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Temperatura Temperatura Calor Calor
1º. Lei da 1º. Lei da Termodinâmica Termodinâmica
Temperatura Temperatura Calor Calor
1º. Lei da 1º. Lei da Termodinâmica Termodinâmica
Criostatos de He3
-272.85 C
TermodinâmicaTermodinâmica
Energia Térmica
Temperatura , Calor, Entropia ...
Máquinas Térmicas : Refrigeradores, ar-condicionados, ...
Física “Térmica”Física “Térmica”
NÚMERO DE PARTÍCULAS N>>1NÚMERO DE PARTÍCULAS N>>1
Termodinâmica :Termodinâmica :– Análise Macroscópica Análise Macroscópica – FenomenológicaFenomenológica
Física EstatísticaFísica Estatística– Análise MicroscópicaAnálise Microscópica– Princípios físicos + estatísticaPrincípios físicos + estatística
TemperaturaTemperatura
Sensação térmicaSensação térmica
Energia térmica :Energia térmica :Energia interna :Energia interna :cinética + potencialcinética + potencialátomos-moléculasátomos-moléculas
Equilíbrio TérmicoEquilíbrio Térmico Dois sistemas “grandes” em contato térmicoDois sistemas “grandes” em contato térmico
Muitas configurações = divisão da energia térmica Muitas configurações = divisão da energia térmica permitidas permitidas
MAS MAS UMA CONFIGURAÇÃO UMA CONFIGURAÇÃO MUITOMUITO MAIS PROVÁVEL MAIS PROVÁVEL
CONFIGURAÇÃO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO descreve CONFIGURAÇÃO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO descreve MUITO BEM as propriedades do sistemaMUITO BEM as propriedades do sistema
Parâmetro que se iguala na configuração de equilíbrio Parâmetro que se iguala na configuração de equilíbrio térmico:térmico:
TEMPERATUTEMPERATURARA
TemperaturaTemperatura
Temperatura fundamentalTemperatura fundamentalUnidade: energia Unidade: energia g=ng=noo. estados acessíveis. estados acessíveis
Temperatura absoluta – termodinâmica :Temperatura absoluta – termodinâmica :
Unidade: KelvinUnidade: KelvinK: constante de Boltzmann K: constante de Boltzmann Zero Absoluto Zero Absoluto
Escalas de temperatura : Celsius , FahrenheitEscalas de temperatura : Celsius , Fahrenheit
NU
g
)(ln1
KT
TemperaturaTemperatura
Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica
• 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
““Se dois sistemasSe dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles devem estar em equilíbrio térmico entre si.”terceiro, eles devem estar em equilíbrio térmico entre si.”
Medida da TemperaturaMedida da Temperatura
Propriedades físicas que dependem Propriedades físicas que dependem de T:de T:
Pressão de gasesPressão de gases
Volume de gases e líquidosVolume de gases e líquidos
Dimensões de sólidosDimensões de sólidos
Resistência elétricaResistência elétrica
......
Escalas de TemperaturaEscalas de Temperatura
Define um único conjunto de P, V e T
T3 atribuído por acordo internacional:
T3= 273,16 K
Célula de ponto triplo
Referência: PONTO TRIPLO DA ÁGUAReferência: PONTO TRIPLO DA ÁGUA
Escalas de TemperaturaEscalas de Temperatura
9
32
55
15,273
FCK TTT
Kelvin, Celsius, Fahrenheit
Celsius: T3=0,01oC - T=1K=1oC
Fahrenheit : T3=32,02oF - T=5K=9oF
Dilatação térmicaDilatação térmica Aumento de T → aumento da
separação média entre átomos do sólido
CTETL
L
Expansão linear:
Coeficiente de expansão linear:
Dilatação térmicaDilatação térmica
Furo aumenta ou diminui com T ?
= Ampliação fotográfica : Furo aumenta.
Dilatação térmicaDilatação térmica
3LV
Expansão volumétrica :
Coeficiente de expansão volumétrica: 3
TV
V
TL
L
L
LL
V
VT
33
33
2
Exemplo: CUBO
Dilatação térmicaDilatação térmica
Expansão térmicaExpansão térmica
Aplicação : termostato
contato elétrico
Expansão TérmicaExpansão Térmica
Coeficiente de dilatação anômalo da Coeficiente de dilatação anômalo da águaágua
V
mDensidade:
ExemploExemplo
cmL
TLL
16.1
81010113.1 6
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.
NF
d
L
LEF
L
LE
A
F
1700
2
101.1
3.1
1016.110200
2
2329
2
Calor e TemperaturaCalor e TemperaturaTc > Tambiente
energia
Corpo perde energia interna→ transferida para ambiente
Tc < Tambiente
energia
Corpo ganha energia interna→ cedida pelo ambiente
Tc = Tambiente Não hátransferência de energia
Calor e TemperaturaCalor e Temperatura
Energia transferida = CALOR = Q
Tc > Tambiente
energia
Corpo perde energia interna→ transferida para ambiente
Tc < Tambiente
energia
Corpo ganha energia interna→ cedida pelo ambiente
Absorção de CalorAbsorção de Calor
Capacidade de absorção depende do sistemaEm geral, resulta em aumento de T
T
QC
Capacidade
Calorifica
Tm
Qc
Calor
Específico
Só depende do material e das condiçõesp cte , V cte
Calor específicoCalor específico
UnidadesUnidades
CALOR = ENERGIACALOR = ENERGIA
[Q] = Joule[Q] = Joule
1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para
aumentar T de 1 g deaumentar T de 1 g de
água de 14,5 água de 14,5 →15,5ºC→15,5ºC
Calor específico Calor específico
[c] : J/(kg.K) : cal /(g.[c] : J/(kg.K) : cal /(g.ooC)C) Tm
Qc
Transformação de FASETransformação de FASE
Temperatura não varia durante mudança de estado
Requer energia : QRequer energia : Q
sólido líquido gasoso
FUSÃO VAPORIZAÇÃO
Q Q
Q Q
Transformação de FASETransformação de FASE
Calor Absorvido/Liberado na mudança de fase por unidade de massa
Calor de Transformação
Requer energia : Q Requer energia : Q
sólido líquido gasoso
FUSÃO VAPORIZAÇÃO
Q Q
Q Q
m
QL
Calor de TransformaçãoCalor de Transformação
ExemploExemploQual 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
Q1Q2
Calor e TrabalhoCalor e TrabalhoCALOR:
Energia transferida por contato térmicoQ : Calor recebido pelo sistema
TRABALHO: Energia transferida por variação dosparâmetros externos do sistemaW : trabalho realizado pelo sistema
ENERGIA INTERNA DO SISTEMA:Cinética+potencial dos graus de liberdade internos Eint : PROPORCIONAL A TEMPERATURA
Calor e TrabalhoCalor e Trabalho
Q : Calor recebido pelo sistemaW : trabalho realizado pelo sistemaEint: ENERGIA INTERNA DO SISTEMA:
CONSERVAÇÃO DE ENERGIAWQEi
1º. LEI DA TERMODINÂMICA
Calor e TrabalhoCalor e Trabalho
TRABALHO - FLUIDO
TrabalhoTrabalho
nRTPV Gás ideal
i → f
Qual caminho ?
Área curva no diagrama p-V
Processos AdiabáticosProcessos Adiabáticos
Sistema isolado OU Processo muito rápido
WEi
0Q
Expansão adiabática : W>0 : Ei<0 : Temperatura diminui
→ Não há transferência de calor
WQEi
Compressão adiabática : W<0 : Ei>0 : Temperatura aumenta
Processos isométricosProcessos isométricos
Volume CTE
iEQ
0W
Gás aborve calor : Q>0 : Ei>0 : Temperatura aumenta
WQEi
Gás libera calor : Q<0 : Ei<0 : Temperatura diminui
Processos CíclicosProcessos CíclicosEstados inicial e final = iguais
WQ
0 iE
Curvas fechadas
WQEi
T inicial e final = iguais
Eint inicial e final = iguais
Expansão LivreExpansão Livre
0WQ
0 iE
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
Expansão adiabática sem realização de trabalho
WQEi
Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica
ResumoResumo
ExemploExemploDeve-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 ?
WQEi
Transferência de calorTransferência de calor
ConduçãoCondução
Conveção Conveção
RadiaçãoRadiação
ConduçãoCondução
Energia térmica transferida átomo → átomo
ConduçãoCondução
k : condutividade térmica do material
R : resistência térmica à condução de calor :
Taxa de condução: Calor transferido por unidade de tempo:
Placa com faces de área A e espessura L mantidas em TH e Tc
ConduçãoCondução
Placa composta em estado estacionário : H1 = H2 = H
Resistências térmicas em série se somam
ConduçãoCondução
ConveçãoConveção
Brisa do mar
FLUIDOS : variação da temperatura → variação da densidade → movimento do fluido : Correntes de convecção
ConveçãoConveção
RadiaçãoRadiação
Calor absorvido/liberado por absorção/emissão de ondas eletromagnéticas
Única transferência de calor no vácuo
SOL Terra
RadiaçãoRadiação
Taxa de radiação de térmica : Potência térmica
4TAP
Lei de Stefan-Boltzmann
= 5,6703x10-8 W/m-2K-4 : Cte de Stefan-Boltzmann : emissividade : 0→1 (1 = corpo negro)T : PRECISA estar em K
RadiaçãoRadiação
Potência térmica irradiada Potência térmica absorvida
Taxa líquida de troca de energia de um corpo em T num ambiente em Tamb
Emissão vs Absorção
4TAPrad 4ambabs TAP
)( 44 TTAPPP ambradabsliq