Laboratório: Ementa: Unidades de Estudo:

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1 Laboratório: Ementa: Unidades de Estudo:
Curso de Formação do Físico Educador - Agosto de 2004 Disciplina: Calor e Termodinâmica Ementa: “Temperatura, Equilíbrio térmico, Calor como energia, Transferência de calor (condução, convecção e radiação), 1ª Lei da Termodinâmica, Equivalente mecânico do calor, Teoria cinética dos gases, Máquinas térmicas, 2ª Lei da Termodinâmica e Entropia” Unidades de Estudo: Unidade 1 – Temperatura Conceituação, Lei Zero da Termodinâmica, Medidas Termométricas e Dilatação Térmica Unidade 2 – Calor e a 1ª Lei da Termodinâmica Conceituação, equivalente mecânico do calor, transferência de calor, 1ª Lei da Termodinâmica Unidade 3 – O Estudo dos Gases Conceituação, número de Avogadro, O gás ideal, Temperatura e Pressão visão molecular Unidade 4 – 2ª Lei da Termodinâmica, Máquinas Térmicas e Entropia 2ª Lei da Termodinâmica, Transformações Termodinâmicas, Ciclo de Carnot, Processo Irreversível e Entropia Laboratório: Temperatura e Expansão Térmica Pontos Fixos de Fusão e Ebulição da água Determinação do coeficiente de dilatação Calor Determinação da Capacidade Térmica de um Calorímetro Calor Específico de uma substância Irradiação Térmica Lei de Boyle Motor de Stirling

2 Referência Bibliográfica:
Curso de Formação do Físico Educador - Agosto de 2004 Disciplina: Calor e Termodinâmica Avaliação: 1ª Prova Teórica: 20 pontos 2ª Prova Teórica: 20 pontos Laboratório: 20 pontos Trabalho Multidisciplinar: 10 pontos Avaliação Global: 30 Pontos Referência Bibliográfica: Fundamentos de Física - Volume 2 - Halliday, David e Resnick, Robert – LTC Editora. Física 2 – Movimento Ondulatório e Termodinâmica - Serway, Raymond - LTC Editora. Física Conceitual - Hewitt, Paul – Editora Bookman. Física – Volume 2 - Sears, Mark e W. Zemansky - Ao Livro Técnico. Imagens da Física - Amaldi, Hugo Física – Volume 2 - Raymond, Serway - LTC Editora. Curso de Física – Volume 2 – Alvarenga, Beatriz e Máximo, Antônio – Editora SCIPIONE.

3 Unidade 1- Temperatura Definição: Termômetro: Escalas: Macroscópica:
Propriedade de um sistema físico que determina se ele estará ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas. Microscópica: A temperatura de um sistema físico esta associada ao grau de agitação molecular (Energia Cinética das partículas que constituem o sistema). Termômetro: Um dispositivo que nos permite determinar as temperaturas de vários sistemas. Características: 1) SENSIBILIDADE 2) PRECISÃO 3) REPRODUTIBILIDADE Escalas: Pontos Fixos: PNF - Ponto Normal de Fusão: A substância coexiste nos estados sólido e líquido. PNE - Ponto Normal de Ebulição: Substância coexiste nos estados líquido e Gasoso. PNS - Ponto Normal de Sublimação: Substância coexiste nos estados sólido e Gasoso. PT - Ponto Triplo: Substância coexiste nos estados sólido, líquido e Gasoso.

4 Unidade 1- Temperatura Dilatação (Contração e Expansão): Definição do Coeficiente de Dilatação Volumétrica: Dilatação Volumétrica Média: Dilatação anômala da água: contrai entre 0º e 4º densidade máxima:  < 0 Tensões Térmicas:

5 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
Energia térmica em trânsito devido exclusivamente a diferença de temperatura entre os sistemas. Capacidade Térmica - Calor Específico: Capacidade Calorífica Molar onde: M = massa molecular e n = número de moles Equação da Calorimetria – Quantidade de Calor:

6 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
Mudança de Fase: Calor de Transformação - temperatura constante (Ponto Fixos). onde: Lt = Calor de Transformação Transmissão do Calor - Fluxo de Calor: 1- Condução - Sólidos Corrente Térmica

7 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
2- Convecção - Líquidos e Gases 3- Radiação - Onda Eletromagnética Bom absorvedor é bom emissor Mau absorvedor é mau emissor Mau absorvedor é bom refletor Bom Refletor é mau emissor

8 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica -Trabalho e Variação de Volume F(x) A B dV V0 V0 = Volume Inicial ocupado pelo gás. dV = Variação de volume W = Trabalho realizado para deslocar o pistão. F(x) = Força exercida pelo pistão. dx = Deslocamento do pistão dentro do cilindro. A = Área da secção transversal do pistão.

9 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
Sistemas Mecânicos F(x) tem o mesmo sinal de dx Trabalho(W) > 0 Realizado sobre o sistema Energia aumenta F(x) tem sinal contrário a dx Trabalho(W) < 0 Realizado pelo sistema Energia diminui Sistemas Termodinâmicos F(x) tem o mesmo sinal de dx Trabalho(W) > 0 - Expansão (Vo < Vf) Realizado pelo sistema Energia diminui F(x) tem sinal contrário a dx Trabalho(W) < 0 - Compressão (Vo > Vf) Realizado sobre sistema Energia aumenta

10 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
Diagrama PV Trabalho é igual a área sombreada sob a curva A (Estado Inicial) B (Estado Final) P V Vo Vf Pf Po

11 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
“A variação de energia interna de um sistema é igual a um valor definido pela diferença Q - W e independe de como o sistema foi levado do estado inicial para o estado final”. U = Uf - Ui (Variação de Energia Interna) Q = Calor Absorvido ou Cedido pelo Sistema W = Trabalho Realizado pelo ou sobre o Sistema Q > 0 - fornecido ao sistema Q < 0 - cedido pelo sistema W > 0 - realizado pelo sistema (expansão) W < 0 - realizado sobre o sistema (compressão)

12 Unidade 3- Estudos dos Gases
Estados Físicos da Matéria Sólido Líquido Gasoso Plasma Mudanças de Estado Fusão Solidificação Vaporização Evaporação Ebulição Condensação Sublimação Diagrama de Fases

13 Unidade 3- Estudos dos Gases
Grandezas Termodinâmicas – Variáveis de Estado P =Pressão V = Volume T = Temperatura Absoluta n = número de moles R = Constante dos Gases R=0,082 atm.l/mol.K R=8,31 J/mol.K Equação Geral dos Gases

14 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas
Processos Termodinâmicos Transformação Isotérmica - Temperatura Constante (Lei de Boyle) A (Estado Inicial) P V Vo Vf Pf Po Isoterma B (Estado Final)

15 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas
Processos Termodinâmicos Transformação Isobárica - Pressão Constante (Lei de Gay-Lussac) P A (Estado Inicial) B (Estado Final) Pf V Vo Vf

16 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas
Processos Termodinâmicos Transformação Isométrica - Volume Constante (Lei de Charles) P A (Estado Inicial) Pi Pf B (Estado Final) V V

17 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas
Processos Cíclicos Transformação Cíclica – Sequência de Operações com retorno ao estado inicial P A (Estado Inicial) = (Estado Final) A B Isovolumétrica Po B C Isobárica C A Isotérmica Pf Área no ciclo = trabalho B C V Vo Vf Q + W = 0

18 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas
Aplicações da 1ª Lei da Termodinâmica Processo Restrição 1ª Lei Todos Nenhuma U = Q - W Adiabático Q = 0 U = - W Isovolumétrico V=Cte,W = 0 U = Q Isobárico P = Cte Isotérmico T = Cte Q = W Cíclico U = 0 Expansão Livre Q = W = 0

19 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica
2ª Lei da Termodinâmica e Calor “Nenhum calor flui espontaneamente de um corpo de temperatura mais baixa para um de temperatura mais alta”. 2ª Lei da Termodinâmica e Ciclo de Carnot “O rendimento de qualquer máquina térmica, que opere entre duas temperaturas específicas, nunca excederá uma máquina de Carnot que opere nessas mesmas temperaturas”. 2ª Lei da Termodinâmica e Entropia “Em qualquer processo termodinâmico que ocorra de um estado de equilíbrio para outro, a entropia do sistema + vizinha permanece constante ou aumenta”.