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Física II Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Pontifícia Universidade Católica Departamento de Física e Química 2017/1 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 2 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 3 / 45 Temperatura Grandezas Fundamentais do Sistema Internacional de Medidas (SI) Grandeza Unidade Símbolo Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Corrente elétrica ampere A Temperatura kelvin K Quantidade de matéria mol mol Intensidade luminosa candela cd Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 4 / 45 Temperatura Figura 18-1Algumas temperaturas na escala Kelvin. A temperatura T = 0 corresponde a 10�1 e não pode ser plotada nesta escala logarítmica. Limites de temperatura Embora não exista um limite superior para a temperatura de um corpo, existe um limite inferior; essa temperatura limite é tomada como o zero da escala Kelvin de temperatura. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 5 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 6 / 45 A Lei Zero da Termodinâmica Figura 18-2 Um termoscópio. Os números aumentam quando o dispositivo é aquecido e diminuem quando é resfriado. O sensor térmico pode ser, entre outras coisas, um fio cuja resistência elétrica émedida e indicada no mostrador. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 7 / 45 A Lei Zero da Termodinâmica Figura 18-3 A Lei 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. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 8 / 45 A Lei Zero da Termodinâmica Figura 18-3 A Lei Zero da Termodinâmica Todo corpo possui uma propriedade chamada de temperatura. Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são iguais e vice-versa. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 9 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 10 / 45 Medindo a Temperatura O Ponto Triplo da Água Figura 18-4 Uma célula de ponto triplo, na qual gelo (sólido), água (líquido) e va- por (gás) estão em equilíbrio térmico. Por acordo internacional, a temperatura desta mistura foi definida como 273,16 K. O bulbo de um termômetro de gás a volume cons- tante é mostrado no centro da célula. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 11 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 12 / 45 As Escalas Celsius e Fahrenheit Figura 18-7 Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit de temperatura. TC: temperatura na escala Celsius; T : temperatura na escala Kelvin; TF : temperatura na escala Fahrenheit; Conversões: TC = T � 273, 15� TF = 9 5TC + 32 � Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 13 / 45 As Escalas Celsius e Fahrenheit Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 14 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 15 / 45 Dilatação Térmica Dilatação Linear T = T0 T > T0 �L L0: comprimento inicial da barra; �T : aumento na temperatura; �L : aumento no comprimento; ↵: coeficiente de dilatação linear. �L = L0↵�T Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 16 / 45 Dilatação Térmica Dilatação Linear Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 17 / 45 Dilatação Térmica Dilatação Linear Figura 18-10 (a) Uma tira bimetálica, for- mada por uma tira de latão e uma tira de aço soldadas, à temperatura T0. (b) Quando a temperatura é maior que a tem- peratura de referência, a tira se enverga para baixo, como na figura. Quando a temperatura é maior que a temperatura de referência, a tira se enverga para cima. Mui- tos termostatos funcionam com base nesse princípio, fazendo ou desfazendo um con- tato elétrico de acordo com a temperatura em que se encontram. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 18 / 45 Dilatação Térmica Dilatação Volumétrica Figura 18-11 A mesma régua de aço em duas temperaturas diferentes. Quando a régua se dilata, a escala, os números, a espessura e os diâmetros da circunferência e do furo circular aumentam do mesmo fator. (A dilatação foi exagerada para tornar o desenho mais claro.) Aumento no volume: �V = V0��T Coeficiente de dilatação volumétrica: � = 3↵ Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 19 / 45 Dilatação Térmica Dilatação da Água Acima de 4�C, a água se dilata quando a temperatura aumenta, como era de se esperar. Entre 0�C e 4�C, porém, a água se contrai quando a temperatura aumenta. Assim, por volta de 4�C, a massa específica da água passa por um máximo. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 20 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 21 / 45 Temperatura e Calor Figura 18-12 Se a temperatura de um sis- tema é maior que a temperatura ambiente, como em (a), uma certa quantidade Q de calor é perdida pelo sistema para o ambi- ente paraque o equilíbrio térmico (b) seja restabelecido. (c) Se a temperatura do sis- tema émenor que a temperatura ambiente, uma certa quantidade de calor é absorvida pelo sistema para que o equilíbrio térmico seja restabelecido. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 22 / 45 Temperatura e Calor Calor é a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de temperatura. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 23 / 45 Temperatura e Calor Caloria Caloria (cal) é definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 g de água de 14,5�C para 15,5�C. Caloria - Sistema inglês No sistema inglês, a unidade de calor é a British thermal unit (Btu), definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 libra de água de 63�F para 64�F. Relações entre unidades de calor 1 cal = 3, 968⇥ 10�3 Btu = 4, 1868 J Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 24 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 25 / 45 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Capacidade Térmica Capacidade Térmica A capacidade térmica C de um objeto é a constante de proporcionalidade entre o calor Q recebido ou cedido pelo objeto e a variação de temperatura �T do objeto, ou seja, Q = C�T = C(Tf � ti), onde Ti e Tf são as temperaturas inicial e final do objeto, respectivamente. Unidade SI da Capacidade Térmica Joule Kelvin ✓ J K ◆ Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 26 / 45 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Calor Específico Calor Específico Diferentemente da Capacidade Térmica, o Calor Específico independe da quantidade de material, dependendo somente do constituinte do objeto. É definido como a ‘‘capacidade térmica por unidade de massa’’: Q = mc�T = mc(Tf � Ti) Unidade SI do Calor Específico Joule quilograma · Kelvin ✓ J kg · K ◆ Relações entre unidades do calor específico 1 cal/g ·� C = 1 Btu/lb ·� F = 4186, 8 J/kg · K Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 27 / 45 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Calor Específico Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 28 / 45 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Calores de Transformação GasosoLíquidoSólido Fusão Vaporização Solidificação Condensação Sublimação Sublimação Inversa Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 29 / 45 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Calores de Transformação Energia total transferida na mudança de fase Q = Lm, onde L é o calor de transformação. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 30 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 31 / 45 Calor e Trabalho Figura 18-13 Um gás está confinado a um cilindro com um êmbolo móvel. Uma certa quantidade Q de calor pode ser adicio- nada ou removida do gás regulando a tem- peratura T do reservatório térmico ajustável. Uma certa quantidade de trabalhoW pode ser realizada pelo gás ou sobre o gás levan- tando ou baixando o êmbolo. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 32 / 45 Calor e Trabalho O processo de levar o sistema do estado inicial ao estado final é chamado de processo termodinâmico; Calor positivo (Q > 0): energia transferida do reservatório térmico para o sistema; Calor negativo (Q < 0): energia transeferida do sistema para o reservatório térmico; Trabalho positivo (W > 0): trabalho realizado pelo sistema (o gás empurra o êmbolo para cima); Trabalho negativo (W < 0): trabalho realizado sobre o sistema (as esferas de chumbo empurram o êmbolo para baixo). Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 33 / 45 Calor e Trabalho Trabalho associado a uma variação de volume W = Z dW = Z Vf Vi pdV Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 34 / 45 Calor e Trabalho Figura 18-14 (a) A área sombreada representa o trabalhoW realizado por um sistema ao passar de um estado inicial i para um estado final f . O trabalhoW é positivo porque o volume do sistema aumenta. (b)W continua a ser positivo, mas agora é maior. (c)W continua a ser positivo, mas agora é menor. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 35 / 45 Calor e Trabalho Figura 18-14 (d) W pode ser ainda menor (trajetória icdf ) ou ainda maior (trajetória ighf ). (e) Neste caso, o sistema vai do estado f para o estado i quando o gás é comprimido por uma força externa e o volume diminui; o trabalho W realizado pelo sistema é negativo. (f) O trabalho total Wtot realizado pelo sistema durante um ciclo completo é representado pela área sombreada. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 36 / 45 Calor e Trabalho Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 37 / 45 A Primeira Lei da Termodinâmica Resultados experimentais A diferença Q �W depende apenas dos estados inicial e final e não da forma como o sistema passou de um estado para o outro. Todas as outras combinações das grandezas Q eW , como Q apenas,W apenas, Q +W e Q � 2W , são dependentes da trajetória; apenas Q �W é independente. A Primeira Lei da Termodinâmica �Eint = Eint,f � Eint,i = Q �W A energia interna Eint de um sistema tende a aumentar se acrescentamos energia na forma de calor Q e a diminuir se removemos energia na forma de trabalhoW realizado pelo sistema. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 38 / 45 A Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 39 / 45 Sumário 1 Temperatura 2 A Lei Zero da Termodinâmica 3 Medindo a Temperatura 4 As Escalas Celsius e Fahrenheit 5 Dilatação Térmica 6 Temperatura e Calor 7 A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos 8 Calor e Trabalho 9 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 40 / 45 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 41 / 45 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica 1. Processos Adiabáticos. Processo adiabático é aquele que acontece tão depressa ou em um sistema tão bem isolado que não há trocas de calor entre o sistema e o ambiente. Fazendo Q = 0 na primeira lei, obtemos �Eint = �W . Figura 18-15 Uma expansão adiabática pode ser realizada removendo esferas de chumbo do êmbolo. O processo pode ser invertido a qualquer momento acres- centando novas esferas. Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica2. Processos a volume constante. Se o volume de um sistema (como um gás) é mantido constante, o sistema não pode realizar trabalho. FazendoW = 0 na primeira lei, obtemos �Eint = Q. 3. Processos cíclicos. Existem processos nos quais, após certas trocas de calor e de trabalho, o sistema volta ao estado inicial. Nesse caso, nenhuma propriedade intrínseca do sistema (incluindo a energia interna) pode variar. Fazendo �Eint = 0 na primeira lei, obtemos Q = W . Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 43 / 45 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica 4. Expansões livres. São processos nos quais não há troca de calor com o ambiente e nenhum trabalho é realizado. Assim, Q = W = 0 e, de acordo com a primeira lei, �Eint = 0. Figura 18-15 O estágio inicial de um processo de expansão livre. Quando a válvula é aberta, o gás passa a ocu- par as duas câmaras e, após algum tempo, atinge um estado de equilí- brio. Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 44 / 45 Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Cláudia Vasconcelos Temperatura, calor e a primeira lei da termodinâmica 2017/1 45 / 45 Temperatura A Lei Zero da Termodinâmica Medindo a Temperatura As Escalas Celsius e Fahrenheit Dilatação Térmica Temperatura e Calor A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos Calor e Trabalho Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
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