Física Geral e Experimental -3 Termodinâmica

Prof. Ettore Baldini-Neto baldini@uninove.br

Ementa do Curso

• Introdução

• Temperatura: Equilíbrio Térmico, Termômetros, Escalas Termométricas

• Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos

• Calor: Trocas de calor, calor específico, calor de transformação

• Mecanismos de Transferência de calor: Condução, Radiação e Convecção

• Introdução à Teoria Cinética dos Gases: Gases ideais

• Calor e Trabalho: Processos Termodinâmicos, Diagramas Pressão-Volume

• Primeira Lei da Termodinâmica

• Segunda Lei da Termodinâmica

• Ciclo de Carnot, Máquinas Térmicas

Avaliações

• 3 avaliações:

• AV1: Professor

• AV2: Integrada

• AV3: Projeto Integrador

• Prova Substitutiva: Somente terá direito à substitutiva o aluno que apresentar algum problema de saúde documentado via atestado de saúde protocolado na secretaria nas datas que incluam as avaliações regulares.

• O Projeto Integrador é fundamental para a boa formação de um engenheiro!

• O curso é presencial! O aluno que exceder 20 faltas será reprovado!

Bibliografia

• Física para Cientistas e Engenheiros, Paul Tipler e Gene Mosca, 5a ed. vol 1.

• Fundamentos da Física, D. Halliday, R. Resnick e J. Walker, 8a ed., vol 2.

• Física II, Sears & Zemanski, 12a ed.

• Os slides das aulas serão disponibilizados aos alunos em formato .pdf

• Haverá uma lista de exercícios que será disponibilizada na Central do Aluno. Trabalharemos sobre esta lista e muitos exercícios serão resolvidos em sala de aula.

• O aluno é fortemente incentivado a trabalhar sozinho ou em grupo fora da sala de aula na resolução de problemas.

• A procura pela monitoria (Sábados) é fortemente incentivada!

• Conexão Saber!

Introdução Bibliografia e figuras desta aula. Fundamentos da Física, D. Halliday, R. Resnick e J. Walker, vol 2, págs 182-187.

• A termodinâmica consiste no estudo das leis físicas que descrevem as relações entre calor, trabalho e outras formas de energia.

• Um dos conceitos fundamentais em Termodinâmica é o de TEMPERATURA

• Desde muito cedo desenvolvemos um conhecimento intuitivo acerca da Temperatura: Somos cuidadosos ao tirar um prato quente do forno; armazenamos alimentos perecíveis em lugares frios, etc.

• Aplicações da Termodinâmica

• Engenharia Mecânica: Motores: rendimento, aquecimento

• Geologia: Transferência da energia térmica em correntes de ar e a relação disto com o aquecimento global

• Engenharia Civil: Projeto de ambientes termicamente confortáveis

• E tantas outras.......

Temperatura

• A Temperatura é uma das grandezas fundamentais do Sistema Internacional de Unidades e sua unidade de medida é o Kelvin (K).

• A grosso modo, do ponto de vista atômico/molecular a temperatura está relacionada à energia de vibração dos átomos/moléculas. Quanto maior esta energia, maior a temperatura de um sistema físico.

• Não existe, até onde sabemos uma temperatura limite superior para um corpo.

• No entanto, existe um limite inferior para a temperatura de um sistema físico. Neste limite, a temperatura é 0 K, e ele é conhecido como zero absoluto de temperatura.

Algumas temperaturas importantes...

Se o Sol não existisse em nosso sistema solar não haveria vida na Terra. !A temperatura em regiões afastadas de estrelas como o Sol é da ordem de 3K.

Equilíbrio Térmico A lei zero da Termodinâmica

• Variações de temperatura alteram as propriedades físicas de sistemas físicos

• O volume de um líquido aumenta com o aumento da temperatura.

• Uma barra de metal sofre dilatação com aumento da temperatura.

• A resistência elétrica de um fio também aumenta com o aumento da temperatura

• A pressão exercida por um gás sobre um recipiente também aumenta com o aumento da temperatura

• Qualquer uma destas propriedades pode nos ajudar a construir um instrumento que nos ajude a entender o conceito de Temperatura.

Este instrumento não está calibrado e possui as seguintes propriedades:

• Quando aquecido, os números em seu mostrador aumentam.

• Quando resfriado, os números em seu mostrador diminuem.

• Note que não há unidades físicas relacionadas aos números mostrados.

• Este instrumento é um Termoscópio, mas não ainda um Termômetro

Equilíbrio Térmico

A lei zero da termodinâmica

Se dois sistemas físicos (A e B) estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema físico, o termoscópio T, então verifica-se experimentalmente que A e B estão em equilíbrio térmico entre si.

A lei zero diz que todo corpo tem uma propriedade física chamada Temperatura.

Medindo Temperatura

• A partir de agora nosso termoscópio pode ser calibrado e como consequência passa a ser um termômetro.

• Para calibrá-lo:

• Escolhemos um ponto fixo padrão e atribuímos a este ponto fixo padrão, uma temperatura de ponto fixo.

• Ponto tripo da água:

Com esta atribuição de temperatura para o ponto triplo, vemos que o Kelvin é definido como sendo 1/273,16 da diferença entre o zero absoluto e a temperatura do ponto tripo da água. !Cuidado: Não existe a terminologia graus Kelvin. Dizemos somente Kelvin para descrever uma temperatura medida no SI. Exemplo: 15 K deve ser lido como 15 Kelvins.

T3 = 273, 16K

Termômetro de um gás a volume constante

É um termômetro padrão que é usado para calibração de outros tipos de termômetros.

Levantando ou baixando o reservatório R, é sempre possível fazer com que o nível de Hg do lado esquerdo do tubo em U permaneça no zero da escala a fim de manter o volume do gás constante

Pode-se mostrar que a temperatura do líquido em contato com o Bulbo varia linearmente com a pressão p do gás, ou seja: T = C.p, onde C é uma constante. Se o bulbo é introduzido em uma célula de ponto triplo, temos então T3 = C.p3. Eliminando a constante, nas duas equações ficamos com:

T = T3

✓p

p3

◆= 273, 16

✓p

p3

◆

Medindo a temperatura de ebulição da água com este termômetro utilizando gases diferentes, verifica-se que os resultados para esta temperatura são distintos. Então, deve-se utilizar pequenas quantidades destes gases. Matematicamente, isto significa que a equação anterior deve ser alterada para:

T = 273, 16

✓limgas!0

p

p3

◆

Para medir uma Temperatura desconhecida com este termômetro. !1) Preencha o bulbo com uma quantidade qualquer de qualquer gás. 2) Meça a pressão p3 (utilizando uma célula de ponto triplo) e p (pressão do gás na temperatura que está sendo medida). 3) Calcule a razão p/p3. 4) Repita as medidas diminuindo sempre a quantidade de gás e calcule novamente p/p3 até que a quantidade de gás seja pequena o suficiente para a utilização da equação anterior. 5) Uma figura como abaixo deve ser obtida.

A escala Celsius tem o mesmo “tamanho” da escala Kelvin com seu zero sendo escolhido como o ponto de fusão do gelo. Já a escala Fahrenheit é utilizada principalmente nos EUA e emprega uma subdivisão menor do que a escala Celsius, conforme mostra a figura acima. !Em ambas a notação para uma medição de temperatura é a seguinte: graus Celsius (oC ) e graus Fahrenheit (oF).

TK TC TF

Escalas Termométricas

As relações de conversão entre as diferentes escalas de temperatura podem ser deduzidas, levando-se em conta o fato destas escalas serem lineares, ou seja, a temperatura varia linearmente com alguma propriedade física. Utilizando a figura anterior temos:

TK � 0

273, 16� 0=

TC � (�273, 15)

0, 01� (�273, 15)=

TF � (�459, 67)

32, 02� (�459, 67)

TK

273, 16=

TC + 273, 15

273, 16=

TF + 459, 67

491, 69

TK TC TF

Kelvin-Celsius

Fahrenheit-Celsius

TK = TC + 273, 15

TF =9

5TC + 32

Exemplo-1: Utilizando como referência os pontos de congelamento e ebulição da água da tabela abaixo encontre as relações matemáticas entre as escalas Celsius e Fahrenheit.

Exemplo 2: Você encontrou algumas anotações científicas antigas que descrevem uma escala de temperatura, chamada de escala Z, na qual o ponto de ebulição da água é de 65oZ e o ponto de gelo é de -14oZ. A qual temperatura na escala Fahrenheit corresponde T=-98oZ? Assuma que a escala Z é linear.