ProcessoaTérmicos - Física II (UFCG)

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Expansão Térmica
Exceção da água a 4 C
Equação de Van der Waals
Diagramas de fase
Transferência de energia térmica
Processos Térmicos
Topicos:
Pergunta:
Esta imagem mostra a energia que o elefante radia. Qual a importância desta energia radiada no balanço energético?
Fases da Matéria
Sistema
Calor 
O que acontece com os materiais quando adicionamos calor ?
Temperatura aumenta
?
?
Q 
Resposta
Temperatura aumenta: Quando a temperatura de um corpo se eleva, é comum que este corpo se expanda (cuidado com as exceções!). 
Sistema
Calor 
Q 
Gêlo derrete,
Àgua vaporiza
Gélo sêco sublima … etc.
Mudança de fase
Um gás pode se expandir com ou sem mudança de temperatura
Expansão isotérmica
Calor e átomos
Calor faz os átomos vibrarem.
Vibrando em sincronia muitas vezes em uma configuração de baixa energia (preferencial).
I tell my students to try to know molecules, so well that when they have some
question involving molecules, they can ask themselves: What would I do if I were
that molecule? George Wald, The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1967
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Expansão Térmica
Relação entre :
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Situação 1 - os dois átomos estão afastados um do outro. Ainda não há atração entre eles. Nesta situação considera-se que a energia potencial total da molécula é 0; 
Situação 2 - a esta distância internuclear, há atração entre os dois átomos, levando a que a energia total dos dois átomos diminua relativamente à situação 1; 
Situação 3 - neste ponto considera-se que está estabelecida a ligação covalente. As atrações são mais fortes que as repulsões (ver Figura ao lado). A energia potencial da molécula atinge o seu ponto mais baixo. 
Situação 4 - se os átomos se aproximarem ainda mais, as repulsões entre os núcleos começam a ser maiores que as atrações elétrons-núcleos, aumentando a instabilidade da molécula e a sua energia potencial.
• Temperatura de fusão, Tm
Tm é maior se Eo é maior.
PROPRIEDADES DE LIGAÇÃO : TM
• Coeficiente de expansão térmica, a
• a ~ simétrico em ro
 é maior se Eo é menor
e muito assimétrico.
PROPRIEDADES DE LIGAÇÃO
T0
T2
T3
Posições atômicas e vibrações
No mínimo de energia atômica temos amenor separação interatômica (deniminado de comprimento de ligação).
A largura da curva é proporcional à amplitude das vibrações térmicas de um átomo.
Se a curva é simétrica, não há nenhuma mudança na posição média do átomo (o centro das vibrações térmicas) em qualquer T).
O coeficiente de expansão térmica é desprezível para poços de energia simétricas.
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Expansão térmica
Se a curva não é simétrica, a posição média, em que o átomo oscila muda com a temperatura.
Comprimentos de ligação, portanto, mudam (geralmente ficam maiores para o aumento T). 
Coeficiente de expansão térmica é diferente de zero.
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Por que um geralmente a diminue com o aumento da energia de ligação?
Selected values from Table 19.1, Callister 6e.
EXPANSÃO TÉRMICA: COMPARAÇÃO
Incompatibilidade de expansão térmica é um grande problema para o design de tudo, desde semicondutores a pontes.
Particularmente um problema em aplicações onde a temperatura muda muito (motores esp.).
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Expansão térmica :Negativa / pequenA
Invar (Ni-Fe, liga à base de níquel e ferro) é o material de menor coeficiente de expansão térmica: α = 1.6 * 10-6 / grau. O material é utilizado para inúmeras aplicações onde seja necessário que a dilatação por variação de temperatura seja quase nula. Tais como: trenas para topografia e outros instrumentos de medidas, relógios mecânicos de precisão, máscaras perfuradas de tubos de TV, etc. Também encontra aplicação na fabricação de lâminas bimetálicas para uso em termostatos eletromecânicos
Alguns materiais têm α <0 em uma dimensão e> 0 nas outros.
É possível, embora não intuitiva, para que materiais têm uma expansão térmica negativa em todas as dimensões.
Um aumento da temperatura faz com que o cristal a encolha.
ZrW2O8 e HfW2O8 (isoestruturas): se contraem de forma contínua e linear entre 2 e 1050K
Alguns compositos permitem componentes de expansão térmica zero (excelente para óptica, peças de motor, etc.)
http://www.dur.ac.uk/john.evans/webpages/research_nteintro.html
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Exceção da água a 4 C
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A maior parte da substancias se expande ao ser aquecida. A água é uma exceção importante. A Figura abaixo mostra o volume ocupado por 1 g de água em função da temperatura. Volume de 1 g de água, na pressão atmosférica, em função da temperatura. O valor mínimo do volume corresponde ao máximo de densidade que ocorre a 4 C.
Esta propriedade tem conseqüências importantes na ecologia dos lagos em países com inverno rigoroso (onde há congelamento dos lagos). Em temperaturas mais elevadas do que 4 C, a água do lago, ao se resfriar, torna-se mais densa, e afunda. Porém, se a água se resfria abaixo de 4 C, torna-se menos densa e tende a flutuar. Por este motivo, o gelo se forma primeiramente na superfície do lago e, sendo menos denso do que a água flutua na superfície e atua como um isolante térmico para água que fica em baixo. 
A equação de Van der Waals (desvio do comportamento ideal)
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Johannes Van der Waals (1837-1923) desenvolveu uma equação que representava melhor o comportamento dos gases nestas situações. Esta equação leva em conta a atração molecular e o volume das moléculas.
Em altas pressões, o que implica em alta densidade, a distancia entre as moléculas tornam-se mais curtas, e conseqüentemente, as forças de atração entre as moléculas tornam-se mais significantes. Moléculas vizinhas exercem uma sobre as outras uma força de atração, isto reduz o momento transferido pelo gás às paredes do recipiente que o 
A pressão observada é menor do que a determinada pela equação dos gases ideais. A correção é feita levando em consideração a atração molecular, para que esta atração seja um fator importante devemos ter uma colisão no caso de duas moléculas. A probabilidade de haver uma colisão é a probabilidade de duas moléculas estarem no mesmo lugar no mesmo tempo. A probabilidade de a primeira molécula estar no mesmo lugar da colisão é proporcional a densidade numérica:
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Como a pressão e a densidade aumentam, o volume das moléculas torna-se significante em relação ao volume do recipiente, ou seja, o volume ideal é menor .
Onde b é a constante de proporcionalidade do volume das moléculas de um gás.
A equação dos gases ideais com as duas correções é a equação de Van der Waals:
equilíbrio de fase/pressão de vapor
Se o líquido é colocado em um recipiente fechado, com um vácuo acima, algumas das moléculas do líquido evaporam-se, em especial as com maior energia.
Com muitas moléculas de “vapor", alguns irão começar a voltar para o líquido.
O equilíbrio é atingido quando os números de moléculas que evaporam é igual ao número das que retornam ao líquído.
Equilíbrio
Pressão de vapor de equilíbrio
dependente da temperatura
Why does the vapor pressure depend (positively) on the temperature? Answer: A higher temperature requires a greater pressure for the numbers of molecules leaving and returning to the liquid to be equal. Maxwell speed distribution indicates more higher-energy molecules at higher temperatures.
Diagrama geral de fase
Nas curvas de limite de fase, as fases vizinhas coexistem em equilíbrio.
Todas as três fases podem coexistir em equilíbrio.
Ponto Triplo
Densidades de líquido e gás tornam-se iguais às do ponto crítico.
Dióxido de Carbono
Em temperaturas inferiores a 78 °C negativos, o dióxido de carbono passa do estado gasoso para o estado sólido, o que recebe o nome de gelo-seco. Esse nome se deve ao fato de o gelo-seco não se tornar líquido, mas sim sublimar-se, passando diretamente da fase gasosa para a sólida. 
5,1 atm
216,55 K
O CO2 é utilizado em bebidas (bebidas carbonatadas) para dar-lhes efervescência.
É utilizado em extintores durante os incêndios para isolar o oxigénio do combustível.
É utilizado
em cilindros para a prática de Paintball.
É Utilizado em aquariofilia na regulação do PH da água.
Pode ser utilizado numa concentração de 30 a 40% com gás oxigênio para produzir efeito anestésico em pequenos animais.
A libertação de dióxido de carbono vinda da queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso da terra (desmatamentos e queimadas, principalmente) impostas pelo homem constituem importantes alterações nos estoques naturais de carbono e tem um papel fundamental na mudança do clima do planeta.
diagrama de fase simplificado para água
Gelo, quando comprimido, se transforma em água!
A água é mais densa do que o gelo
Gelo flutua na água!
Não há equilíbrio entre gelo e vapor, pois a pressão atmosférica é mais elevada do que a pressão de vapor no ponto triplo.
Um líquido num recipiente fechado irá entrar em equilíbrio com o seu vapor. No entanto, um líquido exposto a atmosfera, mantém o seu vapor escapando e continuará a "evaporar-se" sem atingir o equilíbrio com o gás circundante.
Moléculas de maior energia escapam do líquido, “roubando” energia térmica do líquido.
Evaporação expontânea
Transferência de calor
Transferência de calor
Mecanismos de Transferência de Calor
Diariamente todos os mecanismos de transferência de calor estão presentes em nosso ambiente ...
1. Condução térmica É a propagação de calor em que a energia térmica passa de partícula para partícula, sem transporte de matéria. Ocorre principalmente nos metais (condutores térmicos).
São exemplos de isolantes térmicos: água, gelo, ar, lã, isopor, vidro, borracha, madeira, serragem, etc.
Aplicações de isolantes térmicos:
Exemplo1: Os iglus, embora feitos de 
gelo, impedem a condução de calor para 
o meio externo. Elevando, assim sua 
temperatura interna.
Condução
Resistência Térmica
Resistências térmicas em série
Somando as duas equações obtemos:
 Req a resistência equivalente. Desta forma, se as resistências térmicas estiverem em série, a resistência equivalente é igual à soma das resistências 
Resistências em Paralelo
Itotal
I2
I1
Convecção
O calor é transferido pelo transporte direto de massa, ou seja, é o transporte de energia térmica pela movimentação do próprio meio. 
A convecção é responsável pelas grandes correntes oceânicas e também pela circulação geral da atmosfera. 
O caso mais simples é quando um fluido (gás ou líquido) é aquecido na parte inferior. A parte do fluido com temperatura maior se expande e eleva-se. O fluido de temperatura menor desce para parte inferior. 
A descrição matemática da convecção é bastante complexa, pois o fluxo depende da diferença de temperatura entre as diversas parte, e esta diferença é influenciada pelo movimento do fluido.
Brisa litorânea: De dia, o ar junto à areia se aquece e, por ser menos denso, sobe e é substituído pelo ar frio que estava sobre a água. Assim, forma-se a brisa que sobra do mar para a terra, a brisa marítima.
À noite, o ar junto à água, agora mais aquecido, sobe e é substituído pelo ar frio que estava sobre a areia. Assim, forma-se a brisa que sopra da terra para o mar, a brisa terrestre.
Radiação
A radiação é transmissão de energia através de ondas eletromagnéticas que se movem com a velocidade da luz. A radiação térmica, as ondas de luz, as ondas de rádio, os raios x, são todos formas de radiação eletromagnética que se diferenciam pelos respectivos comprimentos de onda e freqüências no espectro eletromagnético. Todos os corpos emitem e absorvem radiação eletromagnética. Quando um corpo está em equilíbrio térmico com as suas vizinhanças, emite e absorve taxas iguais de energia
Z
X
Y
 Lei de Stefan-Boltzmann
Josef Stefan
(1835-1893)
Potência absorvida
Potência líquida irradiada
Potência irradiada
constante universal de Boltzmann
A é área superficial do corpo
e é a emissividade, parâmetro que depende da superfície do corpo e tem um valor entre 0 e 1.
Catástrofe do ultravioleta
A catástrofe do ultravioleta, também chamada catástrofe de Rayleigh-Jeans, é uma falha da teoria clássica do electromagnetismo para explicar a emissão electromagnética de um corpo em equilíbrio térmico com o ambiente, ou um corpo negro. Foi uma previsão da física classica do final do século 19 e começo do século 20, que um corpo negro ideal no equílibrio térmico emite radiação com energia infinita.
Quando se calcula a quantidade total de energia emitida de acordo com a teoria clássica, observa-se que para comprimentos de onda maiores a teoria clássica concorda com a observação experimental, mas para comprimentos de ondas menores a intensidade da radiação emitida tende para o infinito, que não concorda com os experimentos. A solução para este problema levou ao desenvolvimento das primeiras formas de física quântica.
Rayleigh 1842-1919
Jeans 1877-1946
Modelo de corpo negro
Denominamos de corpo negro um corpo que absorve toda a radiação incidente sobre ele, ou seja, tem emissividade igual a 1. Um corpo negro também é um radiador ideal.
Wien 1864-1928
Lei de Wien