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1 Capítulo 1 1.1 Introdução. Temperatura e o Princípio Zero da Termodinâmica 1.2 Termómetros e a Escala Celsius 1.3 O Termómetro de Gás a Volume Constante.

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1 1 Capítulo Introdução. Temperatura e o Princípio Zero da Termodinâmica 1.2 Termómetros e a Escala Celsius 1.3 O Termómetro de Gás a Volume Constante e a Escala Kelvin 1.4 Escala Fahrenheit 1.5 Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos 1.6 Descrição Macroscópica de um Gás ideal

2 2 Até o momento, o nosso estudo de Física tratou principalmente da mecânica Newtoniana, que explica uma ampla gama de fenómenos como o movimento das bolas de ténis, dos foguetes e dos planetas. 1.1 Introdução Aplicamos estes princípios aos sistemas oscilantes, à propagação de ondas mecânicas num meio e às propriedades dos fluidos em repouso e em movimento. Agora dirigiremos a nossa atenção para o estudo da TERMODINÂMICA

3 3 Termodinâmica A termodinâmica explica as principais propriedades da matéria e a correlação entre estas propriedades e a mecânica dos átomos e moléculas O estudo da termodinâmica envolve Conceitos de transferências de energia, entre um sistema e seu ambiente As variações resultantes na temperatura ou mudanças de estados Questões práticas tratadas pela termodinâmica Como um refrigerador arrefece ? Que tipos de transformações ocorrem num motor de carro? Porque uma bomba de bicicleta se aquece enquanto alguém enche o pneu?

4 4 A termodinâmica trata das transformações da matéria nos seus quatro estados: SÓLIDO LÍQUIDO GÁS PLASMA

5 5 A Termodinâmica é baseada em princípios estabelecidos experimentalmente Teoria Cinética dos Gases Propriedades Microscópicas As Leis da Termodinâmica O Princípio Zero Termodinâmica – é a base para a medição de temperatura O Primeiro Princípio da Termodinâmica – conservação da energia e da conservação da massa O Segundo Princípio da Termodinâmica – determina o aspeto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas não podem ocorrer na direção oposta Propriedades Macroscópicas

6 6 Temperatura e o Princípio Zero da Termodinâmica Frequentemente associamos o conceito de temperatura com o grau de calor ou de frio de um corpo que tocamos A nossa pele é sensível à taxa de transferência de energia e não à temperatura do corpo Exemplo: O que acontece quando pegamos com a mão, uma bandeja de gelo de metal e depois pegamos um pacote de papel cartão com vegetais congelados do freezer? Sentimos que o metal parecerá mais frio do que o pacote de vegetais, apesar de ambos estarem à mesma temperatura Isto acontece porque devido às propriedades do metal, a transferência de energia (pelo calor) da mão para o metal é feita mais rapidamente do que da mão para o papel

7 Se os corpos estiverem a temperaturas diferentes, a energia pode ser trocada entre eles por meio de, por exemplo, calor No equilíbrio térmico os corpos em contacto térmico deixam de trocar energia Termómetro – um dispositivo calibrado para medir a temperatura do corpo Diz-se que estão em contacto térmico os corpos que podem trocar energia uns com os outros desta maneira 7

8 8 Se forem colocados em contacto térmico um com o outro, como na Figura (C), não há nenhuma transferência de energia entre eles Considere dois corpos A e B que não estão em contato térmico e um terceiro corpo C que será o nosso termómetro Se as duas leituras forem as mesmas, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro

9 O Princípio Zero da termodinâmica (a lei do equilíbrio) Se os corpos A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si A C B C A B 9 A temperatura é a propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com outros corpos Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão na mesma temperatura:

10 1.2 Termómetros e a Escala Celsius Os termómetros são dispositivos utilizados para medir a temperatura de um corpo ou dum sistema com o qual o termómetro está em equilíbrio térmico Algumas das propriedades físicas que mudam com a temperatura e que são usadas nos termómetros: O volume de um líquido O aumento de temperatura provoca um afastamento das moléculas A pressão de um gás mantido a volume constante O volume de um gás mantido a pressão constante O comprimento de um sólido A resistência elétrica de um condutor A cor de um corpo quente 10

11 11 Escala Celsius de Temperatura Ponto de fusão do gelo - 0 C Ponto de ebulição da água C A distância entre as marcas é dividida em 100 seguimentos iguais, cada um denotando uma variação na temperatura de um grau Celsius As extremidades da coluna do líquido no termómetro foram marcadas em dois pontos:

12 O Termómetro de Gás a Volume Constante e a Escala Kelvin O Termómetro de Gás O comportamento observado nesse dispositivo é a variação da pressão com a temperatura de um volume fixo de gás Foi calibrado utilizando-se os pontos de fusão do gelo e de ebulição da água O reservatório B de mercúrio é levantado ou abaixado até que o volume do gás confinado esteja em algum valor, indicado pelo ponto zero da régua A altura h (a diferença entre os níveis do reservatório e da coluna A) indica a pressão no frasco, de acordo com a equação:

13 13 Se quisermos medir a temperatura de uma substância, colocamos o frasco de gás em contacto térmico com a substância e ajustamos a coluna de mercúrio até que o nível na coluna A retorne a zero A altura da coluna nos informa a pressão do gás e podemos, então, encontrar a temperatura da substância a partir da curva de calibração. Curva de calibração

14 Experimentos mostram que as leituras do termómetro são quase independentes do tipo de gás utilizado - para pressão do gás baixa e a temperatura bem acima do ponto no qual o gás se liquefaz. Suponha agora que as temperaturas são medidas com vários termómetros de gás que contêm gases diferentes 14 A Figura mostra a curva de calibração para três gases diferentes Observamos que se estendermos as retas rumo às temperaturas negativas, para P=0, a temperatura é de – C para as três retas Tal temperatura deve representar um limite inferior para os processos físicos porque a pressão mais baixa possível é P=0 (seria um vácuo perfeito) Isso sugere que essa temperatura em particular tem importância universal pois não depende da substância usada no termómetro Definimos a temperatura de – C como sendo o zero absoluto

15 15 Escala Kelvin de Temperatura A escala Kelvin de temperatura estabelece – C como sendo o seu ponto zero (0 K) O tamanho de um grau na escala Kelvin é escolhido para ser idêntico ao tamanho de um grau na escala Celsius Conversão entre as temperaturas na escala Kelvin e Celsius T C é a temperatura na escala Celsius T é a temperatura na escala Kelvin (temperatura absoluta ) Atualmente o primeiro ponto é o zero absoluto e o segundo ponto é o ponto triplo da água em K (1954 ) Assim, a unidade da temperatura do SI, o kelvin, é definida como 1/ da temperatura do ponto triplo da água.

16 16 Temperatura absoluta de alguns processos físicos:

17 Escala Fahrenheit A escala de temperatura mais comum no uso diário nos Estados Unidos é a escala Fahrenheit Ponto de fusão em 32 F Ponto de vapor em 212 F Relação entre as escala Celsius e Fahrenheit F O tamanho de um grau na escala Celsius é diferente ao tamanho de um grau na escala Fahrenheit

18 Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos No termómetro de líquido vimos que quando a temperatura aumenta, o volume aumenta Esse fenómeno é conhecido como expansão térmica Juntas de expansão térmica devem ser incluídas em edifícios, estradas, trilhos de estrada de ferro e pontes para compensar a mudanças nas dimensões que ocorrem com as variações da temperatura

19 19 L i, T i A expansão térmica global de um corpo é uma consequência da mudança na separação média entre seus átomos ou moléculas constituintes Um corpo tem um comprimento inicial Para uma variação de na temperatura o comprimento aumenta L f, T f Para pequenoou é chamado de coeficiente médio de expansão linear para um determinado material e tem unidades

20 20 substância Coeficiente de expansão linear ( ) em ºC -1 aço1,1 x alumínio2,4 x chumbo2,9 x cobre1,7 x ferro1,2 x latão2,0 x ouro1,4 x prata1,9 x vidro comum0,9 x vidro pirex0,3 x zinco6,4 x A Tabela mostra o coeficiente médio de expansão linear de vários materiais Para esses materiais, é positivo, indicando um acréscimo no comprimento com o aumento da temperatura A calcita (CaCO3), expande-se ao longo de uma dimensão ( positivo) e contraem ao longo de outra ( é negativo) com o aumento da temperatura.

21 Da mesma forma que as dimensões lineares de um corpo variam com a temperatura, o volume e a área da superfície também variam com a temperatura Volume =3 Coeficiente médio de expansão do volume: 21 No caso dos fluidos devemos levar em conta a expansão do recipiente também Exemplo:

22 22 Área =2 Coeficiente médio de expansão da área substância Coeficiente de dilatação volumétrica ( ) em ºC -1 álcool100 x gases3,66 x gasolina11 x mercúrio18,2 x A Tabela mostra o coeficiente médio de expansão volúmica de várias substâncias

23 23 O Comportamento Invulgar da Água Aquecendo certa massa m de água, inicialmente a 0 °C, até a temperatura de 50 °C, verificamos que de 0 °C a 4 °C o volume diminui, pois o nível da água no recipiente diminui, ocorrendo contração. A partir de 4 °C, continuando o aquecimento, o nível da água sobe, o que significa aumento de volume, ocorrendo expansão térmica.

24 24 A densidade de água alcança um valor máximo de 1000 kg/m 3 a 4 C Quando a temperatura aumenta de 0 C para 4 C, a água contrai-se e, assim, sua densidade aumenta Acima de 4 C, a água exibe a expansão prevista com o aumento da temperatura

25 25 A água da superfície congela, o gelo permanece na superfície porque é menos denso do que a água. O gelo continua a se formar na superfície, enquanto a água mais próxima do fundo do lago permanece a 4 C Se isso não acontecesse, os peixes e outras formas de vida marinha não sobreviveriam no Inverno Arrefecimento da água dum lago

26 Descrição Macroscópica de um Gás ideal A equação de estado relaciona a pressão P, a temperatura T e o volume V do gás pode ser uma equação complicada O gás não tem volume fixo ou uma pressão fixa O volume do gás é o volume do recipiente A pressão do gás depende do tamanho do recipiente Para um gás ideal a equação de estado obtida experimentalmente é relativamente simples Gás ideal é um gás de densidade baixa (pressão P muito baixa)

27 Lei do gás ideal T é a temperatura absoluta em kelvins n é o número de moles V é o volume em metros cúbicos P é a pressão em pascais 27 A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressão atmosférica comporta-se aproximadamente como um gás ideal constante universal dos gases (unidades do SI)


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