TERMOLOGIA IVAN SANTOS. CONCEITOS FUNDAMENTAIS Temperatura: Medida da agitação molecular. Calor: Energia térmica em trânsito. Equilíbrio térmico: temperaturas.

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1 TERMOLOGIA IVAN SANTOS

2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Temperatura: Medida da agitação molecular. Calor: Energia térmica em trânsito. Equilíbrio térmico: temperaturas iguais. Obs: O calor sempre flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

3 Relação de Conversão de Variações Equações de Conversão RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS TERMOMÉTRICAS Pressão de 1 Atm CELSIUS ( ºC ) FAHRENHEIT ( ºF ) KELVIN ( K )

4 Dilatação Térmica Salvo algumas exceções, todos os corpos, quer sejam sólidos, líquidos ou gasosos, dilatam-se quando a sua temperatura aumenta. Os átomos que constituem um sólido se distribuem ordenadamente, dando origem a uma estrutura que é denominada rede cristalina do sólido. A ligação entre esses átomos se faz por meio de forças elétricas, que atuam como se existissem pequenas molas unindo um átomo a outro. Esses átomos estão em constante vibração em torno de uma posição média de equilíbrio. Quando a temperatura aumenta, há um aumento da agitação, fazendo com que eles, ao vibrar, afastem-se das suas posições de equilíbrio. Em conseqüência disso, a distância média entre os átomos torna-se maior, ocasionando a dilatação do sólido.

5 Dilatação Térmica: Variação da dimensão de um corpo quando sua temperatura varia. - Dilatação Linear - Dilatação Superficial - Dilatação Volumétrica Entre elas temos:

6 Dilatação Linear Estuda a dilatação em apenas uma dimensão (comprimento).

7 Problema exemplo: A dilatação térmica dos sólidos é um fenômeno importante em diversas aplicações de engenharia, como construções de pontes, prédios e estradas de ferro. Considere o caso dos trilhos de trem serem de aço, cujo coeficiente de dilatação é α = 11. 10-6 °C-1. Se a 10°C o comprimento de um trilho é de 30m, de quanto aumentaria o seu comprimento se a temperatura aumentasse para 40°C? RESOLUÇÃO: O cálculo da dilatação linear ΔL, do trilho é: ΔL = L 0. α. Δθ ΔL = 30. (11. 10-6). (40 – 10) = 99. 10 -4 m ou 0,0099m

8 Os componentes de uma lâmina bimetálica são o aço e o zinco. Os coeficientes de dilatação linear desses metais são, respectivamente, 1,2. 10 -5 °C -1 e 2,6. 10 -5 °C -1. Em uma determinada temperatura, a lâmina apresenta-se retilínea. Quando aquecida ou resfriada, ela apresenta uma curvatura. Explique por quê. RESOLUÇÃO Como α zinco > α aço, para um mesmo aumento de temperatura o zinco sofre uma dilatação maior, fazendo com que na lâmina ocorra uma dilatação desigual, produzindo o encurvamento. Como a dilatação do zinco é maior, ele ficará na parte externa da curvatura. No resfriamento, os metais se contraem. O zinco, por ter α maior, sofre maior contração. Assim, a parte de aço ocupa a parte externa da curvatura. Problema exemplo:

9 Dilatação Superficial Estuda a dilatação em duas dimensões (comprimento e largura).

10 O que acontece com o diâmetro do orifício de uma coroa de alumínio quando esta é aquecida? RESOLUÇÃO A experiência mostra que o diâmetro desse orifício aumenta. Para entender melhor o fenômeno, imagine a situação equivalente de uma placa circular, de tamanho igual ao do orifício da coroa antes de ser aquecida. Aumentando a temperatura, o diâmetro da placa aumenta.

11 Uma chapa possui área de 4m 2 a 0 o C. Aquecendo- se a chapa a 50 o C, de quanto aumenta a área da chapa e qual deverá ser sua área final. Dado = 10.10 -6 o C -1 ΔA = A 0. β. Δθ Obs.: β = 2.α ΔA = 4. (2 x 10. 10 -6 ). (50 – 0) = 0,004m 2 A = 4 + 0,004 = 4,004m 2

12 Dilatação Volumétrica Estuda a dilatação em três dimensões (comprimento, largura e espessura).

13 O volume de uma esfera metálica, a certa temperatura. é 100cm 3. Que variação de volume sofrerá sob o acréscimo de 40 o C de temperatura. Suponha ser constante e igual a 1.10 -5 o C -1 o coeficiente de dilatação linear do material de que é feita a esfera. ΔV = V 0. γ. Δθ Obs.: γ = 3.α ΔV = 100. (3 x 1. 10 -5 ). 40 = 0,12cm 3 Problema exemplo:

14 Dilatação Volumétrica dos líquidos. Os líquidos sempre estão contidos em recipientes sólidos. Portanto quando são aquecidos ambos se dilatam.

15 O caso da água A água é o líquido mais comum, no entanto, seu comportamento em termos de dilatação térmica é uma verdadeira exceção. Gráfico I O gráfico I mostra esse comportamento: de 0°C até 4°C o volume da água diminui com o aquecimento. Somente a partir de 4°C é que, com o aquecimento, a água aumenta de volume (como acontece aos demais líquidos).

16 Comentário sobre o caso da água Gráfico II O gráfico II descreve a variação da densidade d da água com a temperatura. Como a densidade de um corpo é a sua massa (m) dividida pelo seu volume (V), ou seja,, tem- se que a densidade da água é inversamente proporcional ao seu volume durante a variação da temperatura, pois a massa permanece constante.

17 Comentário sobre o caso da água Assim, de 0°C a 4°C a densidade da água aumenta com o aquecimento, pois seu volume diminui; a partir de 4°C a densidade da água diminui com o aquecimento, porque seu volume aumenta. A densidade da água é máxima a 4°C e seu valor é 1,0000 g/cm 3. Em todas as outras temperaturas sua densidade é menor.

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19 Calorimetria A troca de calor entre dois corpos cessa quando for atingido o equilíbrio térmico. Obs: O calor sempre flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

20 Calor Sensível É o calor que provoca variação de temperatura sem haver mudança de estado físico. Calor Latente É o calor que provoca mudança de estado físico sem variar a temperatura.

21 Capacidade Térmica È a razão entre o calor trocado por ele e sua respectiva variação temperatura. Obs: A capacidade térmica depende da massa, da natureza da substância, temperatura e pressão.

22 Calor específico É a quantidade de calor necessária para variar 1ºC a temperatura de 1g de substância. Obs: - O calor específico depende da natureza da substância. - O calor específico muda com a variação da temperatura. - Toda substância tem em cada estado físico, um valor diferente para o calor específico.

23 Trocas de calor Q cedido + Q recebido = 0 Q cedido = - Q recebido - Dois corpos: - Mais de dois corpos: Q 1 +Q 2 +Q 3 +... +Q n = 0

24 Mudança de estado físico

25 Exercício: 1 Têm-se 20 g de gelo a -10 o C. Qual a quantidade de calor que se deve fornecer ao gelo para que ele se transforme em água a 20 o C? Dados: c gelo = 0,5 cal /g. o C; c água = 1 cal /g. o C; é L F = 80 cal / g. 2 O gráfico representa o calor Q transferido para uma substância em função de sua temperatura T. A massa da substância é de 500 g. Qual o seu calor especifico, suposto constante? 0,4 J/ g o C 0,8 J/ g o C 1,0 J/ g o C 1,2 J/ g o C 1,6 J/ g o C

26 Curvas de estado Substâncias que aumentam de volume na fusão.(maioria das substâncias)

27 Curvas de estado Substâncias que diminuem de volume na fusão.(exceção)

28 Propagação de calor - Condução; - Convecção; - Irradiação. A propagação de calor acontece de três maneiras diferentes:

29 Propagação de calor O calor passa de molécula a molécula; É próprio para os sólidos; Não ocorre no vácuo. - Condução:

30 Propagação de calor Ocorre nos fluídos com o deslocamento de partículas. Não ocorre no vácuo. - Convecção:

31 Propagação de calor Quando o calor é transmitido por ondas eletromagnéticas. Única que ocorre no vácuo. - Irradiação:

32 Variáveis de estado: - Pressão - Volume - Temperatura. Condição: Baixa pressão e alta temperatura. Estudo dos gases ideais.

33 Equação de Clapeyron Equação geral dos gases:

34 Estudo dos gases ideais. Isotérmica: Temperatura constante Transformações

35 Isobárica: Pressão constante. Estudo dos gases ideais.

36 Isométrica: Volume constante Transformações Estudo dos gases ideais.

37 BALANÇO ENERGÉTICO Q (absorvido) > 0 Q ( cedido) < 0 Não troca calor Q= 0 δ (expansão) > 0 δ (compressão) < 0 não realiza nem recebe trabalho δ= 0 ΔU >0, temperatura aumenta ΔU <0, temperatura diminui ΔU =0, transformação isotérmica, Q = δ

38 TERMODINÂMICA 1º LEI DA TERMODINÂMICA: Lei da conservação da energia. Adiabática: Sem troca de calor. Transformação

39 Trabalho sob pressão constante Volume – m 3, pressão – N/m 2 e temperatura em Kelvin, trabalho em Joules

40 2ª LEI DA TERMODINÂMICA O trabalho pode converter-se totalmente em calor, porém o calor não pode converter-se totalmente em trabalho O calor passa espontaneamente dos corpos de maior temperatura para os de menor temperatura

41 MÁQUINA TÉRMICA Energia térmica Energia mecânica FIM DA AULA