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