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1 Curso de Formação do Físico Educador - Agosto de 2004 Disciplina: Calor e Termodinâmica Ementa: “Temperatura, Equilíbrio térmico, Calor como energia,

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1 1 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 2 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 3 Unidade 1- Temperatura Definição:  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 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 5 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica Calor:  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 6 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica Mudança de Fase:  Calor de Transformação - temperatura constante (Ponto Fixos). onde: L t = Calor de Transformação Transmissão do Calor - Fluxo de Calor: 1- Condução - Sólidos Corrente Térmica

7 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 8 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica 1ª Lei da Termodinâmica -Trabalho e Variação de Volume F(x) AB V0V0 dV V 0 = 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 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) Vf) Realizado sobre sistema Energia aumenta

10 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 VoVo VfVf PfPf PoPo

11 11 Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica  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 = U f - U i (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 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 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 14 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas  Processos Termodinâmicos Transformação Isotérmica - Temperatura Constante (Lei de Boyle) B (Estado Final) A ( Estado Inicial) P V VoVo VfVf PfPf PoPo Isoterma

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

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

17 17 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas  Processos Cíclicos Transformação Cíclica – Sequência de Operações com retorno ao estado inicial (Estado Final) A ( Estado Inicial) = P V VoVo VfVf PfPf PoPo BC AB Isovolumétrica BC Isobárica CA Isotérmica Área no ciclo = trabalho Q + W = 0

18 18 Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas  Aplicações da 1ª Lei da Termodinâmica ProcessoRestrição1ª Lei TodosNenhuma  U = Q - W AdiabáticoQ = 0  U = - W IsovolumétricoV=Cte,W = 0  U = Q IsobáricoP = Cte  U = Q - W IsotérmicoT = CteQ = W Cíclico  U = 0 Q = W Expansão Livre Q = W = 0  U = 0

19 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”.


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