Termologia -profª_luciana

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Termologia -profª_luciana

  1. 1. Universidade Estadual do MaranhãoDisciplina: Calor e OndasProfessora Luciana Araújo
  2. 2. TERMOLOGIA1. Termometria2. Expansão térmica de sólidos e líquidos3. Calorimetria4. Mudanças de estado de agregação5. Transmissão de calor6. Leis dos gases ideais7. Termodinâmica
  3. 3. 1. Termometria 1.1 Temperatura 1.2 A escala Celsius 1.3 A escala Fahrenheit 1.3.1 Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit 1.4 A escala Kelvin 1.5 Definição de calor
  4. 4. TERMOLOGIATermologia é o estudo do calor, (do grego thermé, que significa calore logia também do grego, que significa estudo.)Um corpo se aquece quando aumenta o valor médio das energiascinéticas de vibração de suas moléculas e esfria quando diminui ovalor médio dessas energias.
  5. 5. 1. Termometria 1.1 Temperatura O valor da temperatura está associada ao nível de agitação das partículas de um corpo. Portanto quanto maior a temperatura maior o estado de agitação. Menor temperatura Maior temperatura
  6. 6. TERMÔMETROSSão os instrumentos usados na determinação da temperaturade um corpo. Um termômetro comum deve ter,uma substânciatermométrica que varia seu volume ao sofrer alguma variaçãode temperatura, como o mercúrio por exemplo, e uma escalaque registrará o valor correspondente da temperatura.
  7. 7. TIPOS DE TERMÔMETROS Termômetro clínico (vidro e mercúrio)
  8. 8. Termômetro para ambiente
  9. 9. Termômetro Digital
  10. 10. Termômetro bimetálico
  11. 11. Termômetro à gás
  12. 12. Termômetro infravermelho (pirômetro óptico)
  13. 13. ESCALAS TERMOMÉTRICASAtualmente temos três escalas importantes em uso:Celsius, Fahrenheit e Kelvin.
  14. 14. 1.2 A escala CelsiusFoi uma escala construída,tomando-se como referênciaa temperatura do gelofundente como primeiro pontofixo e a temperatura do vapord´água em ebulição comosegundo ponto fixo, atribuindopara estes dois pontos osvalores 0 0C e 1000Crespectivamente. (Anders Celsius, 1701-1744 )
  15. 15. 1.3 A escala FahrenheitExistem várias versões para aconstrução da escala Fahrenheit,mas nenhuma delas confirmada.Porém sabemos que nesta escalao ponto de gelo fundente e ovapor d´água em ebulição sãoregistradas com os valores 320F e2120F. Daniel Fahrenheit (1686–1736)
  16. 16. 1.3.1 Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit
  17. 17. 1.4 A escala KelvinÉ a escala oficial do SistemaInternacional admitida para atemperatura termodinâmica,onde o valor correspondente aogelo fundente é 273,15K e para ovapor d´água em ebulição é373,15K. É também chamada deescala absoluta ou científica poisdefine como 0K (zero absoluto) atemperatura teórica em que aspartículas que compõem umcorpo estariam paralisadas. William Thomson (1824 –1907)
  18. 18. Zero Absoluto Escala Kelvin Menor estado térmico.Ponto de energia mínima
  19. 19. Relação entre as Escalas TermométricasEquações de Conversão Relação de Conversão de Variações
  20. 20. Relação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit (-40)
  21. 21. Escalas termométricas Rankine e Réaumur
  22. 22. Construção de uma escalaqualquer X − X1 Y − Y1 = X 2 − X 1 Y 2 − Y1
  23. 23. 1.5 Definição de calorO calor é uma forma de energia que se transmite de umcorpo a outro em razão da diferença de temperatura.Essa energia só é chamada calor enquanto está sendotransferida (energia em trânsito). Depois que ela éabsorvida pelo corpo não pode ser chamada de calor.
  24. 24. Equilíbrio TérmicoOcorre quando a temperatura dos corpos se igualam,ou seja, possuem o mesmo valor.
  25. 25. 2. Expansão térmica de sólidos e líquidos 2.1 Dilatação linear dos sólidos 2.1.1 Lâmina bimetálica 2.2 Dilatação superficial e volumétrica 2.3 Dilatação dos líquidos 2.4 Dilatação anômala da água
  26. 26. 2. Expansão térmica de sólidos e líquidos Quando a temperatura de um corpo aumenta, aumenta também a agitação de suas moléculas. Em geral, isso ocasiona um aumento da distância média entre elas, o que, por sua vez, acarreta uma expansão (ou dilatação) do corpo.
  27. 27. 2.1 Dilatação linear dos sólidos Estuda a dilatação em apenas uma dimensão (comprimento). θo θ ΔL = L – Lo e Δθ = θ – θo A experiência mostra que: ΔL = α Lo . Δθ ΔL = variação de comprimento (m) Lo = comprimento inicial (m) L = Lo (1 + α . Δθ) L = comprimento final (m) Δθ = variação de temperatura (K) α = coeficiente de dilatação linear (K-1)
  28. 28. Tabela de coeficientes de dilatação linear
  29. 29. 2.1.1 Lâmina bimetálicaUma lâmina bimetálica é formada por duas lâminas muitofinas, de metais diferentes e fortemente ligadas, de mesmocomprimento, mesma temperatura inicial e coeficientes dedilatação linear diferentes. Quando se aquecer ou se resfriar oconjunto, o mesmo se encurvará para cima ou para baixoconforme coeficiente de cada lâmina.Uma das aplicações dessas lâminas é servir comotermostato (dispositivo que liga ou desliga ao atingirdeterminada temperatura). Elas são colocadas em circuitoselétricos de modo que, quando a temperatura desejada éatingida, as lâminas adquirem uma curvatura tal que ligam (oudesligam) o circuito.
  30. 30. termostato
  31. 31. 2.2 Dilatação superficial e volumétrica Dilatação superficial Estuda a dilatação em apenas duas dimensões (comprimento x largura)
  32. 32. Dilatação volumétricaEstuda a dilatação em três dimensões(comprimento x largura x espessura). ∆V = V0 γ . ∆θ V = V0(1 + γ ) . ∆θ
  33. 33. Relação entre coeficientesQuando um corpo apresenta espaços vazios no seuinterior, desde que o material do corpo seja homogêneo eisótropo, esses espaços vazios se dilatam como sefossem constituídos do mesmo material de que é feito ocorpo.
  34. 34. 2.3 Dilatação dos líquidosPara líquidos, não tem sentido falar em coeficiente de dilataçãolinear ou superficial, já que eles não possuem forma própria. Sóexiste o coeficiente de dilatação volumétrica.∆V = Vo .γ .∆T
  35. 35. Tabela de coeficientes de dilatação volumétrica dealguns líquidos a 20 °C Líquido γ (°C-1) Álcool etílico 1,20 . 10-3 Gasolina 0,95 . 10-3 Glicerina 0,50 . 10-3 Mercúrio 18,2 . 10-3
  36. 36. 2.4 Dilatação anômala da água A água é o líquido mais comum, no entanto, seu comportamento em termos de dilatação térmica é uma verdadeira exceção.Aumentando a temperatura, o nível do líquido desce até atemperatura atingir 4 ºC. A partir daí, se o aquecimento continua, onível do líquido passa a elevar-se. A conclusão que se pode tirardesse efeito é a de que, no aquecimento de 0 ºC a 4 ºC, a águasofre contração. No aquecimento acima de 4 ºC, ocorre dilatação.
  37. 37. 3. Calorimetria 3.1 Caloria 3.2 Capacidade térmica e calor específico 3.2.1 Capacidade térmica 3.2.2 Calor específico 3.3 Trocas de calor
  38. 38. 3. Calorimetria 3.1 Caloria Os estudos sobre os efeitos do calor começaram antes de se saber que ele era uma forma de energia e, por isso, foi definida uma unidade de calor que é muito usada até hoje, embora não pertença ao SI: a caloria (cal). Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar em 1 ºC a temperatura de 1 grama de água. Mais tarde percebeu-se que essa quantidade de calor variava um pouco, conforme a temperatura inicial da água, assim foi escolhido o intervalo de temperatura que vai de 14,5 ºC a 15,5 ºC. Depois de estabelecido o fato de que o calor é uma forma de energia, passou-se a usar o joule (J) para medir o calor, no SI. Com base na experiência de Joule, ficou definido que: 1 cal = 4,186 J (exatamente), isto é, a definição de caloria, hoje em dia, não depende mais da água.
  39. 39. 3.2 Capacidade térmica e calor específicoQuando um corpo recebe ou perde calor, pode ter sua temperaturaaumentada ou diminuída. 3.2.1 Capacidade térmicaÉ a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou cederpara que sua temperatura varie uma unidade. Q C= Q = quantidade de calor (J) Δθ = variação de temperatura (K) ∆θ C = capacidade térmica (J/K)
  40. 40. 3.2.2 Calor específicoCalor específico (Constante) é uma grandeza física que define avariação térmica de determinada substância ao receberdeterminada quantidade de calor.É possível calcular o calor específico de uma substância a partir dacapacidade térmica de um corpo composto por ela e da massadesse corpo. C C = capacidade térmica (J/K) c= m m = massa (kg) c = calor específico (J/kg.K) Q Q = quantidade de calor (J) c= m = massa (kg) m.∆θ Δθ = variação de temperatura (K) c = calor específico (J/kg.K)
  41. 41. calor específico é igual à quantidade de calor necessária paraelevar 1 unidade a temperatura de 1 unidade de massa domaterial. Tabela de Calores específicos a 20 ºC e pressão igual a 1 atm. Substância Calor específico (c) (cal/g°C) Água 1,0 Álcool etílico 0,58 Ferro 0,113 Cobre 0,092 Mercúrio 0,033 Alumínio 0,215
  42. 42. Calor sensívelCalor sensível é a quantidade de calor necessária para variar atemperatura de um corpo sem que haja variação do estado físicoda matéria, ou seja, se um corpo está no estado sólido, suatemperatura pode variar para mais ou para menos e seu estado deagregação das moléculas continua o mesmo (sólido).A equação que mede a quantidade de calor cedida ou recebidapor um corpo é: m = massa (kg)Q = m.c.∆θ c = calor específico (J/kg.K) Δθ = variação de temperatura (K) Q = calor sensível (J)Estado =Temperatura ≠
  43. 43. Calor latenteO calor latente é a quantidade de calor necessária para se variar oestado físico da matéria sem variar a temperatura. Acontece, porexemplo, no derretimento do gelo, onde podemos analisar a águano estado líquido e no estado sólido à mesma temperatura. Essatemperatura é chamada de temperatura de fusão do gelo, queem condições normais de temperatura e pressão corresponde a 0ºC ou 273 K (SI).O calor latente pode ser calculado usando a equação: Q Q = quantidade de calor (J) L= m = massa (kg) m L = calor latente (J/kg) Estado ≠ Temperatura =
  44. 44. O calor específico da águaO calor específico da água elevado, se comparado com outrassubstâncias, explica, por exemplo, por que pela manhã, emregiões litorâneas, o mar está mais frio que a areia. Por ter calorespecífico maior que o da areia, a água demora mais para seaquecer, pois precisa de maior quantidade de calor para sofrer amesma variação de temperatura.
  45. 45. 3.3 Trocas de calorPara estudar as trocas de calor entre os corpos, os pesquisadoresprocuraram construir recipientes especiais cujas paredes fossemisolantes de calor, isto é, não deixassem o calor passar. Paredesisolantes são chamadas também de adiabáticas (do gregoadiábatos, que significa “impenetrável”). Como exemplo desse tipode recipiente podemos citar a garrafa térmica. Introduzindo umtermômetro no recipiente, obtemos um calorímetro.
  46. 46. Em física, o Princípio das Trocas de Calor diz que o somatório daquantidade de calor em um sistema deve ser nulo.O somatório pode ser representado matematicamente, onde Q é aquantidade de calor de cada corpo, por: ∑Q = 0Também, de forma mais direta, pode ser representado, sendo m amassa de cada corpo, θE a temperatura do equilíbrio térmico, θ0a temperatura inicial de cada corpo e o c calor específico dasubstância de cada corpo, por:∑ (m.c.(θ E − θ 0 )) = 0
  47. 47. 4. Mudanças de estado de agregação 4.1 Fusão e solidificação 4.2 Vaporização e liquefação 4.2.1 Evaporação 4.2.2 Ebulição 4.3 Influência da pressão 4.4 Gás e vapor
  48. 48. 4. Mudanças de estado de agregaçãoQuando um corpo recebe ou perde calor pode ocorrer umamudança no seu estado de agregação (ou fase).
  49. 49. 4.1 Fusão e solidificaçãoFusão é o nome dado ao processo de passagem de umasubstância do estado sólido para o estado líquido. O processoinverso designa-se como solidificação.Para uma substância passar do estado sólido para o estado líquido,a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa (m): Q = quantidade de calor (J)Q = LF.m LF = calor de fusão = calor de solidificação (cal/g) “constante” m = massa (m)No caso da água (LF = 80 cal/g) são necessárias 80 calorias parafundir cada grama de gelo a 0 ºC, assim como cada grama de águalíquida a 0 ºC precisa perder 80 calorias para se transformar emgelo.
  50. 50. Fusão Solidificação
  51. 51. 4.2 Vaporização e liquefaçãoA vaporização é um processo mais complexo que a fusão, poispode ocorrer de dois modos: por evaporação ou por ebulição. 4.2.1 EvaporaçãoEvaporação é a passagem lenta de uma substância do estadolíquido para o estado de vapor. A evapora pode ocorre a qualquertemperatura.
  52. 52. 4.2.2 EbuliçãoEbulição é a passagem turbulenta de uma substância do estadolíquido para o estado de vapor. A ebulição se inicia a umadeterminada temperatura, chamada de temperatura de ebulição.
  53. 53. Para uma substância passar do estado líquido para o estado devapor, a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa(m): Q = quantidade de calor (J)Q = LV .m LV = calor de vaporização = calor de liquefação (cal/g) “constante” m = massa (m) No caso da água (LV ≈ 540 cal/g): são necessárias 540 calorias para vaporizar 1 grama de água a 100 ºC, assim como cada grama de vapor d`água a 100 ºC precisa perder 540 calorias para se transformar em água líquida.
  54. 54. 4.3 Influência da pressãoDurante uma mudança de fase, em geral ocorre variação devolume. Portanto, uma mudança da pressão externa altera atemperatura em que ocorre a mudança de fase.A panela de pressãoQuando a panela de pressão é aquecida, a pressão interna podeficar maior do que um 1 atm e, assim, a água ferve a umatemperatura maior do que 100 ºC.
  55. 55. 4.4 Gás e vaporAumentando suficientemente a pressão sobre o vapor (atemperatura constante), o mesmo transforma-se em líquido e depoisem sólido.
  56. 56. Para cada substância existe uma temperatura, denominadatemperatura crítica (θC), acima da qual a substância só podeexistir na forma de vapor (gás). Por maior que seja a pressãoaplicada sobre a substância, não se consegue passá-la para a faselíquida nem para a sólida. Tabela de temperaturas críticas Substância Temperatura crítica Água 374 ºC Dióxido de 31 ºC carbono Oxigênio -119 ºC Hidrogênio -240 ºC
  57. 57. 5. Transmissão de calor 5.1 Transmissão de calor por condução 5.2 Transmissão de calor por convecção 5.3 Transmissão de calor por irradiação
  58. 58. 5. Transmissão de calorA transmissão de calor entre locais diferentes, situados no mesmomeio ou não, é um dos fenômenos físicos mais comuns.Basicamente, ela acontece em três modos distintos:• por condução• por convecção• por irradiação
  59. 59. 5.1 Transmissão de calor por conduçãoQuando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados emcontato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com asmoléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esseprocesso de transferência de calor é chamado de condução.O primeiro a fazer um estudo detalhado da transmissão de calor porcondução foi o físico e matemático francês Joseph Fourier (1768 -1830). Experimentalmente ele obteve uma fórmula que nos dá a“rapidez” com que o calor é transmitido por condução. Fluxo de calor Q φ= ∆t Q = quantidade de calor (J) Δt = intervalo de tempo (s) Φ = fluxo de calor (J/s) ou W
  60. 60. Os experimentos de Fourier mostraram que: Q A(θ 1 − θ 2) φ= =k ∆t L QL k= (∆t ). A.(θ 1 − θ 2)Q = quantidade de calor (J)Δt = intervalo de tempo (s)k = condutividade térmica (W/m.K)A = área (m2)(θ1 – θ2) = diferença de temperatura (K)L = comprimento (m)Φ = fluxo de calor (J/s) ou W
  61. 61. Tabela de condutividades térmicasMaterial Condutividade térmica (W/m.K)Prata 420Alumínio 200Gelo 2Água 0,6Madeira 0,08 a 0,16Lã 0,04Ar 0,023Isopor 0,01
  62. 62. 5.2 Transmissão de calor por convecçãoOs líquidos e os gases não são bons condutores de calor. Noentanto, eles podem transmitir calor de modo significativo por umoutro processo: a convecção. Esse processo consiste namovimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido.
  63. 63. A geladeira e o aquecedorNuma geladeira o ar frio fica mais denso e desce; o ar que estáembaixo, mais quente, sobe. Já os aquecedores devem ficar na partede baixo do recinto em que se encontram. O ar aquecido fica menosdenso e sobe; o ar de cima, mais frio, fica mais denso e desce.
  64. 64. A inversão térmicaNa inversão térmica, condições desfavoráveis podem, entretanto,provocar uma alteração na disposição das camadas na atmosfera.Geralmente no inverno, pode ocorrer um rápido resfriamento do soloou um rápido aquecimento das camadas atmosféricas superiores.A inversão térmica é uma ocasião na qual a ação dos poluentes do arpode ser bastante agravada.
  65. 65. 5.2 Transmissão de calor por irradiaçãoÉ a transmissão de energia térmica que não necessita de um meiomaterial para acontecer, pois o calor se propaga através de ondaseletromagnéticas.
  66. 66. A estufaO vidro normalmente deixa passar as ondas de infravermelhovindas do Sol. As estufas de plantas são construídas de forma quese tire proveito disso. Suas paredes, de vidro, permitem que a luz eas ondas de infravermelho entrem na estufa, onde são absorvidaspelo fundo escuro, aquecendo-o. Esse fundo passa a transmitirondas de infravermelho de frequências mais baixas, que nãoconseguem atravessar a parede de vidro. Desse modo, o interior daestufa fica mais quente que seu exterior.
  67. 67. O efeito estufaO dióxido de carbono (CO2) e o vapor d`água presentes naatmosfera da Terra deixam passar as ondas de infravermelho dealta frequência que vêm Sol e são absorvidas pela Terra. Esta seaquece e passa a emitir ondas de infravermelho de frequênciasmais baixas, que por sua vez têm dificuldade de atravessar acamada de vapor d`água e dióxido de carbono. Isso impede que aTerra perca muito calor por irradiação, principalmente a noite.
  68. 68. A garrafa térmicaA parte interna é uma garrafa de vidro(bom isolante) com paredes duplas,havendo quase vácuo entre elas. Issodificulta a transmissão de calor porcondução. As partes interna eexterna da garrafa são espelhadaspara evitar transmissão de calor porirradiação. A tampa deve deixar aboca da garrafa bem vedada, paraevitar transmissão de calor porconvecção.
  69. 69. 6. Leis dos gases ideais 6.1 Lei Geral dos Gases 6.2 Transformações particulares 6.2.1 Transformação isotérmica 6.2.2 Transformação isobárica 6.2.3 Transformação isocórica 6.3 O mol 6.4 Equação de Clapeyron 6.4.1 Estado normal de um gás
  70. 70. 6. Leis dos gases ideais 6.1 Lei Geral dos Gases No estado gasoso as moléculas se movem como um enxame de abelhas “enfurecidas”; a cada instante há moléculas movendo-se em todas as direções, com velocidades diferentes. O movimento individual de uma molécula é caótico; as mudanças de direção ocorrem em virtude das eventuais colisões.
  71. 71. Para caracterizar a situação de uma certa porção de gás hátrês grandezas importantes: a pressão (p) o volume (V) e a temperaturaabsoluta (T). Essas grandezas são chamadas variáveis de estado dogás. Os vários gases, desde que estejam bastante rarefeitos (baixas)densidades e acima das respectivas temperaturas críticas, obedecemaproximadamente a seguinte lei, Lei Geral dos Gases: p1V1 p 2 V2 ou = T1 T2 pV = constante p= pressão (Pa) T V = volume (m3) T = temperatura (K) Um gás é chamado ideal quando obedece exatamente essa lei.Quando uma (ou mais) variável de estado sofre alguma alteração,dizemos que o gás sofreu uma transformação.
  72. 72. 6.2 Transformações particulares Às vezes ocorre que, durante uma transformação do gás,uma das variáveis de estado fique constante, variando apenas asoutras duas. 6.2.1 Transformação isotérmica Quando a temperatura fica constante a transformação é chamada isotérmica. Nesse caso a Lei Geral dos Gases fica: p1V1 = p2V2
  73. 73. Numa transformação isotérmica o gráfico de p em funçãode V será uma hipérbole equilátera, denominada isoterma. Para uma mesma quantidade de gás, quanto maior atemperatura maior será o produto pV e mais afastada dos eixosestará a isoterma. Os dois gráficos mostram duas isotermas, sendo TA >TB. A área sob o gráfico é uma medida do trabalho realizado.
  74. 74. 6.2.2 Transformação isobárica A transformação é chamada isobárica quando a pressão fica constante. Nesse caso a Lei Geral dos Gases fica: V1 V2 = T1 T2O volume é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
  75. 75. 6.2.3 Transformação isocórica Quando o volume fica constante, a transformação échamada isocórica, isométrica ou isovolumétrica. Nesse caso a LeiGeral dos Gases fica: p1 p2 = T1 T2A pressão é diretamente proporcional à temperatura absoluta.
  76. 76. 6.3 O molPara a contagem do número de objetos microscópicos, como átomos emoléculas, frequentemente usa-se o mol:1 mol de objetos = 6,023.1023 objetosAssim, 1 mol de átomos = 6,023.1023 átomos e 2 mols de átomos = 2(6,023.1023) = 12,046.1023.O número 6,023.1023 é conhecido por número de Avogadro eapresentado por NA:NA = 6,023.1023 partículas/mol = 6,023.1023 mol-1A massa molar (M) de um elemento é a massa de 1 mol de átomosdesse elemento. A massa molar (M) de uma substância é a massa de1 mol de moléculas dessa substância. Assim, dada uma amostra demassa m de um elemento (ou substância) o número n de mols deátomo (ou moléculas) da amostra é dada por: m m = amostra de massa (kg) n= M = massa molar (kg) M n = número de mols (mol)
  77. 77. 6.4 Equação de ClapeyronA Lei Geral dos Gases vale para uma quantidade de gás cuja massa éconstante: pV = constante TEm meados do século XIX, o físico francês Émile Clapeyron (1799-1864), estudando o comportamento de massas diferentes, de gasesdiferentes, concluiu que a constante acima é proporcional ao númerode moléculas do gás (e não à massa do gás). Assim, a equação podeser escrita: p = pressão (Pa) pV V = volume (m3) = R.n T = temperatura (K) R = constante universal dos gases ideais = 8,31 (Pa.m3/mol.K) T n = número de mols (mol)Estado normal de um gásDizemos que um gás está no estado normal quando se encontra nascondições normais de pressão e temperatura (CNPT):p = 1 atm = 760mmHg e T = 273 K (0 ºC)
  78. 78. 7. Termodinâmica 7.1 Trabalho numa transformação gasosa 7.2 Energia interna 7.3 Primeira Lei da Termodinâmica 7.4 Transformação cíclica 7.5 Segunda Lei da Termodinâmica
  79. 79. 7. TermodinâmicaA Termodinâmica (do grego, thermé, significa "calor" e dynamis,significa "potência") é o ramo da Física que estuda os efeitos damudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos naescala macroscópica. A grosso modo, calor significa "energia" emtrânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, emessência, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e comoa energia cria movimento.
  80. 80. 7.1 Trabalho numa transformação gasosaNa figura abaixo representa-se um gás ideal contido num cilindrocuja seção reta tem área A e que é munido de um êmbolo; FG é aforça exercida pelo gás sobre o êmbolo. Vamos supor que o gássofra uma expansão isobárica (pressão constante), de modo que oêmbolo tenha um deslocamento d.
  81. 81. Como a força e o deslocamento tem o mesmo sentido, o trabalho da força exercida pelo gás será dado por: τ G = FG.d Mas, sendo pG a pressão exercida pelo gás, temos: FG = pG. A Unidade de pressão 1 atm ≈ 105 Paτ Das duas fórmulas acima, tem-se:G = FG.d = pG.d A. d = distância (m) A = área (m2) ΔV = variação de volume (m3) ∆V FG= força exercida pelo gás (N)τG = pG.(∆V ) pG = pressão exercida pelo gás (Pa) TG = trabalho da força exercida pelo gás (J) Se o gás sofrer uma compressão isobárica, FG e d terão sentidos opostos e o trabalho será negativo.
  82. 82. O gráfico da pressão em função do volume (p x V)Como consideramos a pressão constante, o gráfico de p G em funçãodo volume é o da figura abaixo, na qual a área da região sombreadanos dá o módulo do trabalho. Se a pressão variar, pode-sedemonstrar que o trabalho ainda é dado pela área sob o gráficoabaixo.
  83. 83. 7.2 Energia internaA energia interna de um corpo é a soma das energias de todas assuas moléculas. Isso inclui as energias cinéticas e as energiaspotenciais correspondentes às forças elétricas existentes entre osátomos (ou moléculas). Para um gás ideal pode-se mostrar que aenergia interna é proporcional à temperatura absoluta do gás.Por exemplo, no caso de um gás ideal monoatômico, a energiainterna (U) é dada por: 3 U = nRT 2 n = número de mols R = constante universal dos gases perfeitos = 8,37 (J/mol.K) T = Temperatura (K) U = energia interna (J)Para os gases poliatômicos essa fórmula não vale.
  84. 84. 7.3 Primeira Lei da TermodinâmicaConsideremos um sistema qualquer formado por um ou maiscorpos. Quando fornecemos ao sistema uma quantidade deenergia (Q), na forma de calor essa energia pode ser usada de doismodos:• Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (W), expandindo-se (W > 0) ou contraindo-se (W < 0).Eventualmente pode acontecer de o sistema não alterar seuvolume; assim o trabalho será nulo.• A outra parte da energia será absorvida pelo sistema,transformando-se em energia interna. Dito de outro modo: essaoutra parte da energia é igual à variação da energia (ΔU) dosistema. Eventualmente pode acontecer ΔU = 0; significa que, nessecaso, todo o calor Q foi usado para a realização de trabalho.
  85. 85. Assim temos:Q = W + ∆UA equação acima traduz a Primeira Lei da Termodinâmica. Ela valepra qualquer sistema, mas vamos aplicá-la apenas na análise dastransformações sofridas por um gás. Quanto usamos esta equação,deveremos tomar cuidado com os sinais de Q e W. C como já vimosanteriormente, se o gás se expandir, isto é, aumentar de volume, otrabalho será positivo. Se o gás for comprimido (diminuindo devolume), o trabalho será negativo (neste caso. é o meio exterior querealiza trabalho positivo). V aumenta → ΔV > 0 → W > 0 V diminui → ΔV < 0 → W < 0Para o calor vale a convenção: Sistema recebe calor → Q > 0 Sistema perde calor → Q < 0
  86. 86. 7.4 Transformação cíclicaAs máquinas térmicas (como, por exemplo, a máquina a vapor)operam em ciclos. Isso significa que o gás sai de um estado inicial Ae após sofrer várias transformações volta ao estado inicial. Nessecaso é fácil verificar que a área no interior da linha que representa ociclo nós dá o módulo do trabalho realizado pelo gás.
  87. 87. 7.5 Segunda Lei da TermodinâmicaSua primeira formulação foi feita pelo alemão Rudolf EmanuelClausius, em 1850: O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio. O inverso só ocorre com a realização de trabalho.Em 1851, Lorde Kelvin e o físico alemão Max Planck deram à lei umoutro anunciado: É impossível para uma máquina térmica que opera em ciclos, converter integralmente calor em trabalho.
  88. 88. Ciclo de CarnotAté meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construçãode uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda aenergia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).Para demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês NicolasCarnot (1796-1832) propôs uma máquina térmica teórica que secomportava como uma máquina de rendimento total, estabelecendoum ciclo de rendimento máximo, que mais tarde passou a serchamado Ciclo de Carnot.Este ciclo seria composto de quatro processos, independente dasubstância:
  89. 89. • Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe umaquantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M)• Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com asfontes térmicas (M-N)• Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para afonte de resfriamento (N-O)• Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor comas fontes térmicas (O-L)
  90. 90. Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pelafonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamentosão proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim: Q2 T2 = Q1 T 1Assim, o rendimento numa máquina de Carnot é: Q2 Q2 T2η = 1− e = Q1 Q1 T 1Logo: T2 Q = quantidade de calor (J)η = 1− T = temperatura (K) T1 η = rendimento (%)Sendo:T2 = temperatura absoluta da fonte de resfriamentoT1 = temperatura absoluta da fonte de aquecimento
  91. 91. Com isto se conclui que para que haja 100% de rendimento, todo o calorvindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho,pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser zero K.Partindo daí conclui-se que o zero absoluto não é possível para umsistema físico.Princípio de Carnot"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatóriostérmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot"operando entre os mesmos reservatórios"
  92. 92. Máquinas térmicasAté meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construçãode uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda aenergia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).
  93. 93. A geladeiraNa figura ao lado temos oesquema de uma geladeira quetem o congelador em seu interior.Por todo o circuito (compressor,válvula de expansão, evaporador,condensador) da figura, circula ogás freon 12 que é o responsávelpela "produção" de frio. Nota-seque a temperatura ao longo detodo o circuito não é constante.Temos uma região em que o gásfreon está submetido a altaspressões (no compressor) eportanto tem uma maiortemperatura e uma outra regiãoem que ele está submetido àbaixa pressão (válvula ou tubocapilar) e possui uma menortemperatura.
  94. 94. No esquema a baixo, a parte vermelha corresponde a região de alta pressão(alta temperatura) e a parte azul corresponde a baixa pressão (baixatemperatura), também vemos as partes básicas do refrigerador (sistema derefrigeração) onde o: • compressor: é responsável pela elevação da pressão até 10 atmosferas e sua temperatura está aproximadamente a 41 ºC; • condensador: faz com que o gás passe para o estado líquido ainda em alta pressão e então o líquido passa para o tubo capilar; • tubo capilar: ao sair dele terá sua pressão e temperatura diminuídas alcançando valores próximos de 1,6 atmosferas e - 19 ºC, nesta situação passa para o evaporador; • evaporador onde retorna ao estado gasoso e agora esta mudança de fase ocorre a baixa pressão. É no evaporador que o gás freon recebe calor dos alimentos colocados no interior da geladeira, retirando calor da parte interna, então, podemos perceber que a "produção de frio" ocorre no evaporador.
  95. 95. Como ele encontra-se na parte superior da geladeira, próximo a ele o arse resfria tornando-se mais denso e desce para as outras partes dageladeira fazendo que o ar mais quente e menos denso suba criandoassim as correntes de convecção resfriando toda a parte interna.
  96. 96. Com o exposto você pode achar que então, toda a parte interna dageladeira ficaria congelada; não pois na parte interna da geladeira écolocada um dispositivo denominado "termostato", que encarrega-se demanter a temperatura interior constante, isto é, tendo o que estiver nageladeira será resfriado até entrar em equilíbrio térmico com atemperatura pré-estabelecida e registrada no termostato.
  97. 97. O ar condicionadoUm ar condicionado é basicamente uma geladeira sem seugabinete. Ele usa a evaporação de um fluido refrigerante parafornecer refrigeração. Os mecanismos do ciclo de refrigeração sãoos mesmos da geladeira e do ar condicionado. O termo freon égenericamente usado para qualquer dos vários fluorcarbonos nãoinflamáveis utilizados como refrigerantes e combustíveis nosaerossóis.
  98. 98. Funcionamento do ciclo de refrigeração em um ar condicionado :O compressor comprime o gás frio , fazendo com que ele se torne gás quente de alta pressão (em vermelho no diagrama acima).Este gás quente corre através de um trocador de calor para dissipar o calor e se condensa para o estado líquido.O líquido escoa através de uma válvula de expansão e no processo ele vaporiza para se tornar gás frio de baixa pressão (em azul claro no diagrama acima).Este gás frio corre através de trocador de calor que permite que o gás absorva calor e esfrie o ar de dentro do prédio.Misturado com o fluido refrigerante, existe uma pequena quantidade de um óleo de baixa densidade. Esse óleo lubrifica o compressor.
  99. 99. Um aparelho de ar condicionado de janela constitui um sistema completo de condicionamento de ar para locais pequenos. Estas unidades são fabricadas em tamanhos suficientemente pequenos, para que se encaixem em uma janela padrão. Se você abrir o compartimento de um ar condicionado de janela, verá que ele contém:• um compressor• uma válvula de expansão• um condensador (do lado de fora)• um evaporador (do lado de dentro)• dois ventiladores• uma unidade de controleOs ventiladores sopram ar sobre os trocadores de calor para melhorar a sua capacidade de dissipar calor (para o ar exterior) e frio (para o ambiente ser resfriado).
  100. 100. BTU e EERA maioria dos condicionadores de ar têm a sua capacidade classificada emUnidade de Calor Britânica (BTU). De forma geral, uma BTU é a quantidade decalor necessária para aumentar a temperatura de 0,45 kg de água em 0,56º C.Especificamente, 1 BTU é igual a 1,055 Joules. Em termos de aquecimento erefrigeração, uma tonelada de refrigeração equivale a 12 mil BTU.Um ar condicionado normal de janela pode ter uma capacidade de 10 mil BTU.Para comparação: uma casa de 185 m2 pode ter um sistema de arcondicionado de 5 toneladas (60 mil BTU) de refrigeração, supondo que vocêprecise de cerca de 300 BTU por m2 . Perceba que estas são estimativasaproximadas. Para dimensionar um condicionador de ar para as suasnecessidades específicas, contate um profissional especializado emequipamentos de HVAC - aquecimento, ventilação e ar condicionado.A classificação da eficiência enérgica (EER) de um ar condicionado é a suacapacidade em BTU dividida pelo seu consumo. Se, por exemplo, um arcondicionado de 10 mil BTU consome 1.200 watts, o seu EER é de 8,3 (10 milBTU/1.200 watts). Obviamente, você vai querer que o EER seja o mais altopossível, mas normalmente um EER maior é acompanhado de um preçotambém maior.
  101. 101. O motor de explosãoO motor de explosão, ou motor decombustão interna, é amplamenteusado para movimentar automóveis,ônibus, caminhões, etc.Nos motores a álcool ou gasolina aprodução do movimento começa pelaqueima de combustível nas câmarasde combustão. Essas câmarascontém um cilindro, duas válvulas(uma de admissão e outra de escape)e uma vela de ignição. O pistão quese move no interior do cilindro éacoplado a biela que se articula com ovirabrequim. O virabrequim ao girarfaz com que o movimento chegue asrodas através do sistema detransmissão do carro.
  102. 102. A figura abaixo mostra um esquema do motor a "quatro tempos",assim denominado porque seu funcionamento se faz em quatroetapas.
  103. 103. • Primeiro tempo (indução)A válvula de admissão se abre e uma mistura de combustível e ar éinjetada no cilindro através da válvula de admissão enquanto ovirabrequim, que gira, empurra o pistão para baixo.• Segundo tempo (compressão)A válvula de admissão se fecha; a mistura é comprimida à medida queo pistão se eleva e, antes que este chegue à parte superior, a vela seascende.• Terceiro tempo (potência)A mistura acende-se; os gases quentes que se expandem, formadosna explosão, produzem uma força que faz com que o pistão abaixenovamente, acionando o virabrequim.• Quarto tempo (exaustão)A válvula de escape abre-se e os gases são expulsos pelo pistão quese eleva.
  104. 104. Os motores modernos usam sistemas eletrônicos que regulam comprecisão a quantidade e o teor da mistura introduzida nos cilindros,conhecidos por injeção eletrônica.Para melhorar o rendimento dos motores, estes funcionam,normalmente, com vários cilindros. Em um motor de quatro cilindros,quando um dos cilindros está em aspiração, outro está em compressão,o terceiro está em explosão e o quarto está em exaustão.Se o motor está parado, os primeiros movimentos do pistão é feitoatravés de um motor elétrico, conhecido como motor de arranque.Depois das primeiras explosões do combustível o motor de arranque édesligado e os pistões passam a funcionar em ciclos, como os queforam descritos.
  105. 105. O motor à dieselQuando, em 1885, o engenheiro alemão Daimler construiu o primeiro motorde combustão interna capaz de mover um veículo com razoáveis condiçõesde segurança e economia, começou uma corrida em busca deaperfeiçoamentos, que dura até hoje.Em 1894, outro engenheiro alemão, Rudolf Diesel, houve por bem simplificaro princípio de funcionamento do motor a explosão. Nasceu assim o motordiesel, que eliminou a necessidade de um circuito elétrico relativamentecomplicado para iniciar a combustão da gasolina. Nesse tipo de engenho, ocombustível - o óleo diesel - queima por ação do calor que se liberta quandoo ar é altamente comprimido.O novo motor, dotado de uma eficiência térmica muito mais elevada que ados motores a gasolina, logo encontrou emprego em instalações industriais ena produção de veículos pesados, como locomotivas, grandes caminhões enavios.O rendimento, o tempo de vida útil, a segurança de funcionamento e o baixocusto de manutenção são algumas das características que fazem do motordiesel o preferido nesse tipo de aplicação.
  106. 106. Ciclo de um motor diesel• No primeiro estágio do ciclo de combustão, chamado indução, o aré aspirado para o interior do cilindro, penetrando nele através daválvula de entrada.• Durante o segundo estágio, a compressão, o pistão sobe ecomprime o ar dentro do cilindro, em proporção muito mais elevadado que num motor a gasolina comum.• Na ignição, o combustível é injetado no ar comprimido a altatemperatura, entrando em combustão espontânea e forçando omovimento do pistão para baixo.• No último estágio, denominado exaustão, os gases que seformaram na fase anterior são expelidos do interior do cilindro pelomovimento ascendente do pistão.
  107. 107. No motor diesel a descida do pistão não aspira mistura combustível;somente ar puro entra no cilindro. E, quando o pistão se desloca paracima, apenas esse ar sofre compressão. A compressão interna nocilindro atinge um grau muito mais elevado que nos motores a gasolina -suas taxas de compressão vão de 14:1 a 25:1. Em conseqüência, atemperatura do ar comprimido eleva-se consideravelmente, chegando aultrapassar os 700º. À medida que o pistão se aproxima do limitemáximo de seu curso, um fino jato de combustível é impulsionado para ointerior do cilindro. Devido à alta compressão, o ar fica tão quente que,ao receber o combustível, faz este entrar em combustão espontânea,dispensando a presença da vela de ignição (ou ignição eletrônica).
  108. 108. Como no motor diesel o volume de ar aspirado para o interior do cilindroé sempre o mesmo, a velocidade da máquina é controlada apenas pelaquantidade de combustível fornecida pelo injetor.O motor diesel permite adaptações para funcionar com praticamentequalquer tipo de combustível, desde os óleos vegetais, até o gás naturale a gasolina de alta octanagem; porém, o mais comum e adequado é oóleo diesel destilado do óleo mineral cru. O óleo diesel é mais volátil quea gasolina e seu ponto de combustão situa-se aproximadamente a 75ºC.

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