FÍSICA TÉRMICA. Prof. Neemias Alves de Lima Instituto de Pesquisa em Ciência dos Materiais Universidade Federal do Vale do São Francisco 1

Transcrição

1 FÍSICA TÉRMICA Prof. Neemias Alves de Lima Instituto de Pesquisa em Ciência dos Materiais Universidade Federal do Vale do São Francisco 1

2 Domínio da Física Térmica Como pode água aprisionada ser ejetada do cume de um vulcão em uma explosão gigante? O que faz uma calçada ou pista se quebrar espontaneamente quando a temperatura varia? Como pode a energia térmica ser usada para realizar trabalho, movendo máquinas que torna a vida moderna possível? Etc, etc,... 2

3 A Lei Zero da Termodinâmica e a Temperatura Se objetos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro objeto C, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro. Definição de Temperatura Dois objetos em equilíbrio térmico um com o outro estão na mesma temperatura. 3

4 Termômetros e Escalas de Temperatura Termômetro de mercúrio e a escala Celsius Termômetros são dispositivos usados para medir a temperatura de um objeto ou um sistema. Quando um termômetro está em contato térmico com um sistema, energia é trocada até o termômetro e o sistema estarem em equilíbrio térmico um com o outro. Para medidas precisas de temperatura, o termômetro deve ser muito menor do que o sistema, tal que a energia ganha ou perdida pelo termômetro não altere significadamente a energia contida no sistema. Usam alguma propriedade física que varia com a temperatura e pode ser calibrada: 1) volume de um líquido, 2) comprimento de um sólido 3) pressão de um gás mantido a volume constante 4) volume de um gás mantido a pressão constrante 5) resistência elétrica de um condutor 6) cor de um objeto muito quente Diagrama esquemático do termômetro de mercúrio. Por causa da expansão térmica o nível de mercúrio sobe quando a temperatura do muda de 0 graus Celsius (ponto de gelo) para 100 graus Celsius (ponto de vapor). 4

5 Termômetro de gás a volume-constante e a Escala Kelvin Amostra 1 Escala Amostra 2 Reservatório de mercúrio Amostra 3 Banho a ser medido Mangueira flexível O termômetro de gás a volume-constante mede a pressão do gás contida em um frasco imerso no banho. O volume do gás no frasco é mantido constante aumentando ou diminuindo o reservatório B para manter o nível do mercúrio constante (na marca zero da escala). Pressão versus temperatura para amostras experimentais de gases com diferentes pressões em um termômetro a volumeconstante. Note que para todas três amostras a pressão extrapola para zero na temperatura graus Celsius! Define-se a escala de temperatura Kelvin rotulando de zero absoluto a temperatura mais baixa da escala Celsius, a relação entre as duas escalas (omitindo as unidades) é: 5

6 Figura: Temperatura absoluta em quais vários processos físicos selecionados tomam lugar. Note que a escala é logarítmica. Temperatura Bomba de hidrogênio Interior do Sol Coroa solar Superfície do Sol Cobre derretido Água derretida Nitrogênio líquido Hidrogênio líquido Hélio líquido Temperatura mais baixa alcançada 6

7 Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos Para pequenas variações na temperatura: ou Tabela I Coeficiente médio de expansão de alguns materiais próximo da temperatura ambiente Coeficiente médio Coeficiente médio de de expansão linear expansão volumétrica Alumínio Latão e bronze Cobre Vidro (comum) Vidro (pyrex) Madeira Aço Aço (liga Ni-Fe) Concreto Etanol Benzeno Acetona Glicerina Mercúrio Gasolina Ar Hélio 7

8 Expansão térmica: O calor extremo de um dia de Julho em Asbury Park, New Jersey, causou este desencarrilhamento das linhas de trem. 8

9 Módulo de Young: Elasticidade no comprimento Uma barra longa presa por uma de suas extremidades é esticada sob a ação de uma força. Stress = Limite elástico Ponto de ruptura Comportamento elástico Módulo de Young Dilatação térmica gera stress!!! 9

10 Tabela II Valores Típicos para o Módulo de Elasticidade Substância Módulo de Young Alumínio Osso Latão Cobre Aço Tugstênio Vidro Quartz Cartilagem da costela Borracha Tendão 10

11 O Comportamento Não-Usual da Água A densidade da água em função da temperatura. O detalhe mostra que a densidade máxima da água ocorre em 4 graus Celsius. 11

12 Descrição Macroscópica de um Gás Ideal Um gás consiste usualmente de um grande número de partículas, e este número é convenientemente expresso em termos do número de moles, n. O mesmo número de partículas é encontrado em um mol de hélio como em um mol de ferro ou alumínio. Este número é igual a partículas/mol (número de Avogadro) O número de moles de uma substância está relacionada com sua massa m por massa molar massa de um mol da substância Gás ideal = gás com baixa densidade Propriedades macroscópicas Lei do gás ideal: 12

13 Teoria Cinética dos Gases Modelo do gás ideal do ponto de vista microscópico, isto é, com base no que acontece em escala microscópica. Teoria cinética para um gás ideal 1. Número grande de moléculas no gás, e a separação média entre elas grande comparada com suas dimensões => análise estatística 2. Moléculas obedecem as leis de Newton do movimento, mas como um todo elas se movem aleatoriamente 3. As moléculas interagem apenas através de forças de curto alcance durante colisões elásticas 4. As moléculas fazem colisões elásticas com a parede 5. Todas moléculas no gás são idênticas 13

14 Modelo Molecular para a Pressão de um Gás Ideal Caixa cúbica contendo um gás ideal. A molécula mostrada move com velocidade v. Antes da colisão Depois da colisão Força média de uma colisão: Força total exercida por todas moléculas: 14

15 Velocidade média: Pressão de um gás ideal: Interpretação Molecular da Temperatura Temperatura é proporcional à média da energia cinética. Energia cinética média por molécula é proporcional a temperatura do sistema Velocidade raiz-média-quadrada (root-mean-square) ~ estimativa da velocidade média das móleculas: Massa molar em kg/mol 15