1 Capítulo 1 1.1 Introdução. Temperatura e o Princípio Zero da Termodinâmica 1.2 Termómetros e...
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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 e a Escala Kelvin1.4 Escala Fahrenheit1.5 Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos 1.6 Descrição Macroscópica de um Gás ideal
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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
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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?
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A termodinâmica trata das transformações da matéria nos seus quatro estados:
SÓLIDO LÍQUIDO GÁS PLASMA
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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
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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
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
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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
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
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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:
BA TT
1.2 Termómetros e a Escala CelsiusOs 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
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Escala Celsius de Temperatura
• Ponto de fusão do gelo - 0 C
• Ponto de ebulição da água - 100 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:
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1.3 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:
ghPP 0
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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
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
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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 –273.15 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 –273.15 C como sendo o zero absoluto
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Escala Kelvin de Temperatura
A escala Kelvin de temperatura estabelece –273.15 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
TTC
Conversão entre as temperaturas na escala Kelvin e Celsius
15.273TTC
TC 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 273.16 K (1954 )
Assim, a unidade da temperatura do SI, o kelvin, é definida como 1/273.16 da temperatura do ponto triplo da água.
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Temperatura absoluta de alguns processos físicos:
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1.4 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
325
9 CF TT F
CF TT 5
9
O tamanho de um grau na escala Celsius é diferente ao tamanho de um grau na escala Fahrenheit
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1.5 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
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Li , Ti
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 iL
Para uma variação de na temperatura o comprimento aumenta LT
L
Lf , Tf
TLL i Para pequeno T ou ifiif TTLLL
é chamado de coeficiente médio de expansão linear para um determinado material e tem unidades 1o C
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substânciaCoeficiente de expansão linear
() em ºC-1
aço 1,1 x 10-5
alumínio 2,4 x 10-5
chumbo 2,9 x 10-5
cobre 1,7 x 10-5
ferro 1,2 x 10-5
latão 2,0 x 10-5
ouro 1,4 x 10-5
prata 1,9 x 10-5
vidro comum 0,9 x 10-5
vidro pirex 0,3 x 10-5
zinco 6,4 x 10-5
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.
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
TVV
TLLTLLV
ii
iiiif
3
3 333
TVVVV iif
=3 Coeficiente médio de expansão do volume:
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No caso dos fluidos devemos levar em conta a expansão do recipiente também
Exemplo:
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TAAAA iif
Área
=2 Coeficiente médio de expansão da área
substânciaCoeficiente de dilatação volumétrica
() em ºC-1
álcool 100 x 10-5
gases 3,66 x 10-3
gasolina 11 x 10-4
mercúrio 18,2 x 10-5
A Tabela mostra o coeficiente médio de expansão volúmica de várias substâncias
TAA
TLLTLLA
ii
iiiif
2
2 222
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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.
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A densidade de água alcança um valor máximo de 1000 kg/m3 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
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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
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1.6 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)
nRTPV
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
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A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressão atmosférica comporta-se aproximadamente como um gás ideal
K J/mol 315.8 R constante universal dos gases
(unidades do SI)