23 PRESSÃO Aula 3 - Conceitos e definições - Parte III Exemplo 2.16 A água num recipiente é pressurizada com ar, sendo a pressão medida por meio de um manômetro de vários fluidos. O recipiente esta localizado numa montanha de 1400 m, onde a pressão atmosférica é 85,6 kpa. Determine a pressão absoluta do ar no recipiente se h 1 = 0,1 m; h 2 = 0,2 m e h 3 = 0,35m. Sendo as massas específicas da água (ρ water = 1000 kg/m 3 ); óleo (ρ oil 850 kg/m 3 ) e mercúrio (ρ mercury = kg/m 3 )..23

24 PRESSÃO Exemplo 2.17 O tanque esférico mostrado na figura abaixo apresenta diâmetro igual a 7,5 m e é utilizado para armazenar fluidos. Determine a pressão no fundo tanque considerando que o tanque contém gasolina a 25 o C e a pressão na superfície livre do líquido é 101 kpa (ρ gasolina = 750 kg/m 3 )..24

25 PRESSÃO Exemplo 2.18 A metade inferior de um reservatório cilíndrico de 10 m de altura contém água (ρ = 1000 kg/m 3 ), e a metade superior está cheia de óleo, que tem uma densidade relativa de 0,85. Determine a diferença de pressão entre a parte superior e a parte inferior do cilindro..25

26 LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Exemplo 2.19 Uma coluna de mercúrio é usada para medir uma diferença de pressão de 100 kpa num aparelho colocado ao ar livre. Nesse local, a temperatura mínima no inverno é - 15 o C e a máxima no verão é 35 o C. Qual é a diferença entre a altura da coluna de mercúrio no verão e àquela referente ao inverno, quando estiver sendo medida a diferença de pressão indicada. Admita aceleração da gravidade normal e que a massa específica do mercúrio varia com a temperatura de acordo com (T em o C):.26

27 LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Exemplo 2.20 Os termômetros de mercúrio indicam a temperatura pela medida da expansão volumétrica de uma massa fixa de mercúrio líquido. A expansão volumétrica é devida a variação da massa específica do mercúrio com a temperatura. Determine a variação percentual do volume ocupado pelo mercúrio quando a temperatura varia de 10 o C para 20 o C. Admita aceleração da gravidade normal e que a massa específica do mercúrio varia com a temperatura de acordo com (T em o C):.27

28 Na próxima aula: Propriedades de uma substância pura