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 Capítulo 18 
Temperatura, Calor e Primeira Lei da Termodinâmica
Neste capítulo nós iremos explorar os seguintes tópicos:
Temperatura e Lei Zero da termodinâmica Termômetros e escalas termométricas Expansão Térmica Temperatura e Calor Calor Específico Calor de Transformação Calor, Trabalho e Primeira Lei da Termodinâmica Mecanismos de Transferência de Calor
(18 – 1)
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(18 – 2)
Temperatura (símbolo: T)
Temperatura é um parâmetro físico fundamental.
Várias propriedades dependem da temperatura. 
Por exemplo a resistência elétrica R de um condutor.
Na figura abaixo plotou-se a resistividade do Cobre como função da temperatura. 
A figura acima mostra um instrumento que mede a resistência de um fio. Tal instrumento não-calibrado é chamado de termoscópio. Quando calibrado é chamado de termômetro.
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(18 – 3)
Lei Zero da Termodinâmica
Colocamos um termoscópio (corpo T) em contato com o corpo A e os dois objetos estão dentro de uma caixa isolante térmico. A leitura do corpo T irá eventualmente alcançar um valor constante (137,04 por exemplo). Nós dizemos que os dois corpos estão em equilíbrio térmico ou seja que têm a mesma temperatura. Agora os corpos T e B são colocados em contato e a temperatura lida em T continua a mesma (137,04).
Se agora colocarmos os corpos A e B em contato veremos que eles estão em equilíbrio térmico.
Se os corpos A e B estão em equilíbrio térmico com T, então eles estão em equilíbrio térmico entre si-
 
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(18 – 4)
O ponto tríplice da água
Nesta secção vamos definir a temperatura na escala Kelvin. Nós calibramos o termoscópio e vamos convertê-lo em um termômetro. Embora a temperatura de um corpo não tenha um limite superior ele tem um limite inferior. Esse limite inferior é o zero na escala Kelvin. 
Fenômenos térmicos reprodutiveis são o ponto de congelamento e ebulição da água. O 
Ponto tríplice da água é mais fácil de reproduzir e é escolhido para definir a escala 
Kelvin. O ponto tríplice da água é defindo pela coexistência das formas da água sólida, 
líquida e gasosa a uma certa temperatura e pressão. A tempertura para este ponto é dada
 por T3 = 273,16 K
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(18 – 5)
Termometro de gás a volume constante
+
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(18 – 6)
A temperatura T do banho e a pressão de gás conectada
pela equação: 
O bulbo de vidro é colocado numa célula de ponto tríplice
 
A quantidade de gás tem que ser muito pequena. O tipo de gás não faz diferença 
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(18 – 7)
As escalas Celsius e Fahrenheit
A escala termométrica Kelvin é utilizada em trabalhos científicos. Para aplicações do dia a dia a escala Celsius é largamente utilizada. A escala Celcius tem o memo tamanho da Kelvin.
O zero da escala Celsius é deslocada de
Tc = T – 273,150
A escala Fahrenheit é utilizada nos estados Unidos e tem um tamanho menor que a escala Celsius e tem um zero diferente: 00C = 320F
A relação entre as duas escalas de temperatura é dada pela equação:
TF = 9/5 Tc + 320 
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(18 – 8)
Dilatação Linear
Se a temperatura de uma régua de metal de comprimento L é aumentada de , seu comprimento aumentará de 
O termo é conhecido como coeficiente de dilatação térmica e depende do material do objeto.
A constante não varia muito com a temperatura. Para maior parte das aplicações práticas é constante.
Expansão Volumétrica
Todas as Três dimensões de um sólido expandem com a temperatura, logo o volume também. 
O termo é conhecido como coeficiente de dilatação volumétrica
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(18 – 9)
Temperatura e Calor
Sistema e vizinhança
Se a temperatura Ts > TE vizinhança(ambiente) então a energia é transferida do sistema para vizinhança. Esta energia é chamada de calor (símbolo Q). Neste caso o calor é definido como negativo. Se Ts = TE não existe transferência de calor. Se Ts < TE o calor é transferido da vizinhança para o sistema. Neste caso Q > 0.
O calor é a energia transferida entre o sistema e a vizinhança devido a diferença de temperatura existente entre os dois.
Unidade (SI): Joule
Unidade (não SI): caloria (cal)
1 cal= 4,1868J
 
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(18 – 10)
Capacidade térmica
Se um objeto tem temperatura inicial Ti e absorve uma quantidade de calor Q ocorre um aumento da temperatura de acordo com a equação:
A constante de proporcionalidade é conhecida como Capacidade Térmica. 
Calor Especifico
A Capacidade Térmica C de um objeto é proporcional a massa m.
A equação acima pode ser reescrita como:
A constante c é chamada de calor específico e depende do material que o objeto é feito.
Calor Específico Molar
Se nós medirmos a capacidade térmica que corresponde a um mol de uma substância, isso é chamado de calor específico molar. È um parâmetro conveniente porque 1 mol de qualquer substância contém o mesmo número de átomos ou moléculas (6,02 X 1023)
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(18 – 11)
Calor de Transformação
Estados: sólido, líquido e gasoso
No estado sólido os átomos estão presos em uma estrutura rígida. Na fase líquida o objeto não tem uma estrutura rígida mas a forma do recipiente. Quando o estado de um objeto de massa m muda, o objeto pode absorver ou liberar uma quantidade de Calor sem alteração na temperatura.
O calor é dado por. Q = Lm. A constante L é chamada de calor de transformação. Se o objeto muda da fase líquida para a fase gasosa o calor de transformação LV é conhecido como calor de vaporização. Se o objeto muda de sólido para o líquido o calor de transformação LF é conhecido como calor de fusão.
Um objeto absorve calor para ir da fase sólida para a fase líquida ou da fase líquida para a fase gasosa.
Um objeto libera calor para ir da fase líquida para a fase sólida ou da fase gasosa para a fase líquida 
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(18 – 12)
Um olhar de perto
Considere uma quantidade de calor contida num cilindro.
O gás pode absorver ou liberar calor para ou proveniente de um 
reservatório térmico na parte inferior do cilindro. A pressão no gás é definida pela quantidade de massa sobre o pistão de área A. O trabalho é feito pelo ou sobre o gás pela remoção ou adição de massa sobre o pistão. Por exemplo se a massa é removida o pistão se moverá para cima por uma distância ds, o gás realiza trabalho
Processo Termodinâmico
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(18 – 13)
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(18 – 14)
A primeira lei da termodinâmica
Ambos e dependem da natureza do processo
 A quantidade é independente do processo e depende 
somente dos estados inicial e final do sistema. 
A quantidade representa a mudança na energia interna
do sistema.
A equação acima é conhecida como primeira lei da termodinâmica
Na forma diferencial:
A energia interna Eint de um sistema tende a aumentar se a energia é adicionada como 
calor e tende a diminuir se a energia é gasta como trabalho feito pelo sistema.
A primeira lei é uma afirmação da conservação de energia 
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(18 – 15)
Alguns casos especiais da primeira lei da termodinâmica
1. Processo Adiabático. Neste processo o sistema é bem isolado
e o processo ocorre tão rápido que nenhum calor é trocado com 
a vizinhança 
A primeira lei fica da forma:
Se o trabalho é feito pelo sistema a energia decresce
pela mesma quantidade 
2. Processo a volume constante. O volumedo gás é mantido constante. Logo e a a primeira lei toma a forma: 
Se o calor é absorvido pelo gás a energia interna aumenta da mesma quantidade
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(18 – 16)
3. Processo Cíclico
4. Expansão Livre
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(18 – 17)
Mecanismos de transferência de calor
Existem três mecanismos de transferência de calor de 
um objeto para um outro. Eles são: 
condução, convecção e radiação.
Condução
Considere uma fatia de área A e espessura L, sanduichado entre um reservatório de tem
peratura e , respectivamente. A experiência mostra que o calor flui do 
reservatório quente para o reservatório frio através do material a uma taxa:
A constante k é conhecido como condutividade térmica e depende do material o qual 
a fatia é feita 
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	A condução de calor só pode acontecer através de um meio material, sem que haja movimento do próprio meio. Ocorre tanto em fluidos quanto em meios sólidos sob o efeito de diferenças de temperatura.
	Quando colocamos uma panela com água no fogo, ele começa a aquecer a água. Esse processo inicial de aquecimento se dá por condução de calor, e a parte na superfície da água vai sendo aquecida paulatinamente. No entanto a taxa de aquecimento da água no fundo da panela é maior do que a taxa de aquecimento da água na superfície. A água entre o fundo e a superfície não dá conta da condução do calor que é comunicado através do fogo. Começam a se formar no fundo bolsões de água mais quentes que a vizinhança, e esses bolsões começam a subir para a superfície. Nesse instante a convecção passa a ser o processo principal de condução de calor na panela. E isso acontece por causa da incapacidade da água conduzir calor de maneira adequada nesta panela sobre o fogo.
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Condução
Consideremos dois reservatórios térmicos que estão a temperaturas diferentes TQ e TF, tais que TQ > TF . Estes dois reservatórios serão conectados por uma placa de área transversal A e comprimento L , conforme mostra a figura abaixo. Vamos supor que a placa está isolada das vizinhanças, de modo que através dela passa apenas o fluxo de calor entre os reservatórios. Intuitivamente pode-se perceber que a taxa de transferência de calor dQ/dt que flui através da placa é proporcional à sua área e a diferença de temperatura entre os reservatórios de calor, e inversamente proporcional ao seu comprimento. Ou seja:
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(18 – 18)
Convecção
Quando o fluido entra em contato com um objeto cuja temperatura é maior que a do fluido, a temperatura do fluido aumenta o mesmo expande se tornando menos denso. 
Radiação
Esta troca de calor ocorre pela emissão ou absorção de radiação eletromagnética.
Taxa a qual um objeto de área A de temperatura T emite radiação:
 onde
 (constante de Stefan- Boltzman)
Radiação de corpo negro (emissividade) 
Taxa a qual um objeto de área A de temperatura Tenv absorve radiação:
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Ex 1
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Ex 3
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Ex 4
prova
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Ex 5
h0
prova
CAIU
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Ex 6
prova
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Ex 7
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Ex 8
Faltou um sinal de menos
prova
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Ex 9
prova
CAIU
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Ex 10
prova
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Ex 11
prova
CAIU
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errado o certo W13
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Ex 12
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Ex 13
prova
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Ex 14
Ex 15
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Ex 15
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Ex 16
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Ex 17
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Ex 18
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Ex 19
Área da face
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Ex 20
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Ex 23
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Ex 24
Ex 25
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Ex 27
Ex 26
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Ex 28
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Ex 29
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Ex 30
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Ex 31
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Ex 32
prova
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Ex 33
prova
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Ex 34
prova
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Ex 35
prova
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Ex 36
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