Conteúdos : Introdução e resumo histórico Objecto e Métodos de Estudo da FMT Aspectos e conceitos Básicos Temperatura e lei zero da Termodinâmica 1ª CONFERÊNCIA.

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1 Conteúdos : Introdução e resumo histórico Objecto e Métodos de Estudo da FMT Aspectos e conceitos Básicos Temperatura e lei zero da Termodinâmica 1ª CONFERÊNCIA DE FÍSICA MOLECULAR E TERMODINÂMICA

2 0. Introdução e resumo histórico Historicamente, a Termodinâmica desenvolveu-se paralelamente à teoria atómica da matéria. Até aos anos 1820, experiências químicas forneceram evidências sólidas sobre a existência dos átomos. Nessa altura os cientistas reconhecem que devia haver uma ligação entre a teoria do calor e temperatura com a estrutura da matéria. Em 1827, o botânico Inglês Robert Brown anunciou que grãos de pólen suspensos num líquido se movem desordenadamente dum lugar para o outro, como se estivessem sob constante agitação. Em 1905, Albert Einstein usou a teoria cinética molecular para explicar a causa desse movimento desordenado, o qual actualmente é conhecido pelo nome de movimento browniano. Esta explicação forneceu, aos cientistas, uma compreensão profunda sobre o movimento de moléculas, e deu credibilidade à ideia de que a matéria é constituída por átomos. 30-05-20162

3 0.0. OBJECTO DE ESTUDO E MÉTODOS DE ESTUDO OBJECTO DE ESTUDO: O objecto de estudo da FMT são os fenómenos térmicos que ocorrem em sistemas compostos por um número elevado de partículas. Fenómenos Térmicos - são fenómenos condicionados pelo movimento caótico dos átomos e moléculas. Ex: A transformação dum corpo sólido em líquido A condensação dum gás quando é arrefecido. Os fenómenos térmicos dependem da temperatura Os fenómenos térmicos e os sistemas constituídos por um número muito elevado de partículas podem ser estudados através de dois métodos: Método termodinâmico Método Estatístico 30-05-20163

4 Métodos de Estudo Método Termodinâmico: Não considera a estrutura interna das substâncias constituintes do corpo ou sistema de corpos a ser analisado. Não considera o carácter específico do movimento das partículas em separado. Baseia-se no estudo de diferentes transformações que se desenvolvem dentro do sistema. A parte da Física onde as propriedades físicas dum sistema são estudados pelo método termodinâmico chama-se Termodinâmica ou Termodinâmica Fenomenológica. A Termodinâmica: Lida com os conceitos de calor e temperatura. É muito bem sucedida na explicação de propriedades macroscópicas da matéria e a sua correlação com o movimento dos átomos e moléculas. Preocupa-se com o comportamento do sistema como um todo. 30-05-20164

5 A Termodinâmica: A termodinâmica também responde à questões mais práticas: Já pensou como o refrigerador é capaz de esfriar os produtos que se encontram no seu interior? Que tipo de transformações ocorrem numa estação de geração de energia eléctrica ou no motor dum automóvel? O que acontece com a energia cinética dum objecto, inicialmente em movimento, quando é trazido ao repouso? As leis da Termodinâmica e os conceitos de calor e temperatura fornecem a explicação. 30-05-20165

6 Termodinâmica (cont.) Em geral, a Termodinâmica está preocupada com as transformações da matéria (em todos os seus estados) ou transformações de energia que ocorrem dentro do sistema. As leis da Termodinâmica formam a base para o cálculo das propriedades físicas (Temperatura, pressão, volume e a composição). Método Estatístico: Os conceitos de átomos e moléculas são relevantes. Descreve propriedades macroscópicas dos sistemas físicos em termos de propriedades microscópicas.  Tem como base a teoria cinético-molecular (TCM): A teoria que explica os fenómenos térmicos que ocorrem em sistemas macroscópicos com base na concepção de que todos corpos são constituídos por diversas partículas que se encontram em constante movimento e exercem mutuamente forças de interacção molecular (à pequenas distâncias). Baseia-se no emprego da teoria das probabilidades e de certos modelos da estrutura dos sistemas considerados. 30-05-20166

7 Método estatístico (cont.) A parte da Física em que as propriedades físicas dos sistemas são estudadas com o recurso ao método estatístico chama-se Física Estatística ou Estatística Física. A FÍSICA ESTATÍSTICA: No comportamento global dum grande número de partículas manifestam-se certas leis chamadas leis estatísticas. A Física Estatística emprega os valores médios das grandezas microscópicas, os quais caracterizam todo o conjunto de partículas em geral. Ex: Valores médios das velocidades de movimento térmico das moléculas ou valores médios das energias cinéticas. A Mecânica Estatística é uma teoria mais profunda e ao mesmo tempo mais complexa dos fenómenos caloríficos,a qual permite fundamentar teoricamente as leis da Termodinâmica. 30-05-20167

8 Lei aproximada de dependência da força de interacção molecular com a distância que separa as moléculas 30-05-20168

9 0.1. Aspectos e conceitos Básicos da Termodinâmica: 0.1.1.Sistemas Termodinâmicos: Chama-se sistema à parte material do universo que está sob nossa consideração ou análise. A parte material que não pertence ao sistema chama-se vizinhança ou meio ambiente. O sistema pode ou não interagir com a vizinhança. Sistema isolado - é um sistema em cujas fronteiras não há fluxo de substância nem de energia Ex: Agua quente numa garrafa térmica bem fechada. Sistema fechado - é um sistema em cujas fronteiras não há fluxo de substância mas pode haver fluxo de energia. Ex: Uma lâmpada fluorescente acesa. Sistema aberto : Nas suas fronteiras pode haver tanto fluxo de substância como fluxo de energia. Ex: Uma panela com água a ferver. 30-05-20169

10 Sistemas Termodinâmicos (cont.) Chamam-se sistemas termodinâmicos aos objectos macroscópicos (corpos ou campos) que podem trocar energia entre si ou com a vizinhança. Parâmetros Termodinâmicos: são grandezas físicas que são empregues para a descrição do estado dum dado sistema termodinâmico. Ex: Pressão, Temperatura e Volume. 0.1.2. TEMPERATURA E LEI ZERO DA TERMODINÂMICA: Frequentemente, o conceito de temperatura é associado com a sensação de quente ou frio, que um objecto nos transmite quando o pegamos. Os nossos sentidos fornecem uma indicação qualitativa de temperatura. Contudo os nossos sentidos não são confiáveis e, muitas vezes dão uma indicação errada. Ex: Uma madeira e um objecto metálico, transmitem sensações diferentes mesmo que ambos estejam à mesma temperatura. 30-05-201610

11 Temperatura e Lei zero da Termodinâmica (cont.) Portanto, é preciso adotar um método confiável e reproduzível para o estabelecimento dos estados térmicos relativos dos corpos. Os cientistas desenvolveram uma variedade de termómetros para a avaliação ou medição quantitativa de temperatura. É familiar o facto de que dois objectos à temperaturas iniciais diferentes, eventualmente alcançam uma temperatura intermédia quando colocados em contacto um com o outro. Ex: Um cubo de gelo colocado num recipiente contendo água quente, derrete e a temperatura da água diminui. 0.1.2.1. CONTACTO TÉRMICO E EQUILÍBRIO TÉRMICO: Considere dois objectos colocados num recipiente isolado, de tal modo que estes interajam mutuamente mas não com a vizinhança. Se estes objectos estiverem à temperaturas diferentes, trocarão energia térmica entre si, mesmo que inicialmente não estejam em contacto físico um com o outro. 30-05-201611

12 Contacto térmico e equilíbrio térmico (cont.) Calor é uma forma de transmissão de energia. É a energia que se transfere de um corpo para o outro em virtude, unicamente, de uma diferença de temperatura entre eles. Portanto, calor é uma energia em trânsito. Assim, diz-se que dois objectos se encontram em contacto térmico se podem trocar energia, em forma de calor, entre si. Equilíbrio Térmico : é um estado no qual, para dois objectos em contacto térmico entre si, cessa a troca de energia em forma de calor. Dois objectos em equilíbrio térmico um com o outro estão à mesma temperatura. 30-05-201612

13 Lei zero e sentido do fluxo de calor (cont.) C C AB Fig.1: A e B estão em equilíbrio térmico com C então A e B estão em equilíbrio térmico entre si. AB Fig.2 Se então o calor se transfere espontaneamente de A para B 30-05-201613 0.1.2.2. LEI ZERO DA TERMODINÂMICA: Considere dois objectos A e B que não estejam em contacto térmico, e um 3º objecto C (normalmente um termómetro). Se os objectos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um 3º objecto C, então os objectos A e B estão em equilíbrio térmico entre si.

14 Lei zero da Termodinâmica (cont.) Portanto, a temperatura é uma propriedade que determina se um objecto está em equilíbrio térmico com um outro objecto. É a propriedade dum objecto que indica o sentido de transferência espontânea de energia quando o objecto for colocado em contacto térmico com o outro. Em todas as partes constituintes dum sistema termodinâmico em estado de equilíbrio térmico mantém-se uma temperatura de valor constante. O calor ´´flui`` espontaneamente, do corpo à temperatura maior para o que está à temperatura menor. 30-05-201614