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1 Temperatura,Dilatação Térmica, Termodinâmica 2 Térmica, Termodinâmica Tópicos Termometria e Dilatação Térmica. Calorimetria. Termodinâmica. Teoria Cinética dos Gases. 3 Teoria Cinética dos Gases. Definições • Sistema: objeto ou conjunto de objetos com uma fronteira definida (pode ser aberta ou fechada). • Vizinhança: Tudo que estiver fora do sistema. • Estado: A condição de um sistema definido por um conjunto de variáveis associadas a ele. 4 conjunto de variáveis associadas a ele. • Variáveis Microscópicas : Variáveis que descrevem o sistema ao nível dos átomos e moléculas. • Variáveis Macroscópicas: Variáveis que descrevem o sistema em termos de elementos que podem ser detectados por nossos sentidos. Definições • Termodinâmica: Seu campo de estudos e construído pela descrição dos sistemas em termos das quantidades macroscópicas, por exemplo a pressão, a temperatura, o volume,… 5 • O número de variáveis depende do tipo de sistema. • Variáveis de Estado: Quantidades que podem ser usadas para descrever o estado de um sistema. Teoria Atômica • A idéia do átomo pode ser vista nos trabalhos do filósofo grego Democritus • Outros nomes importantes: Rene Descartes (1596 – 1650) 6 Rene Descartes (1596 – 1650) James Dalton (1766 – 1814) Robert Brown (1773 – 1858) Albert Einstein (1879 – 1955) Unidade de massa unificada (u) • Baseada nos atributos do átomo de carbono C, o valor exato 12.000… unidades unificadas de massa. • 1 u = 1,66 x 10-27 kg. • A massa atômica do hidrogênio é então = 1,0078 u. 7 • A massa atômica do hidrogênio é então = 1,0078 u. Carbono XZ A Onde A = número toal de partículas do núcleo (prótons + nêutrons); Z é o número atômico = número de prótons (e elétrons em um átomo neutro); N = A – Z é o número de nêutrons. 8 C 6 12 N = A – Z é o número de nêutrons. Para o carbono 12, 1 u = 12,por definição. Carbono mp = 1,6726 x 10-27 kg mn = 1,6749 x 10-27 kg me = 9,1094 x 10-30 kg 6 x mp = 1,6726 x 10-27 kg = 1,00356 x 10-26 kg 6 x m = 1,6749 x 10-27 kg = 1,00494 x 10-26 kg 9 6 x mn = 1,6749 x 10-27 kg = 1,00494 x 10-26 kg 6 x me = 9,1094 x 10-30 kg = 5,46564 x 10-30 kg 2,00855 x 10-26 kg 12 x 1 u = 12 x 1,6605 x 10-27 kg = 1,9926 x 10-26 kg; D = 0,01595 x 10-26 kg que é a energia de ligação do núcleo. Energia de Ligação Massa da Energia de ligação =0,01595 x 10-26 kg E = mc2 E = (0,01595 x 10-26 kg)(3,0 x 108 m/s)2 = 4,785 x 10-20 kg m2/s2 (J). 10 = 4,785 x 10-20 kg m2/s2 (J) O núcleo tem a energia mais baixa do que a energia resultante da soma de cada uma das partes. É daí que surge a explicação para a energia liberada em reações como a fissão nuclear. Ela é usada nas usinas nucleares e nas bombas atômicas. . Movimento Browniano • Nome dado em homenagem ao biólogo Robert Brown. • Descoberto em 1827. • Ao olhar através de seu microscópio, ele verificou 11 • Ao olhar através de seu microscópio, ele verificou que pequenos grãos de pólen, em suspensão na água, parecem saltar ao redor em um trajeto em zigzag mesmo na água imóvel . • Primeiras evidências para a existência do átomo. 12 13 Albert Einstein • Seu artigo de 1905 coloca o movimento Browniano como o marco da teória física que tem como base a suposição de que os átomos existem realmente. • Enquanto que anteriromente considerava os átomos meramente como uma conveniência para estabelecer os cálculosconveniência para estabelecer os cálculos • teóricos necessários. • Einstein calculou o tamanho aproximado e a massa dos átomos e moléculas baseando-se em dados experimentais. • Tamanho 10-10 m. • (1 Angstrom (A) = 10-10 m) 14 o O grande e o pequeno • 10 milhões de anos-luz (1023m) de distância da Via Láctea. 15 • 1 milhão de anos-luz (1022m) Torna-se visível o espiral. • 100.000 anos-luz (1021m). Nossa galáxia mal pode ser vista! 16 • 10.000 anos-luz (1020m). Aparecem estrelas de nossa galáxia. • 1.000 anos-luz (1019m) As estrelas, dez vezes mais perto. 17 • 100 anos-luz (1018m). Nada além de estrelas. • 10 anos-luz (1017m). Ainda apenas estrelas. 18 • 1 ano-luz (1016m). O Sol aparece bem pequeno. • 1 trilhão de quilômetros (1015m). O Sol um pouco maior. 19 • 100 bilhões de quilômetros (1014m). O Sistema Solar começa a aparecer. • 10 bilhões de quilômetros (1013m). Nosso Sistema Solar mais definido. 20 • 1 bilhão de quilômetros (1012m). Órbitas de: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte e Júpiter. • 100 milhões de quilômetros (1011m) Órbitas de: Vênus, Terra e Marte. 21 • 10 milhões de quilômetros (1010m). Parte da órbita da Terra. • 1 milhão de quilômetros (109m). Pode ser vista a órbita da Lua. 22 • 100.000 quilômetros (108m) A Terra ainda pequena. • 10.000 quilômetros (107m). O Hemisfério Norte da Terra. 23 • 1.000 Km (106m). Foto característica de satélite (estado da Flórida USA). • 100 Km (105m) da superfície. Cidade de Tallahassee na Flórida USA, um pouco mais próximo... 24 • 10 Km (104m). Os quarteirões mal são vistos. • 1 Km (103m). É possível a prática de pára-quedismo. 25 • 100 metros (102m). Vista típica de helicóptero. • 10 metros (101m). Vista típica de edifício. 26 • 1 metro (100m). Quando olhamos algo com o braço esticado... • 10 centímetros (10-1m). Pode-se tocar nas folhas. 27 • 1 centímetro (10-2m). É possível sentir o cheiro da folha. • 1 milímetro (10-3m). Os vasos da folha aparecem. 28 • 100 micra (10-4m). As células praticamente estão definidas. • 10 micra (10-5m). As células aparecem. 29 • 1 micron (10-6m). O núcleo da célula já fica visível. • 1.000 angstrons (10-7m). Os cromossomas aparecem. 30 • 100 angstrons (10-8m). A cadeia de DNA pode ser visualizada. • 1 nanômetro (10-9m). Os blocos cromossômicos. 31 • 1 angstron (10-10m). Nuvens de elétrons do átomo de carbono. Tudo em nosso mundo é feito disso... • 10 picômetros (10-11m). Elétron no campo do átomo. 32 • 1 picômetro (10-12m) Espaço vazio entre o núcleo e as órbitas de elétrons. • 100 fermis (10-13m). O núcleo ainda pequeno. 33 • 10 fermis (10-14m). O Núcleo de um átomo de Carbono. • 1 fermi (10-15m). Face a face com um um Próton. 34 • 100 atômetros (10-16m) Examinando-se as partículas ‘quark’. As Fases da Matéria • Sólido • Líquido • Gasoso 35 • Gasoso Ligações Moleculares • As Ligações moleculares são as causas da organização das moléculas em partículas do estado sólido. • Forças de ligação são elétricas (governadas pelos elétrons circulando em tôrno do núcleo de cada átomo). • Quando os átomos estão muito próximos um do outro, a força elétrica repulsiva é quem prevalece. 36 • Tipos principais de ligação: Iônica Covalente Metálica Sólidos 37 Características dos sólidos • Sólido qualquer Mantem a forma e a dimensões definida mesmo que sujeito a forças aplicadas. Forças atrativas tão fortes que os átomos tendem a permanecer mais ou menos em posições fixas—elas costumam vibrar apesar da posição fixa. Quando o calor é fornecido a vibração aumenta. 38 fornecido a vibração aumenta. • Cristal Arranjo periódico regular dos átomos. Ordenação de grande extensão. Amorfos Arranjo periódico não regular dos átomos. Ordenação de pequena extensão. Estruturas básicas de cristais 39 Líquidos 40 Características dos Líquidos • Ordenação de pequena extensão.• Incompressibilidade. • Volume definido. • Forma indefinida. 41 • Forma indefinida. Gás 42 Características dos Gases • Sem ordenação de pequena ou de grande extensão. • Transparência • Baixa resistência ao escoamento. • Grande expansão quando sujeito a aquecimento e 43 • Grande expansão quando sujeito a aquecimento e contração quando sujeito a aumento de pressão. Vapores • Moléculas de um líquido que possuem grande distribuição de energia. • Qualquer gás condensável é chamado de VAPOR. 44 Temperatura • A Temperatura é uma das variáveis de estado mais importantes da termodinâmica. • Muitas propriedades da matéria costumam variar com as mudanças de termperatura. • Por exemplo, muitos materiais expandem quando aquecidos. 45 • Por exemplo, muitos materiais expandem quando aquecidos. • A água é um caso à parte. Ela expande quando resfriadas entre 0o e 4o Celsius. Isto explica o motivo para os canos se partirem no frio do inverno e o motivo da flutuação do gelo. • Temperatura é uma forma de medir a energia térmica. • GRANDEZA FÍSICA CRIADA COM O PROPÓSITO DE QUANTIFICAR O GRAU DE AGITAÇÃO MOLECULAR DE UM MATERIAL. TERMOSCÓPIO DE GALILEU 46 TERMÔMETRO 47 TIPOS DE TERMÔMETROS 48 49 50 51 Escalas deTemperatura • Celsius (C) • Fahrenheit (F) • Kelvin (absoluta) • As mais usadas são a Celsius e a Kelvin. 52 • As mais usadas são a Celsius e a Kelvin. 53 AS RELAÇÕES ENTRE AS ESCALAS 5 273 9 32 5 KFC 54 595 ENERGIA INTERNA • Energia interna é a soma das energias cinéticas das moléculas de um corpo. A energia térmica de um corpo depende da sua temperatura e da sua massa. 55 Equilíbrio Térmico e a Lei Zero da Termodinâmica • Se dois objetos em diferentes temperaturas são postos em contato térmico um com o outro, os dois objetos irão alcançar a mesma temperatura. • Dizemos então que eles estão em Equilíbrio 56 • Dizemos então que eles estão em Equilíbrio Térmico. • A lei Zero da Termodinâmica: Se dois objetos estiverem em equilibrio térmico com um terceiro, então eles estarão em equilíbrio térmico entre sí. Dilatação térmica Dilatação Linear DL = aL DT 57 DL = aLoDT onde a é o coeficiente de dilatação linear do material. Sua unidade é (oC)-1. Esta equação foi definida empiricamente. 58 59 Dilatação térmica superficial 60 61 Observação Orifícios expandem ou contraem? Na hipótese de existir um orifício circular em uma chapa de metal.Quando o metal é aquecido o orifício tende a aumentar ou diminuir? 62 tende a aumentar ou diminuir? 63 • Quando se aquece uma chapa com um orifício, ela se dilata como se fosse inteiriça, ou seja, o orifício se dilata como se fosse constituído do mesmo material da chapa. 64 Dilatação Térmica Expansão Volumétrica TVV ..0 65 Onde é o coeficiente de dilatação volumétrica. Note: A unidade é o (Co)-1. .3 66 O comportamento anômalo da Água • Algumas substâncias expandem mais ou menos uniformemente com o aumento da temperatura. • A água, entretanto, não segue o padrão usual. • Ao aquecermos a água de 0oC até 4oC, sua densidade 67 • Ao aquecermos a água de 0 C até 4 C, sua densidade aumenta(deveria diminuir). • Em outros níveis de temperatura seu comportamento é normal. 68
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