Física 02 - Temperatura, calor e a 1a lei da termodinâmica

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Física 02 - Temperatura, calor e a 1a lei da termodinâmica

  1. 1. Física 2 Temperatura, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica Prof. Dr. Walmor Cardoso Godoi Departamento de Física - DAFIS Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR URL: http://www.walmorgodoi.com/utfpr E-mail: walmorgodoi@utfpr.edu.br
  2. 2. Referências • Fundamentos de Física - Volume 2 : Autores Halliday e Resnick, vol. 2, 9ª ed., Cap 18. • Física II Termodinâmica e Ondas : Autores Sears e Zemanski, vol. 2, 12ª ed., Cap 17
  3. 3. Introdução Termodinâmica Estudo das leis que regem a relação entre calor e energia.
  4. 4. Temperatura • Grandeza fundamental do S.I. • Escala kelvin (K) • Não existe limite superior para T, mas existe limite inferior (0 K) • Universo – 1039 K há 13,7 bilhões de anos – Hoje T = 3 K.
  5. 5. A Lei Zero da Termodinâmica líquido barra de metal 0463,35 gás Termoscópio resistência elétrica infravermelho Elemento sensível ao calor. Qual tipo de sensor térmico você utilizaria?
  6. 6. A Lei Zero da Termodinâmica
  7. 7. PRINCÍPIO ZERO DA TERMODINÂMICA Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo T, A e B estão em equilíbrio térmico entre si. a c a b c b Enquanto houver transferência de calor as propriedades de b e de c modificam-se
  8. 8. Medindo a Temperatura ou 0,01 oC
  9. 9. Medindo a Temperatura da água
  10. 10. Comportamento anômalo da água Ponto vapor-líquido crítico de um material, a partir do qual a distinção entre fase a líquida e gasosa não existe. Em água, o ponto crítico ocorre em cerca http://fge.if.usp.br/~oliveira/term082ed.pdf de 647 K. (374 ° C; 705 ° F) e 22,064 MPa (218 atm)
  11. 11. O Termômetro de Gás a V = cte
  12. 12. O Termômetro de Gás a V = cte
  13. 13. Guillaume Amontons, 1663-1705 Tmin => p=0 Zero absoluto = -273,16 oC = 0 K 0 oC = 273,15 K
  14. 14. http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature
  15. 15. As Escalas Celsius e Fahrenheit oC K oF Celsius Ponto Triplo 273,16 K 0,01 oC 32,02 oF 0K -273,15 oC - 459, 67 oF Fahrenheit Zero absoluto
  16. 16. Exemplo 1 Em uma escala linear de temperatura X, a água evapora a -53,5 oX e congela a -170 oX. Qual o valor da temperatura de 340 K na escala de temperatura X? Resposta: Tx=-92,1 oX
  17. 17. Dilatação Térmica
  18. 18. Dilatação Térmica Dilatação Linear Dilatação Superficial Dilatação Volumétrica
  19. 19. Dilatação Térmica • Dilatação da água Fenômeno anômalo da água
  20. 20. Dilatação Linear
  21. 21. Dilatação volumétrica
  22. 22. Exemplo 2 T
  23. 23. Temperatura e Calor “Calor é a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de temperatura”
  24. 24. Unidade de Quantidade de Calor 1 caloria (cal) é definida como sendo o calor trocado quando a massa de um grama de água passa de 14,5 oC para 15,5 oC. 1 cal = 4,1868 J (exatamente) 1 Btu = 252,2 cal = 0,2522 kcal= 1055,05585 J BTU (também pode ser escrito Btu) é um acrônimo para British Thermal Unit (ou Unidade térmica Britânica) Unidade no SI para calor : Joule
  25. 25. Temperatura e Calor
  26. 26. Temperatura e Calor
  27. 27. Temperatura e Calor
  28. 28. Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Capacidade Térmica ou capacidade Calorífica. • A capacidade de perder ou absorver calor que um determinado corpo tem, em razão da variação de temperatura sofrida por ele, é definida como Capacidade Térmica ou Capacidade Calorífera. http://www.mundoeducacao.com/fisica/capacidade-termica.htm
  29. 29. Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos • Capacidade Térmica – C é a constante de proporcionalidade entre o calor Q recebido ou cedido pelo objeto e a variação de temperatura do objeto • Exemplo: Pedra de mármore C= 179 cal/oC (= 179 cal/K=749 J/K)
  30. 30. • Calor específico c=C/m Pedra de mármore C= 179 cal/oC (=749 J/K) , mas c = 0,21 cal/g oC (ou 880 J/Kg.K) Calor específico da água= 1 cal/g oC ou 4190 J/kg K
  31. 31. Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos • Calor específico molar M: mol ou massa molar n: número de moles 1 mol = 6,02 x 10 23 unidades elementares Exemplo: 1 mol de Al, 1 mol de Al2O3 (Massa molar: 101,96 g/mol) M(água) = 18,0 g/mol (1 mol de água possui massa igua a 18 g)
  32. 32. Calor de Transformação
  33. 33. Calor de Transformação • Calor de transformação L – quantidade de energia por unidade de massa que deve ser transferida para que uma amostra mude de fase Q=Lm Lv: calor de vaporização ( líquido ↔ gasoso) Lf: calor de fusão (sólido ↔ líquido) Exemplo: água (Lv= 539 cal/g, Lf=79,5 cal/g)
  34. 34. substituindo
  35. 35. Exemplo 4 • Um nutricionista aconselha as pessoas que querem perder peso a beber água gelada, alegando que o corpo precisa queimar gordura para aumentar a temperatura da água de 0,00 oC para a temperatura do corpo 37,0 oC. Quantos litros de água gelada uma pessoa precisaria beber para queimar 0,5 kg de gordura, supondo que ao ser queimada essa quantidade de gordura, 3500 kcal são transferidas para a água? R: 96 litros
  36. 36. Calor e Trabalho TRABALHO: Transferência de energia CALOR: Transferência de energia devida W=F.d a uma diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças (Q). UNIDADE: 1 J = 1 kg.m2.s-2
  37. 37. Calor e Trabalho
  38. 38. A Primeira Lei da Termodinâmica Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho. A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se. A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE Variação na energia interna do sistema Calor trocado pelo sistema Trabalho realizado pelo sistema
  39. 39. Casos especiais da 1ª Lei
  40. 40. Casos especiais da 1ª Lei
  41. 41. Exemplo 5 • Suponha que 1,00 kg de água a 100 oC seja convertido em vapor a 100 oC à pressão atmosférica padrão (1,00 atm=1,01 x105Pa). O volume da água varia de um valor inicial de 1,00 x 10-3 como líquido para 1.671 m3 como vapor. • A) W? • B) Energia transferida na forma de calor?
  42. 42. Mecanismos de Transferência de Calor • • • • • Condução Resistência térmica Condução através de uma placa composta Convecção Radiação

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