Física 3 Termodinâmica

7/24/2019 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



18.2 Temperatura



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.



18.4 Medindo a Temperatura



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,



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.



18.5 As Escalas Celsius e Fahrenheit



Exemplo: Conversão de uma Escala de Temperatura para Outra



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.



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.



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



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.



Exemplo: Dilatação Volumétrica de um Líquido

18 7 T C l



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



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



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



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



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



Exemplo: Equilíbrio Térmico Entre Cobre e Água

E l M d d T t d F



Exemplo: Mudança de Temperatura e de Fase

E l M d d T t d F ( ti ã )



Exemplo: Mudança de Temperatura e de Fase (continuação)

18 9 Calor e Trabalho



18.9 Calor e Trabalho

18 10 A Primeira Lei da Termodinâmica



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



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



18.11 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica

Exemplo: Primeira Lei da Termodinâmica



Exemplo: Primeira Lei da Termodinâmica

Exemplo: Primeira Lei da



Exemplo: Primeira Lei daTermodinâmica(continuação)

18 12 Mecanismos de Transferência de Calor: Condução



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









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



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



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



Exemplo: Condução de Calor em uma Parede

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