fisica02 temperatura e calor e a 1a lei da termodinamica

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Física 2
Temperatura, Calor e a 
Primeira Lei da 
Termodinâmica
Prof. Dr. Walmor Cardoso Godoi
Departamento de Física - DAFIS
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR
URL: http://www.walmorgodoi.com/utfpr
E-mail: walmorgodoi@utfpr.edu.br
Referências
• Fundamentos de Física - Volume 2 : Autores 
Halliday e Resnick, vol. 2, 9ª ed., Cap 18.
• Física II Termodinâmica e Ondas : Autores 
Sears e Zemanski, vol. 2, 12ª ed., Cap 17
Introdução
Termodinâmica
Estudo das leis que regem a relação entre calor 
e energia. 
Temperatura
• Grandeza fundamental do S.I.
• Escala kelvin (K)
• Não existe limite superior para T, mas existe 
limite inferior (0 K)
• Universo 
– 1039 K há 13,7 bilhões de anos 
– Hoje T = 3 K.
A Lei Zero da Termodinâmica
Termoscópio
0463,35
líquidobarra de metal
gás
resistência elétrica
Elemento sensível ao calor.
Qual tipo de sensor térmico você 
utilizaria? 
infravermelho
A Lei Zero da Termodinâmica
PRINCÍPIO ZERO DA TERMODINÂMICA
Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio 
térmico com um terceiro corpo T, A e B estão em equilíbrio 
térmico entre si.
a
bc
a
bc
Enquanto houver transferência de calor as propriedades de b
e de c modificam-se
Medindo a Temperatura
ou 0,01 oC
Medindo a Temperatura
da água
Em água, o ponto crítico ocorre em cerca 
de 647 K. (374 ° C; 705 ° F) e 
22,064 MPa (218 atm)
Ponto vapor-líquido crítico de um material, 
a partir do qual a distinção entre fase a 
líquida e gasosa não existe.
Comportamento anômalo da água
http://fge.if.usp.br/~oliveira/term082ed.pdf
O Termômetro de Gás a V = cte
O Termômetro de Gás a V = cte
Guillaume Amontons, 1663-1705
Tmin => p=0
Zero absoluto = -273,16 oC = 0 K
0 oC = 273,15 K
http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature
As Escalas Celsius e Fahrenheit
Celsius
Fahrenheit
0 K -273,15 oC - 459, 67 oF
273,16 K 0,01 oC 32,02 oFPonto Triplo
Zero absoluto
K oC oF
Exemplo 1
Em uma escala linear de temperatura X, a 
água evapora a -53,5 oX e congela a -170 oX. 
Qual o valor da temperatura de 340 K na 
escala de temperatura X? 
Resposta: Tx=-92,1 oX
Dilatação Térmica
Dilatação Térmica
Dilatação Linear Dilatação VolumétricaDilatação Superficial
Dilatação Térmica
• Dilatação da água
Fenômeno anômalo da água
Dilatação Linear
Dilatação volumétrica
T
Exemplo 2
Temperatura e Calor
“Calor é a energia trocada entre um sistema e o 
ambiente devido a uma diferença de 
temperatura”
Unidade de Quantidade de Calor
1 caloria (cal) é definida como 
sendo o calor trocado quando a 
massa de um grama de água 
passa de 14,5 oC para 15,5 oC.
1 cal = 4,1868 J (exatamente)
1 Btu = 252,2 cal = 0,2522 kcal= 1055,05585 J 
BTU (também pode ser escrito Btu) é um acrônimo para British Thermal Unit (ou 
Unidade térmica Britânica)
Unidade no SI para calor : Joule
Temperatura e Calor
Temperatura e Calor
Temperatura e Calor
Absorção de Calor por Sólidos e 
Líquidos
Capacidade Térmica ou capacidade Calorífica.
• A capacidade de perder ou absorver calor que um 
determinado corpo tem, em razão da variação de temperatura 
sofrida por ele, é definida como Capacidade Térmica ou 
Capacidade Calorífera.
http://www.mundoeducacao.com/fisica/capacidade-termica.htm
Absorção de Calor por Sólidos e 
Líquidos
• Capacidade Térmica 
– C é a constante de proporcionalidade entre o calor 
Q recebido ou cedido pelo objeto e a variação de 
temperatura do objeto
• Exemplo: 
Pedra de mármore C= 179 cal/oC (= 179 cal/K=749 J/K) 
• Calor específico
c=C/m
Pedra de mármore C= 179 cal/oC (=749 J/K) , mas c = 
0,21 cal/g oC (ou 880 J/Kg.K)
Calor específico da água= 1 cal/g oC ou 4190 J/kg K
Absorção de Calor por Sólidos e 
Líquidos
• Calor específico molar
1 mol = 6,02 x 10 23 unidades elementares
Exemplo: 1 mol de Al, 
1 mol de Al2O3 (Massa molar: 101,96 g/mol)
M(água) = 18,0 g/mol (1 mol de água possui massa igua a 18 g)
M: mol ou massa molar
n: número de moles
Calor de Transformação
Calor de Transformação
• Calor de transformação L – quantidade de 
energia por unidade de massa que deve ser 
transferida para que uma amostra mude de 
fase
Q=Lm
Lv: calor de vaporização ( líquido ↔ gasoso)
Lf: calor de fusão (sólido ↔ líquido)
Exemplo: água (Lv= 539 cal/g, Lf=79,5 cal/g)
substituindo
Exemplo 4
• Um nutricionista aconselha as pessoas que 
querem perder peso a beber água gelada, 
alegando que o corpo precisa queimar 
gordura para aumentar a temperatura da água 
de 0,00 oC para a temperatura do corpo 37,0 
oC. Quantos litros de água gelada uma pessoa 
precisaria beber para queimar 0,5 kg de 
gordura, supondo que ao ser queimada essa 
quantidade de gordura, 3500 kcal são 
transferidas para a água? 
R: 96 litros
TRABALHO: Transferência de energia 
W=F.d
CALOR: Transferência de energia devida 
a uma diferença de temperatura entre 
o sistema e as vizinhanças (Q).
UNIDADE: 1 J = 1 kg.m2.s-2
Calor e Trabalho
Calor e Trabalho
A Primeira Lei da Termodinâmica
Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se 
sob diferentes formas como calor e trabalho.
A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas a quantidade 
total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se.
A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE
Variação na energia 
interna do sistema
Calor 
trocado 
pelo 
sistema
Trabalho 
realizado pelo 
sistema
Casos especiais da 1ª Lei
Casos especiais da 1ª Lei
Exemplo 5
• Suponha que 1,00 kg de água a 100 oC seja 
convertido em vapor a 100 oC à pressão 
atmosférica padrão (1,00 atm=1,01 x105Pa). O 
volume da água varia de um valor inicial de 
1,00 x 10-3 como líquido para 1.671 m3 como 
vapor.
• A) W?
• B) Energia transferida na forma de calor?
Mecanismos de Transferência de Calor
• Condução
• Resistência térmica
• Condução através de uma placa composta
• Convecção
• Radiação