aula 10 termologia e termodin+ómica

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO PARÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E TECNOLÓGICO
CURSO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
CAMPUS MARABÁ
FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL I
Profº André Scheidegger Laia
• TEMPERATURA, CALOR E 1ª, 2ª E 3ª
LEI DA TERMODINÂMICA 
• Termologia
• Calor
• Equilíbrio térmico
• Escalas termométricas
• Dilatação
• Termodinâmica
• Conceitos fundamentais
• Lei zero, 1ª e 2ª lei 
• Relações entre trabalho e energia
interna
• Máquinas térmicas 
DILATAÇÃO TÉRMICA
• Definição
• Em Física, dilatação térmica é o nome
que se dá ao crescimento das dimensões
de um corpo, ocasionado pelo aumento de
sua temperatura.
Dilatação térmica
 Aumento de Temperatura → aumento da
separação média entre átomos do sólido
(dilata).
Com a variação na temperatura
de um sólido, as partículas que
o constituem vibram, menos ou
mais, em torno de sua posição
de equilíbrio.
Fenômenos Cotidianos
Os fios de telefone ou luz, expostos
ao Sol, variam suas temperaturas,
fazendo com que o fio se estenda
de um comprimento inicial (Lo)
para um comprimento final (L),
aumentando assim sua curvatura.
Imagem: Hugh Venables / 
Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic.
Fenômenos Cotidianos
• Quando tentamos abrir
um pote de azeitona,
cogumelos ou palmito
e parece que a tampa
esta colada no fraco.
Fenômenos Cotidianos
• Quando pegamos uma vasilha de vidro ou
cerâmica aquecidos e colocamos encima de
uma superfície molhada.
• Em todos esses casos esta evidente a
contração e expansão da matéria, fenômeno
associado também ao grau de agitação das
moléculas e a distancia média ocupada pelas
moléculas destes materiais.
Dilatação Linear
• A dilatação linear consiste em um aumento em
apenas uma dimensão, onde um fio metálico de
coeficiente de dilatação linear  e comprimento
Lo aumenta ou diminui para um comprimento L
devido a uma variação de temperatura T
provocando uma dilatação L .
Dilatação linear dos sólidos
A variação no comprimento de uma barra L,
submetida a uma variação de temperatura t, é:
1 Dilatação linear dos sólidos
Coeficiente de dilatação linear de 
alguns materiais
Material A (10-6°C-1)
Chumbo 29
Zinco 26
Alumínio 23
Prata 19
Cobre 17
Ouro 15
Concreto 12
Aço 11
Vidro comum 9
Granito 8
Porcelana 3
Diamante 0,9
Expressão geral da dilatação (ou contração) linear de 
um sólido:
Dilatação linear dos 
sólidos (tecnologia)
1 Dilatação linear dos sólidos
Dilatação linear dos sólidos (cuidados)
Dilatação Superficial
• A dilatação superficial ocorre em um corpo de
coeficiente de dilatação superficial β, quando duas
dimensões tem tamanhos consideráveis (área Ao) e
esta sujeita a uma variação de temperatura T
provocando uma dilatação superficial A.
Dilatação Superficial
Variação da área da superfície de um corpo em função 
da variação da temperatura:
Coeficiente de dilatação superficial b:
Dilatação Superficial
Expressão geral da dilatação (ou contração) 
superficial de um sólido:
Dilatação Superficial (Tecnologias)
• Quando o dente fica cariado é colocado uma
resina dentaria (obturação), esta resina deve ter
um coeficiente de dilatação igual ao do dente ou
ela pode causar desconfortos ou até cair pelo fato
de sofrer constantes variações de temperatura
durante a alimentação.
Dilatação Superficial (Tecnologias)
• Em construções o uso de rejunte é fundamental
pois toda superfície esta sujeita a dilatação. Ao
aquecer a cerâmica também dilata e para que
esse acréscimo de área não provoque danos as
peças é utilizado uma pasta emborrachada que se
deforma sem danificar.
Dilatação Superficial (cuidados)
O espelho de um telescópio como o Keck, no Havaí,
apresenta espaços entre os espelhos que o compõem,
para prevenir dos efeitos da dilatação térmica.
E o que acontece com os espaços 
vazios?
O
V
ID
IU
 IO
R
D
A
C
H
I/
SH
U
TT
ER
ST
O
C
K
P
H
O
TO
V
IB
ES
/
SH
U
TT
ER
ST
O
C
K
D
M
IT
R
Y
 K
R
A
M
A
R
/
SH
U
TT
ER
ST
O
C
K
TH
O
R
ST
EN
 S
C
H
U
H
/
SH
U
TT
ER
ST
O
C
K
Dilatação Volumétrica
A variação no volume é proporcional à variação de temperatura
(t) e ao volume inicial (V0) do corpo:
A constante de proporcionalidade é o coeficiente de dilatação
volumétrica:
Volume final do corpo que sofreu a dilatação:
Dilatação volumétrica dos sólidos como produto
de dilatações lineares de três dimensões
Dilatação Volumétrica (aplicações)
A dilatação térmica de materiais é um fenômeno que auxilia na 
construção de peças e componentes industriais.
Dilatação dos Líquidos
Os líquidos, assim como os sólidos,
sofrem dilatações ao serem
aquecidos. Uma vez que não têm
forma própria, fato este devido à
gravidade, adquirem a forma do
recipiente . Se o líquido estivesse
livre da atração gravitacional (no
espaço, por exemplo) obteria a
forma de uma esfera, pois nessa
geometria há a menor área de
superfície para um determinado
volume.
A gota, uma pequena porção de água,
costuma obter formato esférico
Dilatação de líquidos
Ao se ver o conjunto recipiente +
líquido ser aquecido, tem-se a
sensação de que apenas o líquido
teve seu volume aumentado. Mas,
na verdade, ambos os corpos, em
diferentes estados físicos, sofrem
dilatação. Como o líquido tem mais
facilidade de absorver calor, sofre
uma maior variação de volume do
que o recipiente sólido. O que se
observa é a dilatação aparente
(ΔVaparente) do líquido.
Para saber sua dilatação real (ΔVlíquido), precisa-se adicionar a
dilatação do recipiente (ΔVrecipiente), e para isso, deve-se
conhecer os coeficientes de dilatação volumétrica do líquido e
do recipiente. A dilatação real do líquido é, portanto, a
dilatação aparente, somada à dilatação do recipiente.
ΔVlíquido = ΔVaparente + ΔVrecipiente
TERMODINÂMICA
• Termodinâmica
• Termo Calor
• Dinâmica movimento 
• Movimento ou transferência de calor de um corpo com maior
temperatura para um corpo de menor temperatura.
Fonte: http://conhecimentosgerais-algosobre.blogspot.com.br/transferencia-de-calor-e-equilibrio.
Introdução Geral aos fundamentos de 
Termodinâmica
• É energia térmica em trânsito de um corpo para o outro ou de uma
parte para outra de um mesmo corpo, trânsito este provocado por
uma diferença de temperatura.
Fonte: http://crv.educacao.mg.gov.br/sistema
Obs: A unidade padrão de calor é a caloria que corresponde a 
4,18 J
• Mas até quando ocorre essa transferência de 
energia?
O que é Calor?
• É quando todos os átomos e moléculas
possuem um mesmo grau de agitação.
Equilíbrio térmico
• Esta lei estabelece que dois corpos estarão em
equilíbrio térmico quando não houver fluxo de
calor entre os mesmos ao serem colocados em
contato.
Fonte: http://www.brasilescola.com/quimica/equilibrio-termico.htm
Lei Zero da Termodinâmica
• Retomando...
• Termodinâmica
• Calor
• Temperatura
• Equilíbrio térmico
• Lei Zero da Termodinâmica
Podemos passar adiante...
Síntese
• No século XIX Thompson percebeu que existia uma relação
entre trabalho e energia. Para isso podemos analisar a
situação abaixo:
Fonte: http://casadachris.uol.com.br/imprime_faca.php?id=17
Conclusão: Trabalho pode ser transformado em energia!
Relação entre Trabalho e Energia 
Térmica 
• James Joule tendo conhecimento dos estudos de Thompson
realizou um experimento onde procurou tirar proveito da agitação
térmica de um recipiente contendo água fervente acoplando um
eixo com hélices e verificou que tal agitação era capaz de fazer girar
o eixo.
Fonte: http://optativadequimica.blogspot.com.br/2011/04/experimento-de-joule.html
Obs: Calor também pode ser transformado em energia!
Relação entre Trabalho e Energia 
Térmica
Capacidade térmica (C)
• Capacidade térmica é a constate de proporcionalidade
entre a quantidade de calor recebido ou perdido (Q) e a
variação de temperatura ∆T.
Cada corpo tem uma capacidade limitada de receber
energia para uma determinada variação de temperatura.
A capacidade térmica é proporcional a massa.
T
Q
C


Calor Específico (c)
• Calorespecífico é uma característica de cada substância de
forma que cada uma possui um calor específico diferente e
este não depende da massa do corpo.
• Conceito: calor específico indica a quantidade de calor que
cada unidade de massa do corpo precisa receber ou ceder
para que sua temperatura varie uma unidade.
• c = C/m
Tm
Q
c


Conversões 
• CALOR = ENERGIA
[Q] = Joule
1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para
aumentar T de 1 g de
água de 14,5 →15,5ºC
• Calor específico 
[c] : J/(kg.K) : cal /(g.oC)
Calor Específico Sensível e 
Calor Específico latente
• Sensível: É o calor que quando recebido ou cedido
provoca uma variação de temperatura
Q = m . c . ∆T
• Latente: É a quantidade de calor necessária que se
perca ou que se receba para que uma determinada
massa de uma substancia mude de fase.
L = Q/m Q = m . L
Transformação de FASE
Temperatura não varia durante mudança de estado
Requer energia : Q
sólido líquido gasoso
FUSÃO VAPORIZAÇÃO
Q Q
Q Q
Transformação de FASE
Calor Absorvido/Liberado na mudança 
de fase por unidade de massa 
Calor de Transformação
Requer energia : Q 
sólido líquido gasoso
FUSÃO VAPORIZAÇÃO
Q Q
Q Q
m
Q
L 
Calor de Transformação
• É a somatória dos vários tipos de energia existentes nas
partículas de um sistema.
• Ex: uma folha de papel apresenta:
 Energia cinética molecular
 Energia química
 Energia associada aos núcleos atômicos.
 Energia associada a existência (E = mc2)
E = Energia
M = Massa
C= Velocidade da Luz
Energia Interna
• A energia interna de um gás ideal pode ser calculada pela lei
de Joule.
Eint = Energia interna.
n = número de mols.
R = constante universal dos gases perfeitos (R= 0,082 atm.L/mol.K).
T = Temperatura.
• Pela lei de Joule para um gás ideal, ao fornecermos energia
térmica para um corpo este aumentará sua energia interna e
se retirarmos energia térmica sua energia interna diminuirá.
Energia Interna
• Para um sistema fechado tal como um embolo
contendo um gás ideal e contido por um
pistão.
Fonte: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=14722
Energia Interna e Trabalho
• Esta lei estabelece o princípio da conservação da energia e garante
que em um sistema termodinâmico a variação da energia interna
será igual a diferença entre a quantidade de calor fornecido ou
cedido e o trabalho realizado.
∆U = Q – W
∆U = Variação da energia interna.
Q = Quantidade de calor recebido ou cedido.
W = Trabalho realizado ou sofrido pelo sistema.
Ex: Um gás perfeito sofre uma expansão, realizando um trabalho igual
a 200 J. Sabe-se que, no final dessa transformação, a energia
interna do sistema está com 60 J a mais que no inicio. Qual a
quantidade de calor recebida pelo gás?
Primeira Lei da Termodinâmica
• No estudo dos gases perfeitos existem quatro transformações 
particulares que devem ser analisadas com mais detalhes:
 Isotérmica (temperatura constante)
 Isométrica (volume constante)
 Isobárica (pressão constante)
 Adiabática (não ocorre troca de calor entre o sistema e o meio 
externo).
Fonte: http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html
Transformações Termodinâmicas 
Particulares
Transformação isotérmica
• Nas transformações isotérmicas, a temperatura do sistema
gasoso mantém-se constante e, em conseqüência a variação
da energia interna é nula (∆U = 0). Lembre-se de que a
energia interna de um gás depende unicamente da
temperatura.
• Isso significa que o calor e o trabalho trocados com o meio
externo são iguais.
Q W
As transformações isotérmicas devem ser lentas, 
para que o gás troque calor na mesma medida que 
troca trabalho.
Recebe Calor Perde Calor
Transformações isométricas ou 
isovolumétricas
• Nessas transformações o volume do gás
mantém-se constante e, em conseqüência, o
sistema não pode realizar trabalho e todo o
calor trocado com o meio externo é
convertido em variação da energia interna.
∆U = Q
Transformações Isobáricas
• Em uma transformação isobárica a pressão é mantida
constante. Dessa forma, a analise do que ocorre é feita
pela EQUAÇÃO DE CLAPEYRON.
• Note que para uma pressão constante esta expressão nos
diz que volume é diretamente proporcional a
temperatura. Quando a temperatura aumenta o volume
também aumenta e quando ela diminui o volume
também diminui.
p  V = n  R  T
Trabalho de um gás em uma 
transformação isobárica 
• Podemos calcular o trabalho realizado pelo gás pela definição de
força constante:
W = F . d
Sendo F, o modulo da força média aplicada pelo gás sobre o êmbolo
e d, o deslocamento sofrido por esse êmbolo.
Da definição temos: F = p . A
Onde;
p = pressão
A = área do êmbolo
Substituindo temos: W = p . A . d
• O produto A .d, corresponde ao volume
variado V.
• Assim a equação do trabalho do gás em uma
transformação isobárica fica expressa pelo
produto da pressão, que permanece constante
e pela variação do volume.
W = p . V = n.R.T
Transformações adiabáticas
• Nas transformações adiabáticas não há troca
de calor entre o sistema e o meio externo.
Desta forma toda energia recebida ou cedida
pelo sistema ocorre por meio de trabalho.
Transformações adiabáticas
Sistema isolado OU Processo muito rápido
WEi 
0Q
Expansão adiabática : W>0 : Ei<0 : Temperatura diminui
→ Não há transferência de calor
WQEi 
Compressão adiabática : W<0 : Ei>0 : Temperatura aumenta
• Um sistema gasoso realiza uma transformação
definida como cíclica quando o estado final dessa
transformação coincide com o estado inicial.
Fonte: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=18555
Transformações Cíclicas: 
• Máquina térmica é todo dispositivo usado
para converter energia térmica em energia
mecânica.
Fonte: http://etudocienciacdb.blogspot.com.br/2010/08/maquina-e-celula-fig-1.html
Máquinas térmicas
• Esta lei afirma que é impossível uma máquina
transformar em trabalho, toda energia térmica
recebida por uma fonte quente.
Fonte: http://www.indaiazine.com.br/voce-conhece-o-passeio-de-maria-fumaca-de-campinas/
Segunda Lei da termodinâmica
Equações
• Pela conservação da energia:
W = Qq – Qf
• O rendimento de uma maquina térmica é a razão percentual de
energia transformada em trabalho:
• E como já se pode observar esta maquina térmica só terá um
rendimento de 100 % quando a fonte fria estiver no zero absoluto,
Coisa até então impossível pois estimasse que para que isso ocorra
é necessário um trabalho infinito.
1Q
W

1
2aLei da Termodinâmica
***η → rendimento
1
2
1
Q
Q

1
21
Q
QQ 

• Nicolas Sadi Carnot (1796 – 1832) propôs uma máquina teoria, ideal, que
funcionaria em um ciclo particular utilizando toda a energia térmica para a
realização de trabalho.
• Segundo seus postulados:
 Nenhuma máquina operando entre duas temperaturas fixa pode ter um
rendimento maior que a maquina ideal de Carnot.
 Ao opera entre duas temperaturas, a máquina de Carnot teria o mesmo
rendimento, qualquer que fosse o fluido.
Fonte: http://fisikanarede.blogspot.com.br/2012/09/termodinamica-iii_22.html
Ciclo de Carnot
Ciclo Refrigerador
O processo de funcionamento da
geladeira consiste na transferência de
calor de uma fonte fria para uma fonte
quente. Isso não é espontâneo e requer
um trabalho externo realizado pelo
compressor. O fluido usado é o fréon que
se vaporiza a baixa pressão no
congelador e se condensa a alta pressão
no radiador.
• O calor pode se propagar de três formas 
diferentes:
• Condução
• Convecção 
• Radiação
Processos de propagação do calor
Condução
• Definição: É o processo de propagação de
calor no qual a energia térmica passa de
partícula para partícula de um meio.
Convecção
• É o processo de propagação de calor no qual a
energia térmica muda de local,
acompanhando o deslocamento do próprio
material aquecido.
Radiação
• É o processo de propagação de energia na
forma de ondas eletromagnéticas. Ao serem
absorvidas, parte da energia dessas ondas se
transforma em energia térmica.Exercícios
Um sistema gasoso ideal troca (recebe ou cede) com o meio
externo 150 cal em forma de calor. Determine, em joules, o
trabalho trocado com o meio, em cada um dos casos;
a) Expansão isotérmica
b) Compressão isotérmica
c) Aquecimento isométrico
Um motor de Carnot recebe da fonte quente 100 cal por ciclo e
rejeita 80 cal para a fonte fria. Se a temperatura da fonte
quente é de 127 °C, qual deve ser a temperatura da fonte fria?
• R. A. Bonjorno, J. R. Bonjorno, V. Bonjorno e C. M. Ramos. Física completa, 2ª ed. 
São Paulo: FTD, 2001.
• D. Halliday, R. Resnick e J. Walker. Fundamentos de física. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
• P. A. Tipler. Física. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1984.
• V. B. Newton, H. D. Ricardo e G. J. Biscuola, Física 2, 1ª ed. São Paulo: Saraiva, 
2010.
• Hewitt, Paul G. Física Conceitual. 9ª ed. Bookman, 2002
• G. J. Van Wilen. R. E. Sonntag. C. Borgnakke. Fundamentos da termodinâmica. 
Edgar Blucher. 7ª ed., 2009.
• Grupo de Reestruturação de Ensino de Física (GREF). Física. Volume 2. Campinas. 
Editora Unicamp, [2000] 
Referências Bibliográficas
• Investir em Educação é o melhor juros que se 
pode colher!
Abraham Lincoln
Muito Obrigado!