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Descrição Macroscópica de um Gás ideal
A equação de estado relaciona a pressão P, atemperatura T e o volume V do gás
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 obtidaexperimentalmente é relativamente simples
Gás ideal é um gás de densidade baixa (pressão muitobaixa)
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nRTPV
Lei do gás ideal
T é a temperatura absoluta em kelvin
A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressãoatmosférica comporta-se aproximadamente como um gás ideal
K J/mol 315.8 R é a constante universal dosgases
n é o número de moles
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Unidades de calor
A caloria (cal) era definida como o calor necessário para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5ºC para 15,5ºC
Em 1948, os cientistas concordaram que, como o calor (assim como otrabalho) é uma medida da transferência de energia, e sua unidade noSI deveria ser o joule
J4,186cal 1
Equivalente mecânico de calor
Dispositivo de Joule para determinar a relação da caloria e joule
O trabalho realizado sobre a água pelos pesos emqueda (em joules), rodam as pás produzindo umaumento de temperatura, equivalente à absorção, pelaágua, de uma determinada quantidade de calor (emcalorias)
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Calor Específico e Calorimetria
O calor específico c de um substância éTm
Qc
Q é a energia transferida para a massa m de uma substância, fazendo
com que a sua temperatura varie de T
As unidades do calor específico são J/kg·C
A energia Q transferida do meio para um sistema de massa m varia a
sua temperatura de T
TmcQ
O calor específico elevado da água comparado com a maioria dasoutras substâncias comuns (Tabela) é responsável pelastemperaturas moderadas nas regiões próximas de grandes volumesde água
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A Tabela mostra os calores específicos de algumas substâncias a 25 C e pressão atmosférica
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mLQ
A transferência de energia necessária para a mudança de fase de umadada substância de massa m de uma substância pura é
L - calor latente da substância depende da natureza da mudançade fase e da substância
fL
evaporação ou condensação calor de evaporaçãovL
O calor latente de fusão é a energia necessária para romper todas asligações intermoleculares num quilograma de uma substância demaneira a converter a fase sólida em fase líquida.
O calor latente de vaporização é a energia que deve ser adicionadaa um quilograma da fase líquida de uma substância para rompertodas as ligações de maneira a formar um gás
fusão ou congelamento calor de fusão
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A Tabela mostra os calores latentes de diferentes substâncias
O calor latente de evaporação para uma dada substância égeralmente muito maior do que o calor latente de fusão
Trabalho e Calor em Processos TermodinâmicosVariáveis de estado – pressão, volume, temperatura e energia interna
O estado macroscópico de um sistema pode ser especificado apenas se o sistemaestiver em equilíbrio térmico interno
Variáveis de transferência – trabalho ecalor
Essas variáveis só têm valor diferente de zero se ocorrer um processono qual a energia é transferida através da fronteira do sistema
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• Trabalho realizado por um sistemadeformável – o gás
O gás ocupa um volume V e exerce uma
pressão P nas paredes do cilindro e no pistão
A
FP porque VPW
O gás é expandido quasi-estaticamente, isto é,
devagar o suficiente para permitir que o
sistema se mantenha em equilíbrio térmico em
todos os instantes
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O trabalho realizado pelo gás épositivo
O trabalho realizado pelo gás énegativo
Expansão do gás Compressão do gás
O trabalho total realizado pelo gás àmedida que o seu volume se altera de Vi
para Vf é dado por
f
i
V
V
PdVW
O estado do gás a cada passo pode ser traçado numa representação gráfica que é muito importante na termodinâmica – um diagrama PV
W
W é a área sob a curva
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O trabalho realizado pelo gás depende da trajectória seguida entre os estados inicial e final
W
1
W
2W3
iff VVPW 1
ifi VVPW 2
f
i
V
V
PdVW3
Para determinar o trabalho W3 é preciso conhecer a função P(V)
231 WWW
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Primeiro Princípio da Termodinâmica
WQU
Q é a energia transferida para o gás
W é o trabalho realizado pelo gás
U é a variação da energia interna
Algumas Aplicações do Primeiro Princípio da Termodinâmica
Processo adiabático
Q=0Todas as superfícies do pistão são isolantes perfeitos, demaneira que a transferência de energia pelo calor não existe
Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica
WU
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ProcessoisobáricoProcesso que ocorre a uma pressão constante
WQU
if VVPW
Processo isométrico (ouisocórico)
No processo isométrico, o volume é constantee é criado segurando-se o pistão de maneiraque ele não se mova
W=0
0 QWQU QU
Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica
Aplicando o primeiro princípio datermodinâmica
Toda a energia adicionada ao sistema pormeio do calor, vai para o aumento daenergia interna do sistema
Processo isotérmicoNum processo isotérmico a temperatura é constante
0U
Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica
WQU WQ 0 QW
Isoterma
A energia que entra no gás por meio do
trabalho sai do gás por meio do calor, de modo
que a energia interna permanece fixa
nRTPV V
nRTP
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Processo cíclico
O sistema não isolado começa e termina nomesmo estado
0U
WQ
Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica
WQU WQ 0
Os processos cíclicos são muito importantes na descrição das máquinastérmicas
A energia adicionada ao sistema na forma de calor, deve ser igual ao
trabalho realizado sobre o sistema durante o ciclo
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Mecanismos de Transferência de Energia emProcessos Térmicos
Condução
Em escala atómica há umatroca de energia cinéticaentre moléculas, na qual asmoléculas menos energéticasganham energia colidindocom moléculas maisenergéticas- Antes de se inserir a barra na chama, os átomos estão vibrando em torno desuas posições de equilíbrio
- À medida que a chama fornece energia à barra, os átomos próximos à chamacomeçam a vibrar com amplitudes cada vez maiores
- Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nascolisões
O aumento da vibração das moléculas representa uma elevação detemperatura do metal
A taxa de condução depende das propriedades da substância
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k é chamada de condutividade térmica do
material
Considere um bloco cujo material tem espessura e uma secção de área A, cujas faces opostas têm temperaturas T1 e T2, onde T2> T1
x
T2
T1
Taxa de transferência de energia pelo calor
tQH /
H é a potência
x
TA
t
QH
(Watts)
Para um bloco de espessura infinitesimal dx e diferença de temperatura
dT, podemos escrever a lei da condução como
dx
dTkAH
é o gradiente de temperatura(variação da temperatura com a posição)
dxdT /
T2 T1
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T2 T1
Suponha que uma substância esteja na forma de uma barra longa euniforme e de comprimento L
Está isolada de modo que a energianão possa escapar pelo calor a partirda sua superfície excepto nasextremidades, que estão em contactotérmico com reservatórios que têmtemperaturas T1 e T2
L
TT
dx
dT 12
No estado estacionário a temperatura em cada ponto ao longo dabarra é constante no tempo
A taxa de transferência de energia pelo calor será
L
TTkAH 12
k é a condutividade térmica
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A Tabela mostra a condutividade térmica de diferentes substâncias
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ConvecçãoA energia é transferida pelo movimento de um fluido
Se não fosse pelas correntes de convecção, seria muito difícil ferver aágua
À medida que a água é aquecida numa panela, as camadasinferiores são aquecidas primeiras.
Essas regiões se expandem e sobem porque tem umadensidade menor que a da água fria. Ao mesmo tempo, aágua mais fria e mais densa vai para o fundo da panela e aípode ser aquecida.
O mesmo processo ocorrenuma sala aquecida por umaquecedor
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Radiação
A energia é transferida pela radiação electromagnética
A origem da radiação electromagnética é a aceleração de cargas eléctricas
A potência irradiada pelo corpo em
Watts
4AeTH
Qualquer corpo emite radiação electromagnética devido ao movimento térmico de
suas moléculas
8106696.5 W/m2K4Constante de Stefan-
Boltzmann:
T é a temperatura da
superfície do corpo emkelvins
A é a área da superfície docorpo em metros quadrados
e é uma constante chamada
emissividade
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