temperatura calor 1º. lei da termodinâmica

Temperatura Temperatura Calor Calor

1º. Lei da 1º. Lei da Termodinâmica Termodinâmica

Temperatura Temperatura Calor Calor

1º. Lei da 1º. Lei da Termodinâmica Termodinâmica

Criostatos de He3

-272.85 C

TermodinâmicaTermodinâmica

Energia Térmica

Temperatura , Calor, Entropia ...

Máquinas Térmicas : Refrigeradores, ar-condicionados, ...

Física “Térmica”Física “Térmica”

NÚMERO DE PARTÍCULAS N>>1NÚMERO DE PARTÍCULAS N>>1

Termodinâmica :Termodinâmica :– Análise Macroscópica Análise Macroscópica – FenomenológicaFenomenológica

Física EstatísticaFísica Estatística– Análise MicroscópicaAnálise Microscópica– Princípios físicos + estatísticaPrincípios físicos + estatística

TemperaturaTemperatura

Sensação térmicaSensação térmica

Energia térmica :Energia térmica :Energia interna :Energia interna :cinética + potencialcinética + potencialátomos-moléculasátomos-moléculas

Equilíbrio TérmicoEquilíbrio Térmico Dois sistemas “grandes” em contato térmicoDois sistemas “grandes” em contato térmico

Muitas configurações = divisão da energia térmica Muitas configurações = divisão da energia térmica permitidas permitidas

MAS MAS UMA CONFIGURAÇÃO UMA CONFIGURAÇÃO MUITOMUITO MAIS PROVÁVEL MAIS PROVÁVEL

CONFIGURAÇÃO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO descreve CONFIGURAÇÃO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO descreve MUITO BEM as propriedades do sistemaMUITO BEM as propriedades do sistema

Parâmetro que se iguala na configuração de equilíbrio Parâmetro que se iguala na configuração de equilíbrio térmico:térmico:

TEMPERATUTEMPERATURARA

TemperaturaTemperatura

Temperatura fundamentalTemperatura fundamentalUnidade: energia Unidade: energia g=ng=noo. estados acessíveis. estados acessíveis

Temperatura absoluta – termodinâmica :Temperatura absoluta – termodinâmica :

Unidade: KelvinUnidade: KelvinK: constante de Boltzmann K: constante de Boltzmann Zero Absoluto Zero Absoluto

Escalas de temperatura : Celsius , FahrenheitEscalas de temperatura : Celsius , Fahrenheit

NU

g

)(ln1

KT

TemperaturaTemperatura

Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica

• Sistemas : A , B e T

• Sistema T : parâmetro → Temperatura

TT =TA e TT =TB

→ TA=TB

• SE: Ti > Tj → Fluxo de energia de i para j

““Se dois sistemasSe dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles devem estar em equilíbrio térmico entre si.”terceiro, eles devem estar em equilíbrio térmico entre si.”

Medida da TemperaturaMedida da Temperatura

Propriedades físicas que dependem Propriedades físicas que dependem de T:de T:

Pressão de gasesPressão de gases

Volume de gases e líquidosVolume de gases e líquidos

Dimensões de sólidosDimensões de sólidos

Resistência elétricaResistência elétrica

......

Escalas de TemperaturaEscalas de Temperatura

Define um único conjunto de P, V e T

T3 atribuído por acordo internacional:

T3= 273,16 K

Célula de ponto triplo

Referência: PONTO TRIPLO DA ÁGUAReferência: PONTO TRIPLO DA ÁGUA

Escalas de TemperaturaEscalas de Temperatura

9

32

55

15,273

FCK TTT

Kelvin, Celsius, Fahrenheit

Celsius: T3=0,01oC - T=1K=1oC

Fahrenheit : T3=32,02oF - T=5K=9oF

Dilatação térmicaDilatação térmica Aumento de T → aumento da

separação média entre átomos do sólido

CTETL

L

Expansão linear:

Coeficiente de expansão linear:

Dilatação térmicaDilatação térmica

Furo aumenta ou diminui com T ?

= Ampliação fotográfica : Furo aumenta.

Dilatação térmicaDilatação térmica

3LV

Expansão volumétrica :

Coeficiente de expansão volumétrica: 3

TV

V

TL

L

L

LL

V

VT

33

33

2

Exemplo: CUBO

Dilatação térmicaDilatação térmica

Expansão térmicaExpansão térmica

Aplicação : termostato

contato elétrico

Expansão TérmicaExpansão Térmica

Coeficiente de dilatação anômalo da Coeficiente de dilatação anômalo da águaágua

V

mDensidade:

ExemploExemplo

cmL

TLL

16.1

81010113.1 6

Um fio de aço com 130 cm de comprimento e 1,1 mm de diâmetro é aquecido a 830 0C e conectado a dois suportes. Qual a força gerada no fio quando ele é resfriado a 20 0 C ? aço = 11.10-6 /0C Eaço=200x109 N/m2.

NF

d

L

LEF

L

LE

A

F

1700

2

101.1

3.1

1016.110200

2

2329

2

Calor e TemperaturaCalor e TemperaturaTc > Tambiente

energia

Corpo perde energia interna→ transferida para ambiente

Tc < Tambiente

energia

Corpo ganha energia interna→ cedida pelo ambiente

Tc = Tambiente Não hátransferência de energia

Calor e TemperaturaCalor e Temperatura

Energia transferida = CALOR = Q

Tc > Tambiente

energia

Corpo perde energia interna→ transferida para ambiente

Tc < Tambiente

energia

Corpo ganha energia interna→ cedida pelo ambiente

Absorção de CalorAbsorção de Calor

Capacidade de absorção depende do sistemaEm geral, resulta em aumento de T

T

QC

Capacidade

Calorifica

Tm

Qc

Calor

Específico

Só depende do material e das condiçõesp cte , V cte

Calor específicoCalor específico

UnidadesUnidades

CALOR = ENERGIACALOR = ENERGIA

[Q] = Joule[Q] = Joule

1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para

aumentar T de 1 g deaumentar T de 1 g de

água de 14,5 água de 14,5 →15,5ºC→15,5ºC

Calor específico Calor específico

[c] : J/(kg.K) : cal /(g.[c] : J/(kg.K) : cal /(g.ooC)C) Tm

Qc

Transformação de FASETransformação de FASE

Temperatura não varia durante mudança de estado

Requer energia : QRequer energia : Q

sólido líquido gasoso

FUSÃO VAPORIZAÇÃO

Q Q

Q Q

Transformação de FASETransformação de FASE

Calor Absorvido/Liberado na mudança de fase por unidade de massa

Calor de Transformação

Requer energia : Q Requer energia : Q

sólido líquido gasoso

FUSÃO VAPORIZAÇÃO

Q Q

Q Q

m

QL

Calor de TransformaçãoCalor de Transformação

ExemploExemploQual a quantidade de calor necessária para transformar 720 g de gelo inicialmente a -10 0C em água a 15 0C?cice = 2220 J/Kg, LF = 333 J/kg, clig = 4190 J/kg

Q1Q2

Calor e TrabalhoCalor e TrabalhoCALOR:

Energia transferida por contato térmicoQ : Calor recebido pelo sistema

TRABALHO: Energia transferida por variação dosparâmetros externos do sistemaW : trabalho realizado pelo sistema

ENERGIA INTERNA DO SISTEMA:Cinética+potencial dos graus de liberdade internos Eint : PROPORCIONAL A TEMPERATURA

Calor e TrabalhoCalor e Trabalho

Q : Calor recebido pelo sistemaW : trabalho realizado pelo sistemaEint: ENERGIA INTERNA DO SISTEMA:

CONSERVAÇÃO DE ENERGIAWQEi

1º. LEI DA TERMODINÂMICA

Calor e TrabalhoCalor e Trabalho

TRABALHO - FLUIDO

TrabalhoTrabalho

nRTPV Gás ideal

i → f

Qual caminho ?

Área curva no diagrama p-V

Processos AdiabáticosProcessos Adiabáticos

Sistema isolado OU Processo muito rápido

WEi

0Q

Expansão adiabática : W>0 : Ei<0 : Temperatura diminui

→ Não há transferência de calor

WQEi

Compressão adiabática : W<0 : Ei>0 : Temperatura aumenta

Processos isométricosProcessos isométricos

Volume CTE

iEQ

0W

Gás aborve calor : Q>0 : Ei>0 : Temperatura aumenta

WQEi

Gás libera calor : Q<0 : Ei<0 : Temperatura diminui

Processos CíclicosProcessos CíclicosEstados inicial e final = iguais

WQ

0 iE

Curvas fechadas

WQEi

T inicial e final = iguais

Eint inicial e final = iguais

Expansão LivreExpansão Livre

0WQ

0 iE

Temperatura do gás NÂO varia

Não pode ser realizada lentamente : processo súbito : estados intermediários não são “de equilíbrio” :Não podemos desenhar trajetória em diagrama p-V

Expansão adiabática sem realização de trabalho

WQEi

Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica

ResumoResumo

ExemploExemploDeve-se converter 1 kg de água a 100 0 em vapor d´água na mesma temperatura numa pressão p = 1,01x105 N/m2. O volume da água varia de 1,0 x10-3 m3 quando liquido para 1,671 m3 em gás. Qual o trabalho realizado pelo sistema? Qual a variação da energia interna do sistema ?

WQEi

Transferência de calorTransferência de calor

ConduçãoCondução

Conveção Conveção

RadiaçãoRadiação

ConduçãoCondução

Energia térmica transferida átomo → átomo

ConduçãoCondução

k : condutividade térmica do material

R : resistência térmica à condução de calor :

Taxa de condução: Calor transferido por unidade de tempo:

Placa com faces de área A e espessura L mantidas em TH e Tc

ConduçãoCondução

Placa composta em estado estacionário : H1 = H2 = H

Resistências térmicas em série se somam

ConduçãoCondução

ConveçãoConveção

Brisa do mar

FLUIDOS : variação da temperatura → variação da densidade → movimento do fluido : Correntes de convecção

ConveçãoConveção

RadiaçãoRadiação

Calor absorvido/liberado por absorção/emissão de ondas eletromagnéticas

Única transferência de calor no vácuo

SOL Terra

RadiaçãoRadiação

Taxa de radiação de térmica : Potência térmica

4TAP

Lei de Stefan-Boltzmann

= 5,6703x10-8 W/m-2K-4 : Cte de Stefan-Boltzmann : emissividade : 0→1 (1 = corpo negro)T : PRECISA estar em K

RadiaçãoRadiação

Potência térmica irradiada Potência térmica absorvida

Taxa líquida de troca de energia de um corpo em T num ambiente em Tamb

Emissão vs Absorção

4TAPrad 4ambabs TAP

)( 44 TTAPPP ambradabsliq