Temperatura, Calor e Primeira lei termodinâmica

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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
�
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As Escalas Celsius e Fahrenheit
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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
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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
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Dilatação Térmica
Dilatação Linear
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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.
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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↵
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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.
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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
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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.
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Temperatura e Calor
Calor é a energia trocada entre um
sistema e o ambiente devido a uma
diferença de temperatura.
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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
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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
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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
◆
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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
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A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos
Calor Específico
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A Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos
Calores de Transformação
GasosoLíquidoSólido
Fusão Vaporização
Solidificação Condensação
Sublimação
Sublimação Inversa
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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.
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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
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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.
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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).
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Calor e Trabalho
Trabalho associado a uma
variação de volume
W =
Z
dW =
Z Vf
Vi
pdV
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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.
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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.
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Calor e Trabalho
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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.
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A Primeira Lei da Termodinâmica
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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
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Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
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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 .
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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.
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Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
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	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