Transcript Aula-10-1a
Temperatura Calor 1º. Lei da Termodinâmica Criostatos de He3 -272.85 C Termodinâmica Energia Térmica Temperatura , Calor, Entropia ... Máquinas Térmicas : Refrigeradores, ar-condicionados, ... Física “Térmica” NÚMERO DE PARTÍCULAS N>>1 Termodinâmica : – Análise Macroscópica – Fenomenológica Física Estatística – Análise Microscópica – Princípios físicos + estatística Temperatura Sensação térmica Energia térmica : Energia interna : cinética + potencial átomos-moléculas Equilíbrio Térmico Dois sistemas “grandes” em contato térmico Muitas configurações = divisão da energia térmica permitidas MAS UMA CONFIGURAÇÃO MUITO MAIS PROVÁVEL CONFIGURAÇÃO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO descreve MUITO BEM as propriedades do sistema Parâmetro que se iguala na configuração de equilíbrio térmico: TEMPERATURA Temperatura Temperatura fundamental Unidade: energia g=no. estados acessíveis Temperatura absoluta – termodinâmica : (ln g ) U N 1 KT Unidade: Kelvin K: constante de Boltzmann Zero Absoluto Escalas de temperatura : Celsius , Fahrenheit Temperatura Lei Zero da Termodinâmica “Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles devem estar em equilíbrio térmico entre si.” • 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 Medida da Temperatura Propriedades físicas que dependem de T: Pressão de gases Volume de gases e líquidos Dimensões de sólidos Resistência elétrica ... Escalas de Temperatura Referência: PONTO TRIPLO DA ÁGUA Define um único conjunto de P, V e T T3 atribuído por acordo internacional: T3= 273,16 K Célula de ponto triplo Escalas de Temperatura Kelvin, Celsius, Fahrenheit Celsius: T3=0,01oC - DT=1K=1oC Fahrenheit : T3=32,02oF - DT=5K=9oF TK 273,15 TC TF 32 5 5 9 Dilatação térmica Aumento de T → aumento da separação média entre átomos do sólido Expansão linear: Coeficiente de expansão linear: DL L CTE DT Dilatação térmica Furo aumenta ou diminui com T ? = Ampliação fotográfica : Furo aumenta. Dilatação térmica Expansão volumétrica : Coeficiente de expansão volumétrica: DV V 3 DT Exemplo: CUBO DV 3L2 DL DL DT 3 3 DT 3 V L L V L3 Dilatação térmica Expansão térmica Aplicação : termostato contato elétrico Expansão Térmica Coeficiente de dilatação anômalo da água Densidade: m V Exemplo 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. DL L DT 1.3 11106 810 DL 1.16 cm F DL E A L 2 1.1103 DL d 9 1.16 10 FE 20010 L 2 1.3 2 2 F 1700N 2 Calor e Temperatura Tc > Tambiente energia Corpo perde energia interna → transferida para ambiente Tc < Tambiente energia Corpo ganha energia interna → cedida pelo ambiente Tc = Tambiente Não há transferência de energia Calor e Temperatura Tc > Tambiente energia Corpo perde energia interna → transferida para ambiente Tc < Tambiente energia Corpo ganha energia interna → cedida pelo ambiente Energia transferida = CALOR = Q Absorção de Calor Capacidade de absorção depende do sistema Em geral, resulta em aumento de T Q C DT Capacidade Calorifica Calor Específico Q c mDT Só depende do material e das condições p cte , V cte Calor específico Unidades CALOR = ENERGIA [Q] = Joule 1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para aumentar T de 1 g de água de 14,5 →15,5ºC Calor específico [c] : J/(kg.K) : cal /(g.oC) c Q mDT Transformação de FASE Requer energia : Q Q Q FUSÃO sólido VAPORIZAÇÃO líquido Q gasoso Q Temperatura não varia durante mudança de estado Transformação de FASE Requer energia : Q Q Q FUSÃO sólido VAPORIZAÇÃO líquido Q Calor Absorvido/Liberado na mudança de fase por unidade de massa Calor de Transformação gasoso Q Q L m Calor de Transformação Exemplo Qual 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 Q1 Q2 Calor e Trabalho CALOR: Energia transferida por contato térmico Q : Calor recebido pelo sistema TRABALHO: Energia transferida por variação dos parâmetros externos do sistema W : trabalho realizado pelo sistema ENERGIA INTERNA DO SISTEMA: Cinética+potencial dos graus de liberdade internos Eint : PROPORCIONAL A TEMPERATURA Calor e Trabalho Q : Calor recebido pelo sistema W : trabalho realizado pelo sistema Eint: ENERGIA INTERNA DO SISTEMA: CONSERVAÇÃO DE ENERGIA DEi Q W 1º. LEI DA TERMODINÂMICA Calor e Trabalho TRABALHO - FLUIDO Trabalho Gás ideal PV nRT Área curva no diagrama p-V i→f Qual caminho ? Processos Adiabáticos Sistema isolado OU Processo muito rápido → Não há transferência de calor Q0 DEi Q W DEi W Expansão adiabática : W>0 : DEi<0 : Temperatura diminui Compressão adiabática : W<0 : DEi>0 : Temperatura aumenta Processos isométricos Volume CTE W 0 DEi Q W Q DEi Gás aborve calor : Q>0 : DEi>0 : Temperatura aumenta Gás libera calor : Q<0 : DEi<0 : Temperatura diminui Processos Cíclicos Estados inicial e final = iguais Eint inicial e final = iguais T inicial e final = iguais DEi 0 DEi Q W Q W Curvas fechadas Expansão Livre Expansão adiabática sem realização de trabalho Q W 0 DEi Q W DEi 0 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 Primeira Lei da Termodinâmica Resumo Exemplo Deve-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 ? DEi Q W Transferência de calor Condução Conveção Radiação Condução Energia térmica transferida átomo → átomo Condução Placa com faces de área A e espessura L mantidas em TH e Tc Taxa de condução: Calor transferido por unidade de tempo: k : condutividade térmica do material R : resistência térmica à condução de calor : Condução Condução Placa composta em estado estacionário : H1 = H2 = H Resistências térmicas em série se somam Conveção Brisa do mar Conveção FLUIDOS : variação da temperatura → variação da densidade → movimento do fluido : Correntes de convecção Radiação Calor absorvido/liberado por absorção/emissão de ondas eletromagnéticas Única transferência de calor no vácuo SOL Terra Radiação Taxa de radiação de térmica : Potência térmica P AT 4 Lei de StefanBoltzmann = 5,6703x10-8 W/m-2K-4 : Cte de Stefan-Boltzmann : emissividade : 0→1 (1 = corpo negro) T : PRECISA estar em K Radiação Emissão vs Absorção Potência térmica irradiada Prad AT 4 Potência térmica absorvida Pabs AT 4 amb Taxa líquida de troca de energia de um corpo em T num ambiente em Tamb Pliq Pabs Prad A( T 4 amb T ) 4