Volume I FÍSICA TÉRMICA - wiki.sj.ifsc.edu.· As unidades de medição primitivas estavam baseadas

  • View
    214

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Volume I FÍSICA TÉRMICA - wiki.sj.ifsc.edu.· As unidades de medição primitivas estavam baseadas

  • CURSO TCNICO DE REFRIGERAO E CONDICIONAMENTO DE AR

    TERMODINMICA (TMD)

    Volume I FSICA TRMICA

    Prof. Carlos Boabaid Neto, M. Eng. Mec.

  • TERMODINMICA Volume I - Prof. Carlos Boabaid Neto IF-SC Campus So Jos

    1

    SUMRIO

    1 Conceitos Fundamentais ............................................................................................................ 02 1.1 Grandezas Fsicas ........................................................................................................... 02 1.2 Temperatura .................................................................................................................... 05 1.3 Presso ............................................................................................................................ 07 1.4 Massa especfica ............................................................................................................. 11 1.5 Volume especfico .......................................................................................................... 12

    2 Fsica Trmica ............................................................................................................................ 13 2.1 Conceitos de energia, trabalho, calor .............................................................................. 13 2.2 Modelo cintico-molecular da matria ........................................................................... 16 2.3 Dilatao ......................................................................................................................... 17 2.4 Mudana de estado de agregao da matria .................................................................. 19 2.5 Calorimetria .................................................................................................................... 23

    Exerccios ......................................................................................................................................... 28 ANEXOS

    Histrico do refrigerador .......................................................................................................... 34 Tabelas ...................................................................................................................................... 39

  • TERMODINMICA Volume I - Prof. Carlos Boabaid Neto IF-SC Campus So Jos

    2

    CAP. 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS

    1.1 - Grandezas Fsicas e sua medio Grandeza fsica um ente que pode variar quantitativamente. Pode ser do tipo escalar,

    caracterizada por um nmero real, acompanhado de uma unidade de medida (por exemplo, massa = 80 kg) ou vetorial, caracterizada por um nmero real denominado mdulo ou intensidade, acompanhado de uma unidade de medida, uma direo e um sentido (um carro se movimentando entre as cidades A e B sobre uma estrada retilnea com velocidade de 80 km/h: seu mdulo 80, a direo horizontal e seu sentido da cidade A para cidade B).

    As unidades de medio primitivas estavam baseadas em partes do corpo humano, pois ficava

    fcil chegar-se a uma medida que podia ser verificada por qualquer pessoa. Foi assim que surgiram medidas padro como a polegada, o palmo, o p, a jarda, a braa e o passo. Em geral, essas unidades eram baseadas nas medidas do corpo do soberano, e tais padres deveriam ser respeitados por todas as pessoas que fizessem as medies. H cerca de 4.000 anos, os egpcios usavam, como padro de medida de comprimento, o cbito: a distncia do cotovelo ponta do dedo mdio.

    Entretanto, como as pessoas tm tamanhos diferentes, o cbito variava de uma pessoa para

    outra, ocasionando confuses nos resultados nas medidas. Para serem teis, era necessrio que os padres fossem iguais para todos. Diante desse problema, os egpcios resolveram criar um padro nico: em lugar do prprio corpo, eles passaram a usar, em suas medies, barras de pedra com o mesmo comprimento. Foi assim que surgiu o cbito-padro. Com o tempo, as barras passaram a ser construdas de madeira, para facilitar o transporte. Como a madeira logo se gastava, foram gravados comprimentos equivalentes a um cbito-padro nas paredes dos principais templos. Desse modo, cada um podia conferir periodicamente sua barra ou mesmo fazer outras, quando necessrio.

    Posteriormente, para evitar o problema do desgaste do padro com o tempo, surgiu a idia de

    se estabelecer uma unidade natural, isto , que pudesse ser encontrada na natureza e, assim, ser facilmente copiada, constituindo um padro de medida. Um sistema com essas caractersticas foi apresentado na Frana, e estabelecia que a nova unidade deveria ser igual dcima milionsima parte de um quarto do meridiano terrestre. Essa nova unidade passou a ser chamada metro (o termo grego metron significa medir).

    Da mesma forma que na medio de comprimento, foi necessrio desenvolver padres para

    todas as grandezas importantes. Numa tentativa de reduzir a complexidade de se ter inmeras unidades diferentes, as naes do mundo estabeleceram uma conveno que criou um sistema nico de unidades, que deveriam ser utilizadas por todos. Este conjunto de unidades padro recebeu o nome de Sistema Internacional de Unidades (SI).

    O Sistema SI define as unidades utilizadas legalmente no Brasil. Este sistema contm unidades de base, que so as grandezas fsicas independentes, para as quais foi estabelecido um valor unitrio atravs de um padro. Dentre elas as mais importantes so: comprimento (metro), massa (quilograma), tempo (segundo) e temperatura (Kelvin).

    O SI contempla ainda unidades derivadas, que so as unidades formadas pela combinao das unidades de base segundo relaes algbricas que correlacionam as correspondentes grandezas. Estas relaes so normalmente a prpria definio da grandeza. Por exemplo, a rea de uma

  • TERMODINMICA Volume I - Prof. Carlos Boabaid Neto IF-SC Campus So Jos

    3

    superfcie definida pelo produto de duas dimenses lineares. Ento, A = [m] . [m] = [m], isto , por definio a unidade SI para rea o [m]. Outros exemplos de derivao de unidades: (a) fora: a fora definida como o produto da massa pela acelerao da gravidade, ou seja:

    F = m.a ]N[]s[

    ]m].[kg[]s/m].[kg[

    22 ==

    (b) presso: a presso definida como a fora sendo aplicada sobre uma rea, ou seja:

    A

    Fp = Pa

    ]s].[m[

    ]kg[

    ]m[

    1.

    ]s[

    ]m].[kg[

    ]m[

    ]s/m.kg[

    ]m[

    ]N[2222

    2

    2====

    As unidades derivadas mais importantes nas cincias trmicas so dadas nas tabelas a seguir:

    Tabela 1.1 Unidades derivadas do SI

    Grandeza Nome Smbolo Definio

    rea metro quadrado m volume metro cbico m velocidade metro por segundo m/s massa especfica quilograma por metro cbico kg/m volume especfico metro cbico por quilograma m/kg fora newton N kg.m/s presso pascal Pa N/m energia, trabalho joule J N.m potncia, fluxo energtico watt W J/s energia especfica, entalpia joule por quilograma J/kg J/kg

    Muitas vezes as grandezas de interesse podem aparecer em tabelas, grficos, livros ou

    catlogos, em unidades diferentes das SI. Um caso muito comum o do Sistema Tcnico Ingls, ainda bastante utilizado, principalmente nos EUA. Outro caso o de unidades tradicionais das diversas reas tcnicas, e cujo uso continua nos dias de hoje. Um exemplo a unidade tonelada de refrigerao (TR) para o clculo de potncia frigorfica em equipamentos de refrigerao e condicionamento de ar.

    Nesses casos, necessrio aplicar um fator de converso para transformar a grandeza em um valor compatvel com as unidades SI. Por exemplo: 1 pol = 25,4 mm. Significa que o comprimento de uma polegada equivalente a 25,4 mm. Dessa maneira, se quisermos obter o valor de um comprimento de "n" polegadas em milmetros, devemos fazer o produto "n" vezes 25,4 mm. Isto nada mais que a aplicao da seguinte regra de trs:

    1,0 [pol] 25,4 [mm] 01

    n425x

    ,

    , =

    n [pol] x [mm]

  • TERMODINMICA Volume I - Prof. Carlos Boabaid Neto IF-SC Campus So Jos

    4

    A Tabela 1.2 apresenta diversos fatores de converso teis.

    Tabela 1.2 - Fatores de converso

    1 pol = 25,4 mm = 2,54 cm 1 lbm = 0,4536 kg

    1 pe = 12 pol = 0,3048 m 1 kW = 3412 Btu/h

    1 yd (jarda) = 0,9144 m = 3 pe 1 kcal/h = 1,163 W = 3,97 Btu/h

    1 cm = 1 ml 1 TR = 12000 Btu/h = 3,517 kW

    1 m = 1000 litros 1 HP (Ingls) = 0,7457 kW

    1 ton = 1000 kg 1 CV (SI) = 0,7355 kW

    Mltiplos e Sub-mltiplos das unidades SI Quando o valor da grandeza muito pequeno ou muito grande, comum express-lo em mltiplos e submltiplos da unidade da grandeza. O nome da sub-unidade feito combinando-se o prefixo com a unidade. Por exemplo: 1000 gramas = 1 . 103 gramas = 1 quilo grama = 1 kg 0,001 metros = 1 . 10-3 metros = 1 mili metro = 1 mm Na Tabela 1.3, so apresentados os mltiplos e sub-mltiplos decimais, e exemplos de seu uso.

    Tabela 1.3 Mltiplos e sub-mltiplos do S.I.

    Unidades mltiplas e sub-mltiplas Exemplo de uso Prefixo Abreviatura Significncia Exemplo nome

    atto a 0,000 000 000 000 000 001 = 10-18 aJ = 10-18 J atojoule femto f 0,000 000 000 000 001 = 10-15 fm = 10-15 m femtometro pico p 0,000 000 000 001 = 10-12 pF = 10-12 F picofarad nano n 0,000 000 001 = 10-9 nA = 10-9 A nanoampere micro 0,000 001 = 10-6 W = 10-6 W microwatt mili m 0,001 = 10-3 mg = 10-3 g miligrama centi c 0,01 = 10-2 cm = 10-2 m centimetro deci d 0,1 = 10-1 dl = 10-1 l decilitro deca da 10 = 101 dam = 101 m decametro hecto h 100 = 102 hl = 102 l hectolitro kilo k 1 000 = 103 kN = 103 N kilonewton mega M 1 000 000 = 106 M = 106 megaohm giga G 1 000 000 000 = 109 GJ = 109 J gigajoule tera T 1 000 000 000 000 = 1012 TW = 1012 W terawatt pepta P 1 000 000 000 000 000 = 1015 Pm = 1015 m peptametro exa E 1 000 000 000 000 0