Física Geral e Experimental II Prof. Ms. Alysson Cristiano Beneti Instituto Tecnológico do Sudoeste Paulista Faculdade de Engenharia Elétrica – FEE Bacharelado em Engenharia Elétrica Aula 9 Temperatura, Calor, Lei Zero da Termodinâmica, Dilatação Térmica, Termometria Física Geral e Experimental II Prof. Ms. Alysson Cristiano Beneti IPAUSSU-SP 2012
Termologia É o estudo dos fenômenos térmicos que envolvem calor e temperatura. São exemplos:
Calor e Temperatura Temperatura: é uma medida proporcional à energia cinética média das moléculas de um material. Está relacionada à sensação térmica provocada no contato com este material. Calor: é a energia térmica que flui de um corpo para outro enquanto há diferença de temperatura entre eles.
Lei Zero da Termodinâmica Se 2 corpos A e B estão, separadamente, em equilíbrio térmico com um terceiro corpo T, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si. OBS: equilíbrio térmico = mesma temperatura
Celsius(C), Fahrenheit (F), Kelvin (K), Rankine (Ra) e Reamur (R). Escalas Termométricas Existem 5 escalas termométricas, 3 mais conhecidas e empregadas na atualidade: Celsius(C), Fahrenheit (F), Kelvin (K), Rankine (Ra) e Reamur (R).
Exemplos 1) Converta as temperaturas: 300K em F b) 20C em K c) 52F em C d) 303K em C e) 70R em F f) 550Ra em C 80,6°F 293K 30°C 11,11°C 32,2°C 189,5°F
Exemplos 2) (a) Em 1964, a temperatura da aldeia de Oymyakon, na Sibéria, chegou a -71C. Qual é o valor desta temperatura na escala Fahrenheit? (b) A maior temperatura registrada oficialmente nos EUA foi 134F, no Vale da Morte, Califórnia. Qual é o valor desta temperatura na escala Celsius? 3) Em que temperatura a leitura na escala Fahrenheit é igual (a) a duas vezes a leitura na escala Celsius e (b) a metade da leitura na escala Celsius?
Comportamento Anômalo da Água Em países onde os invernos são rigorosos, muitas pessoas deixam suas torneiras gotejando para não permitir que a água contida no encanamento se congele, devido ao pequeno fluxo, e os canos arrebentem. Do mesmo modo, nas encostas rochosas desses países, com a chegada do inverno, as águas que se infiltraram nas rachaduras congelam-se e aumentam de volume, provocando um desmoronamento.
Comportamento Anômalo da Água Ao se elevar a temperatura de uma substância, verifica-se uma dilatação térmica. Entretanto, a água, ao ser aquecida de 00 C a 40 C, contrai-se, constituindo-se uma exceção ao caso geral. Esse fenômeno pode ser aplicado da seguinte maneira: no estado sólido, os átomos de oxigênio, que são muito eletronegativos, unem-se aos átomos de hidrogênio através da ligação denominada ponte de hidrogênio. Em consequência disso, entre as moléculas, formam-se grandes vazios, aumentando o volume externo (aspecto macroscópico).
Comportamento Anômalo da Água Quando a água é aquecida de 0o C a 4o C, as ponte de hidrogênio rompem-se e as moléculas passam a ocupar os vazios existentes, provocando, assim, uma contração. Portanto, no intervalo de 0o C a 4o C, ocorre, excepcionalmente, uma diminuição de volume. Mas, de 4o C a 100o C, a água dilata-se normalmente.
Termômetros São dispositivos construídos para medir a temperatura. Podem ser: de mercúrio, a álcool, clínico, Six e Bellani, de resistência elétrica, bimetálico, de pressão de gás, laser e infravermelho.
Dilatação Térmica A matéria quando aquecida, dilata-se, aumentando suas dimensões físicas.
Dilatação Térmica
Água 1,3 . 10-4 Mercúrio 1,8 . 10-4 Glicerina 4,9 . 10-4 Dilatação Térmica Exemplos de valores de coeficiente de dilatação linear: Água 1,3 . 10-4 Mercúrio 1,8 . 10-4 Glicerina 4,9 . 10-4 Benzeno 10,6 . 10-4 Álcool etílico 11,2 . 10-4 Acetona 14,9 . 10-4 Petróleo 10 . 10-4
Exemplo 1) (Halliday, p.190) Em um dia quente em Las Vegas um caminhão tanque foi carregado com 37000L de óleo diesel. Ele encontrou tempo frio ao chegar a Payson, Utah, onde a temperatura estava 23K abaixo da temperatura de Las Vegas, e onde ele entregou a carga. Quantos litros foram descarregados? O coeficiente de dilatação volumétrica do óleo diesel é , e o coeficiente de dilatação linear do aço de que é feito o tanque do caminhão é .
Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Calor absorvido = Temperatura aumenta = Quente Calor perdido = Temperatura diminui = Frio Capacidade Térmica (C) Calor específico sensível (c) Calor Latente (L) É uma grandeza que está associada a uma SUBSTÂNCIA. É empregado quando ocorre absorção ou liberação de calor, durante a mudança de estado (não há mudança de temperatura). É uma grandeza que está associada a uma SUBSTÂNCIA. É empregado quando ocorre absorção ou liberação de calor, sem que haja mudança de estado. É uma grandeza que está associada a um CORPO. Q calor m massa c calor específico C capacidade térmica T variação da temperatura Q calor m massa c calor específico T variação da temperatura Q calor m massa L calor latente
Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Substância Intervalo de temperatura de validade do calor específico sensível Calor específico em cal/g.ºC Platina 0C - 100C 0,030 Chumbo 0,031 Mercúrio 0C - 210C 0,033 Prata 0,056 Cobre 0,094 Níquel 0,100 Ferro 0,110 Silício 0,180 Alumínio 0,220 Querosene 0,510 0,560 Álcool 0C 0,580 Água 14,5C - 15,5C 1,000 Amônia 20C 1,120 Calor específico sensível (c) É uma grandeza que está associada a uma SUBSTÂNCIA. É empregado quando ocorre absorção ou liberação de calor, sem que haja mudança de estado. OBS: unidades para calor cal (caloria) ou J(Joule) 1 cal = 4,18J
Calor latente de fusão (cal/g) Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Substância Ponto de fusão (°C) água álcool -114 alumínio 659 cloreto de sódio 800 cobre 1 083 chumbo 327 enxofre 119 Calor Latente (L) É uma grandeza que está associada a uma SUBSTÂNCIA. É empregado quando ocorre absorção ou liberação de calor, durante a mudança de estado (não há mudança de temperatura). Substância Calor latente de fusão (cal/g) água 80 álcool 25 alumínio 95 cloreto de sódio 124 cobre 49 chumbo 6 enxofre 119 estanho 14
latente de fusão (cal/g) Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Calor Latente (L) Substância Ponto de fusão (°C) estanho 232 ferro 1 535 mercúrio -39 nitrogênio -210 ouro 1 063 oxigênio -219 prata 961 zinco 419 É uma grandeza que está associada a uma SUBSTÂNCIA. É empregado quando ocorre absorção ou liberação de calor, durante a mudança de estado (não há mudança de temperatura). Substância latente de fusão (cal/g) ferro 64 hidrogênio 14 mercúrio 2,7 nitrogênio 6,1 ouro 15 oxigênio 3,3 prata 21 zinco 24
Calor latente de vaporização (cal/g) Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Substância Ponto de ebulição (°C) água 100 álcool 78 cobre 2 595 chumbo 1 744 enxofre 445 ferro 3 000 Calor Latente (L) É uma grandeza que está associada a uma SUBSTÂNCIA. É empregado quando ocorre absorção ou liberação de calor, durante a mudança de estado (não há mudança de temperatura). substância Calor latente de vaporização (cal/g) água 540 álcool 204 cobre 1 288 chumbo 209 enxofre 78 ferro 1 508
Calor latente de vaporização (cal/g) Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Substância Ponto de ebulição (°C) hidrogênio -253 mercúrio 357 nitrogênio -196 ouro 2 966 oxigênio -183 prata 2 212 zinco 918 Calor Latente (L) Substância Calor latente de vaporização (cal/g) hidrogênio 108 mercúrio 70 nitrogênio 48 ouro 376 oxigênio 51 prata 559 zinco 475
Exemplos Qual é a quantidade de calor necessária para aquecer 250g de chumbo que está a uma temperatura de 20C até 85C? Resposta: O chumbo de 20C a 85C é sólido e não muda de estado. Portanto utilizamos a expressão do calor específico: 2) Qual é a quantidade de calor necessária para fundir 250g de chumbo que está a 327C? Resposta: O chumbo a 327C está mudando do estado sólido para o líquido. Portanto é fusão. Utilizamos a expressão do calor latente:
Exemplos 3) Um bloco de 100g de gelo a –20°C será aquecido até 120°C. Indique em um gráfico a sequência das transformações e calcule a quantidade total de calor necessária para ocorrer tal processo. Dados: considere o calor específico da água 1cal/gC, mesmo sabendo que ele varia com a temperatura. Considere Lf=80cal/g e Lv=540cal/g e sistema ao nível do mar.