física 3 termodinâmica
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Halliday
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Fundamentos de Física
Volume 2
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Capítulo 18
Temperatura, Calor e a
Primeira Lei da Termodinâmica
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18.2 Temperatura
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18.3 A Lei Zero da Termodinâmica
Se dois corpos A e B estão em equilíbrio
térmico com um terceiro corpo T, então
A e B estão em equilíbrio térmico entre
si.
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18.4 Medindo a Temperatura
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18.4 Medindo a Temperatura: O Termômetro de Gás a Volume Constante
O termômetro de gás a volume constante é constituído
por um bulbo cheio de gás ligado por um tubo a um
manômetro de mercúrio.
Levantando ou baixando o reservatório R, é possívelfazer com que o nível de mercúrio no lado esquerdo do
tubo em forma de U fique no zero da escala para manter
o volume do gás constante.
A temperatura de qualquer corpo em contato térmico
com o bulbo é
onde p3 é a pressão exercida pelo gás e C é uma
constante.
Se a pressão atmosférica é po, para qualquer pressão p,
Assim,
Finalmente, para quantidades muito pequenas de gás,
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18.5 As Escalas Celsius e Fahrenheit
Tanto na escala Celsius como na escala
Fahrenheit, as temperaturas são medidas
em graus. O grau Celsius é numericamente
igual ao kelvin e maior que o grau
Fahrenheit. Na verdade, a única diferençaentre a escala Celsius e a escala kelvin é
que o zero da escala Celsius está em um
valor mais conveniente para uso cotidiano.
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18.5 As Escalas Celsius e Fahrenheit
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Exemplo: Conversão de uma Escala de Temperatura para Outra
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18.6 Dilatação Térmica
Quando um material é aquecido, em geral sofre uma dilatação térmica. Com a energia adicional, os
átomos se afastam uns dos outros, atingindo um novo ponto de equilíbrio com as forças elásticas
interatômicas que mantêm os átomos unidos em um sólido.
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18.6 Dilatação Térmica: Dilatação Linear
Se a temperatura de uma barra metálica de comprimento L aumenta de T , o
comprimento L aumenta de
onde α é uma constante chamada coeficiente de dilatação linear.
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Se todas as dimensões de um sólido aumentam
com a temperatura, é evidente que o volume do
sólido também aumenta. No caso dos líquidos,a dilatação volumétrica é a única que faz
sentido.
Se a temperatura de um sólido ou de um líquido
cujo volume é V aumenta de ∆T , o aumento de
volume correspondente é
onde β é chamado de coeficiente de dilataçãovolumétrica do sólido ou líquido. Os
coeficientes de dilatação volumétrica e de
dilatação linear de um sólido estão relacionados
através da equação
18.6 Dilatação Térmica: Dilatação Volumétrica
Á
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18.6 Dilatação Térmica: Dilatação Anômala da Água
O líquido mais comum, a água, não
se comporta como os outros
líquidos. Acima de 4 °C, a água se
dilata quando a temperatura
aumenta, como era de se esperar.
Entre 0 e 4° C, porém, a água secontrai quando a temperatura
aumenta. Assim, a 4° C, a massa
específica da água passa por um
máximo.
Portanto, a água da superfície de
um lago congela, enquanto a água
mais abaixo permanece líquida.
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Exemplo: Dilatação Volumétrica de um Líquido
18 7 T C l
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18.7 Temperatura e Calor
Calor é a energia trocada
entre um sistema e o
ambiente devido a uma diferença de temperatura.
18 7 T C l U id d
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A caloria cal) é definida como a quantidade de
calor necessária para aumentar a temperatura de
1 g de água de 14,5° C para 15,5 °C.
No sistema inglês, a unidade de calor é a British
thermal unit Btu), definida como a quantidade decalor necessária para aumentar a temperatura de
1 libra de água de 63 °F para 64 °F.
A unidade de calor do SI é o joule J).
1 cal = 3,968 x 10-3 Btu = 4,1868 J.
18.7 Temperatura e Calor: Unidades
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18.8 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos
A capacidade térmica
C
de um objeto é a constante deproporcionalidade entre o calor Q recebido ou cedido
pelo objeto e a variação de temperatura ∆T do objeto,
ou seja,
sendo queT i e T f são as temperaturas inicial e final do
objeto.
A unidade de capacidade térmica do SI é o joule por
kelvin (J/K).
18 8 A Ab ã d C l Sólid
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O calor específico c é definido
como a "capacidade térmica por
unidade de massa” e se refere, nãoa um objeto, mas a uma massa
unitária do material de que é feito o
objeto. Em termos do calor
específico, podemos escrever:
A unidade de calor específico do SI
é o joule por quilograma-kelvin
(J/kg.K).
Quando a quantidade de uma
substância é expressa em mols, o
calor específico é expresso na
forma de uma quantidade de calor
por mol e recebe o nome de calor
específico molar.
18.8 A Absorção de Calor por Sólidos eLíquidos: Calor Específico
18 8 Ab ã d C l Sólid Lí id
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18.8 Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos:Calor de Transformação
A quantidade de energia por unidade de massa que deve ser transferida na forma de calor para que uma
amostra mude totalmente de fase é chamada de calor de transformação e representada pela letra L.
Quando uma amostra de massa m sofre uma transformação de fase completa, a energia transferida é
dada pela equação
Quando a mudança é da fase líquida para a
fase gasosa, o calor de transformação é
chamado de calor de vaporização erepresentado pelo símbolo LV .
Quando a mudança é da fase sólida para a fase
líquida, o calor de transformação é chamado
de calor de fusão e representado pelo símbolo L F.
E l E ilíb i Té i E t C b Á
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Exemplo: Equilíbrio Térmico Entre Cobre e Água
E l M d d T t d F
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Exemplo: Mudança de Temperatura e de Fase
E l M d d T t d F ( ti ã )
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Exemplo: Mudança de Temperatura e de Fase (continuação)
18 9 Calor e Trabalho
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18.9 Calor e Trabalho
18 10 A Primeira Lei da Termodinâmica
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18.10 A Primeira Lei da Termodinâmica
A grandeza (Q – W ) depende apenas dos estados inicial e final do sistema, ou seja, não depende da forma como o
sistema passou de um estado para o outro.
Todas as outras combinações de Q e W , como apenas Q ,
apenas W , (Q + W ) e (Q + 2W ), dependem da trajetória.
18 11 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
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18.11 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
1. Processos adiabáticos. Processo adiabático é aquele que acontece tão depressa
ou em um sistema tão bem isolado que não há trocas de calor entre o sistema e o
ambiente. Fazendo Q = 0 na primeira lei, obtemos
2. Processos a volume constante. Se o volume de um sistema (um gás, por
exemplo) é mantido constante, o sistema não pode realizar trabalho. Fazendo W
= 0 na primeira lei, obtemos
3. Processos cíclicos. Existem processos nos quais, após certas trocas de calor e de
trabalho, o sistema volta ao estado inicial. Nesse caso, nenhuma propriedade
intrínseca do sistema (incluindo a energia interna) pode variar. Fazendo ∆Eint = 0
na primeira lei, obtemos
4. Expansões livres. São processos nos quais não há troca de calor com o ambiente
e nenhum trabalho é realizado. Assim, Q = W = 0 e, de acordo com a primeira lei,
18 11 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
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18.11 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
Exemplo: Primeira Lei da Termodinâmica
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Exemplo: Primeira Lei da Termodinâmica
Exemplo: Primeira Lei da
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Exemplo: Primeira Lei daTermodinâmica(continuação)
18 12 Mecanismos de Transferência de Calor: Condução
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Considere uma placa de área A e
espessura L cujas faces são mantidas a
temperaturas T Q e T F por uma fonte
quente e uma fonte fria. Seja Q a energiatransferida na forma de calor através da
placa em um intervalo de tempo t . Nesse
caso, a taxa de condução P cond (energia
transferida por unidade de tempo) é
dada por
onde k , a condutividade térmica, é uma
constante que depende do material de
que é feita a placa.
A resistência térmica R (ou valor de R )
de uma placa de espessura L é definida
através da equação
18.12 Mecanismos de Transferência de Calor: Condução
18 12 Mecanismos de Transferência de Calor: Condução
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18.12 Mecanismos de Transferência de Calor: Condução
18 12 Mecanismos de Transferência de Calor: Condução
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18.12 Mecanismos de Transferência de Calor: Condução
Se T X é a temperatura da interface entre
dois materiais, temos
No caso de n materiais,
18 12: Mecanismos de Transferência de Calor: Convecção
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18.12: Mecanismos de Transferência de Calor: Convecção
Na convecção, a transferência de energia acontece
quando um fluido, como o ar ou a água, entra em
contato com um objeto cuja temperatura é maior quea do fluido.
A temperatura da parte do fluido que está em
contato com o objeto quente aumenta e (na maioria
dos casos) essa parte do fluido se expande, ficandomenos densa.
Como o fluido expandido é mais leve que o fluido que
o cerca, que está mais frio, a força de empuxo o faz
subir.
O fluido mais frio escoa para tomar o lugar do fluido
mais quente que sobe; o processo pode continuar
indefinidamente.
18.12 Mecanismos de Transferência de Calor: Radiação
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18.12 Mecanismos de Transferência de Calor: Radiação
Na radiação, um objeto e o ambiente trocam energia através de ondas eletromagnéticas.
A taxa P rad com a qual um objeto emite energia através da radiação eletromagnética
depende da área A da superfície do objeto e da temperatura T dessa área em K e é dada
por
onde = 5,6704 x 10-8 W/m2 K4 é a chamadaconstante de
Stefan– oltzmann
e é a
emissividade.
A taxa líquida P líq de troca de energia com o ambiente por radiação térmica é dada por:
Exemplo: Condução de Calor em uma Parede
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Exemplo: Condução de Calor em uma Parede