Aula 2 Dalpian

BC0205Fenômenos TérmicosGustavo M. Dalpian

Terceiro Trimestre/2009

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Fenômenos Térmicos ?• Ementa:

– Temperatura e calor. Sistemas termodinâmicos. Variáveis

termodinâmicas e sua natureza macroscópica. Teoria cinética do

calor e dos gases. Primeira lei da termodinâmica. Processos

irreversíveis e entropia. Segunda lei da termodinâmica.

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Fenômenos Térmicos ???• Termodinâmica:

– Estuda processos de transformação na matéria macroscópica (número de Avogadro de constituintes), prescindindo de qualquer hipótese sobre a constituição atômica (microscópica) dos corpos materiais;

– Estuda as transferências e conversões de energia entre um sistema e sua vizinhança, com possíveis variações na temperatura ou mudanças de estado físico do sistema;

– Descreve processos de transformação em física, química e biologia.

• Início de seu desenvolvimento ocorreu na primeira metade do século XIX, como resultado de tentativas para melhorar a eficiência de máquinas a vapor (Calor->Trabalho)

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Termodinâmica ?

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• Permite saber se um processo é permitidoQualquer processo

• Permite saber se um processo irá acontecer espontaneamente– Fundamental para Física, Química e Biologia

• Permite calcular limites teóricos para rendimentos de processos – Fundamental para as engenharias

Termodinâmica

Calor e Trabalho

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Temperatura• Como definir qual objeto mais quente (ou mais frio)?

– Uma chama ? Uma estrela ? O espaço sideral ? – Definindo uma escala de temperatura!

• Quantas escalas de temperatura existem?– Em uso: tres

• Celsius• Fahrenheit• Kelvin

• Como definir uma escala de temperatura ?– Utilizando propriedades da materia que dependem da

temperatura (termoscópio)• Volume/pressão de uma gas confinado, resistencia

elétrica, comprimento de uma haste de metal, dilatacao de um liguido em um capilar, comprimento de onda de maior intensidade de um “corpo negro”.

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Equilíbrio térmico

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+

= ?

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Equilíbrio térmico• Dois corpos em contato térmico trocam calor,

fazendo variar suas propriedades até que entrem em equilíbrio térmico: suas propriedades assumem valores fixos e suas temperaturas são iguais (def.)

• Algumas definições úteis:– Paredes diatérmicas: não oferecem obstáculo à

equalização das temperaturas entre os corpos que separam

– Paredes adiabáticas: Impedem a equalização das temperaturas dos corpos que separam.

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Equilíbrio Térmico

• Se dois corpos A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.

• OBS: A calibração do termoscópio resulta em um termômetro.

Lei Zero da Termodiâmica:

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Escalas de Temperatura• Termômetro: Termoscópio calibrado

• Escala Celsius: à pressão atmosférica, a temperatura da mistura de água e gelo em equilíbrio é definida como 0oC (ponto de gelo) e a temperatura da mistura de água e vapor em equilíbrio é definida como 100oC (ponto de vapor).

• Escala Fahrenheit: à pressão atmosférica, a temperatura da mistura de água e gelo em equilíbrio é definida como 32oF (ponto de gelo) e a temperatura da mistura de água e vapor em equilíbrio é definida como 212oF (ponto de vapor).

• Equação de Conversão: » TF = (9/5)TC + 32

Escala ABSOLUTA!

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Escalas de Temperatura• Problema! Pureza da substancia afeta o ponto de fusão e

ebulição• Introdução do ponto tríplice da água como fenômeno de

referência – conjunto único de valores de P,V e T no qual água líquida gelo e vapor d'água coexistem – e o zero absoluto

T3=273,16K

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Termômetro de Gás a V cteTermômetro de referência

• Composto por um tubo cheio de gás conectado por um tubo a uma manômetro de mercúrio. Levantando ou abaixando o reservatório R, o nível de mercúrio sempre pode ser trazido para o zero da escala, assegurando que o volume do gás permaneça constante.

• Padrão antigo: Pontos de fusão e ebulição da água como referência

• Padrão atual: Ponto triplo da água•

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Termômetro de Gás a V cteDefina a pressão de um gas qualquer no termômetro

Meça a pressão no ponto triplo da água e utilize:

Método somente é independente da pressão quandoP->0

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Termômetro de Gás a V ctePorque extrapolar para p->0 ?

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Conceito: Para a maioria das substâncias, quando a temperatura aumenta ocorre um aumento em seu volume. Esse é o fenômeno da expansão (ou dilatação) térmica.

Aplicações: •Juntas de expansão térmica em edifícios, estradas, pontes, trilhos de trem•Termostatos baseados em lâminas bimetálicas:

•Materiais odontológicos para obturações (propriedades de expansão similares às do esmalte do dente)•Rebites e elementos de fixação de peças em aeronaves

Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos

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Origem: Aumento da separação média entre os átomos ou moléculas constituintes da substância com o aumento da temperatura (assimetria do potencial interatômico)

Expansão Linear: ΔL = Lf – Li = αLi ΔT α: coeficiente médio de expansão linear (oC -1)

Expansão Volumétrica: ΔV = Vf – Vi = βVi ΔT β: coeficiente médio de expansão volumétrica

Expansão Superficial: ΔA= Af – Ai = γΑi ΔT γ: coeficiente médio de expansão superficial

Relação entre os coeficientes: β = 3α γ = 2α