Temperatura, Calor e Primeira lei da Termodinâmica

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1 Temperatura, Calor e Primeira lei da Termodinâmica

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Os físicos medem a temperatura na escala Kelvin. Embora não haja um limite superior para a temperatura de um corpo, existe um limite inferior, esta temperatura é o zero da escala Kelvin de temperatura. Cabe salientar que do ponto de vista microscópico, pode-se ver a temperatura como uma medida do nível médio da energia cinética das partículas que constituem um corpo. Assim sendo, quanto maior a agitação, maior a temperatura.

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2. Lei Zero da Termodinâmica Se 2 corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, então os 3 corpos estão em equilíbrio térmico entre si. Todo corpo tem uma propriedade chamada temperatura e se 2 corpos estão em equilíbrio térmico, eles têm a mesma temperatura e vice-versa. Este conceito de temperatura é a visão macroscópica que se tem dela.

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3.Medição da Temperatura Para criar uma escala de temperatura, escolhe-se um fenômeno térmico reproduzível e atribuímos a ele uma temperatura. Por razões técnicas, escolhe-se o ponto onde coexistem em equilíbrio a água, o gelo e o vapor de água, também conhecido como ponto triplo da água. Por acordo internacional, atribuiu-se ao referido ponto o valor de 273,16K. Note que na escala kelvin não se faz necessário por o símbolo de graus

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4. As escalas Celsius e Fahrenheit Em quase todos os países do mundo, a escala Celsius é a mais utilizada no dia-a-dia. A escala Fahrenheit, muito comum nos Estados Unidos utiliza um grau menor que o Celsius e um Zero de temperatura diferente.

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5. Temperatura e Calor Se tirarmos uma lata de refrigerante da geladeira e pusermos em cima da mesa da cozinha, a temperatura da lata aumentará até que a temperatura seja igual à temperatura ambiente. Essa variação de temperatura se deve a uma mudança da energia térmica do sistema por causa da troca de energia entre o sistema (lata de refrigerante) e o ambiente. A energia térmica é uma energia que consiste na energia cinética e potencial associadas ao movimento aleatório das moléculas de um corpo.

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A energia transferida nesse caso é chamada de calor e é simbolizada pela letra Q. Este último é positivo se flui do ambiente para o sistema e negativo se flui do sistema para o ambiente.

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Calor é então a energia transferida de um sistema para o ambiente ou vice-versa devido a uma diferença de temperatura. Lembre-se de que a energia também pode ser transferida de um sistema para o ambiente e vice-versa através do trabalho realizado por uma força. Ao contrário da temperatura, pressão e volume, o calor e o trabalho não são grandezas intrínsecas de um sistema, tem significado apenas quando descrevem o transporte de energia. Assim, não faz sentido dizer que um sistema tem 450J de calor, mas sim que o mesmo contém 450J de calor.

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A unidade de medida de calor no sistema internacional é o Joule(J). Antes de os cientistas descobrirem que o calor era energia transferida, ele era medido em termos de se elevar a temperatura da água. Assim, a caloria(cal) foi definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1g de água de 14,5ºC para 15,5ºC. No sistema inglês, a unidade era o BTU(British Termal Unit), definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 libra de água de 63ºF para 64ºF. 1𝑐𝑎𝑙=3, −3 𝐵𝑡𝑢=4,1868𝐽

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6. Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 6.1 Capacidade Térmica é a constante de proporcionalidade entre o calor recebido ou cedido em módulo e a variação de temperatura que um corpo sofre. 𝑄=𝐶Δ𝑇=𝐶( 𝑇 𝑓 − 𝑇 𝑖 ) 6.2 Calor Específico define-se como a Capacidade Térmica por unidade de massa. É uma propriedade de cada substância, assim, cada substância tem seu calor específico.

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6.3 Calor Específico Molar é o quociente entre o calor específico e o mol de uma substância. É uma grandeza útil quando a quantidade de uma substância é dada em mols. 6.4 Calores de Transformação é a quantidade de energia por unidade de massa que deve ser fornecida ou retirada em forma de calor para que haja a mudança a mudança de fase em uma substância. É representado pela letra L. 𝑄=𝐿𝑚

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7. Calor e Trabalho

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O processo de levar o sistema mostrado no slide anterior de uma situação inicial com uma determinada temperatura, pressão e volume para uma situação final em que pressão, temperatura e volume tem valores diferentes é chamado de processo termodinâmico. Durante este processo, calor pode ser transferido do reservatório para o sistema ou do sistema pra o reservatório. Além disso, o sistema pode realizar trabalho sobre as esferas de chumbo levantado o êmbolo ou receber trabalho das esferas de chumbo.

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Suponha que algumas esferas de chumbo sejam removidas do êmbolo, permitindo que o gás empurre o êmbolo para cima com uma força F que desloca o êmbolo de um ds (deslocamento) infinitesimal. O trabalho infinitesimal realizado será dado por: 𝑑𝑊=𝐹.𝑑𝑠=𝑝𝐴.𝑑𝑠=𝑝𝑑𝑉 Logo, o trabalho será calculado por: 𝑊= 𝑉 𝑖 𝑉 𝑓 𝑝𝑑𝑉 Na prática, existem várias formas de se levar um gás de um estado inicial para um estado final.

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Como se pode perceber, o trabalho em cada circunstância, depende da trajetória no gráfico p x V. 8.Primeira Lei da Termodinâmica Os experimentos mostraram que a grandeza Q – W era a mesma para vários experimentos termodinâmicas e que tal grandeza era independente da maneira que o sistema passou de um estado para outro. Chamamos esta propriedade de Energia Interna. Δ 𝐸 𝑖𝑛𝑡 = 𝐸 𝑓 − 𝐸 𝑖 =𝑄−𝑊

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Na forma infinitesimal, tem-se: 𝑑 𝐸 𝑖𝑛𝑡 =𝑑𝑄−𝑑𝑊 9. Casos Especiais da Primeira Lei 9.1 Processos Adiabáticos são aqueles que ocorrem tão depressa ou em um sistema tão bem isolado termicamente que não há trocas de calor entre o sistema e o ambiente. 𝑑 𝐸 𝑖𝑛𝑡 =−𝑑𝑊

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9.2 Processos Isométricos são aqueles em que ocorre a preservação do volume do sistema. 𝑑 𝐸 𝑖𝑛𝑡 =𝑑𝑄 9.3 Processos Isotérmicos são aqueles em que não há a variação de energia interna do sistema 𝑑𝑄=𝑑𝑊 9.4 Processos isobáricos são os que se dão à pressão constante no sistema.

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10.Transferência de Calor 10.1 Condução

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A lei que rege a transferência de calor por condução pode ser escrita como: 𝑃 𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑄 𝑡 = 𝑘𝐴( 𝑇 𝑄 − 𝑇 𝐹 ) 𝐿 Se há o interesse em manter a casa aquecida nos dias de inverno ou em manter a cerveja gelada em um piquenique, necessita-se de maus condutores. Assim, surge na engenharia o conceito de resistência térmica: 𝑅= 𝐿 𝑘

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10.2 Convecção Quando se olha para a chama de uma vela, vemos a energia térmica ser transportada por convecção. Este tipo de transferência ocorre quando o fluido entra em contato com um objeto cuja temperatura é maior que a do fluido. A temperatura do fluido que está em contato com o objeto quente aumenta e na maioria dos casos, essa parte do fluido se expande ficando menos densa. Como esse fluido é menos denso, o empuxo o faz subir. O fluido mais frio toma o lugar do fluido mais quente que sobe o processo continua.

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10.3 Radiação Um sistema e o ambiente também podem trocar calor por meio de ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas que transportam calor são denominadas radiação térmica. Não é necessária a existência de um meio material para que o calor seja transmitido por radiação. A taxa com que um objeto emite energia através da radiação eletromagnética depende da área (A) da superfície do objeto e de sua temperatura absoluta (T). 𝑃 𝑟𝑎𝑑 =σε𝐴 𝑇 4

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Onde σ é a constante de Stefan-Boltzmann, cujo valor vale 5, −8 W/ 𝑚 2 𝐾 4 . O símbolo ε representa emissividade da superfície do objeto que pode variar entre 0 e 1. A taxa com que um objeto absorve energia por radiação térmica do ambiente é dada por: 𝑃 𝑎𝑏𝑠 =σε𝐴 𝑇𝑎𝑚𝑏 4 Por fim, a taxa líquida de radiação térmica é a diferença entre 𝑃 𝑎𝑏𝑠 e 𝑃 𝑟𝑎𝑑