Baixe o app para aproveitar ainda mais
Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original
Calor Calor é a energia transferida entre um sistema e o ambiente devido à diferença de temperatura entre eles. O calor é negativo se a energia é transferida do sistema ao ambiente. O calor é positivo se a energia é transferida do ambiente ao sistema. Energia também pode ser transferida entre o sistema e o ambiente como trabalho devido a uma força agindo sobre o sistema! T > T T = T T < T Q=0 Q < 0 Q > 0 Unidades de calor Antes dos cientistas perceberem que calor é energia transferida, calor era medido em termos da habilidade de aumentar a temperatura da água: 1 cal=calor necessário para aumentar 1g de água de 14,5 0C para 15,5 0C 1 cal =4,186 Joule Absorção de calor pelos corpos sólidos e líquidos Capacidade térmica: A capacidade térmica, C (J/K), é uma expressão de origem histórica, que pode induzir a erros de interpretação. Os corpos não tem uma capacidade determinada de armazenar ou absorver calor. Um corpo absorve calor enquanto ΔT for diferente de zero. É claro que o corpo pode fundir ou evaporar nesse processo, mas isso é outra história Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor específico: É conveniente definir a capacidade térmica por unidade de massa de um material específico: calor específico Tabela de alguns calores específicos a 25 0 C Um ponto importante Lei zero da termodinâmica: Calor é a energia transferida entre um sistema e o ambiente devido à diferença de temperatura entre eles. Calor, no entanto, também pode ser absorvido sem aumento de temperatura do sistema. A energia térmica absorvida é utilizada para quebrar ligações químicas e provocar mudanças de fases Calor de transformação: Calor latente (fusão ou vaporização) Tabela de calores de transformação Exemplo: água http://www.delsea.k12.nj.us/Academic/Classes/HighSchool/Science/Physics/FirstYear/notes/unit05/3.stm Absorption of heat Q Q Exemplo da água Localize esses valores nas tabelas anteriores Experimento virtual: aumento de calor e coexistência das fases http://phet.colorado.edu/en/simulation/states-of-matter Mais um ponto importante Pela lei zero da termodinâmica: Energia também pode ser transferida entre o sistema e o ambiente como trabalho devido a uma força agindo sobre o sistema! Veja o histograma da energia contida no gás ao se aplicar uma força externa http://phet.colorado.edu/en/simulation/gas-properties Mais um ponto importante Pela lei zero da termodinâmica: Energia também pode ser transferida entre o sistema e o ambiente como trabalho devido a uma força agindo sobre o sistema! Então, por exemplo, a expansão térmica Implica em trabalho da força pressão sobre o sistema! Mais tarde iremos definir em mais detalhe os calores específicos a volume ou pressão constantes: Veja como é diferente a variação de T com P ou V constante na simulação Último ponto importante: O calor específico é uma função da temperatura e sua variação está associada ao comportamento quântico da vibração dos átomos em torno de suas posições de equilíbrio O equivalente mecânico do calor http://www.abdn.ac.uk/~nph126/precise/joule.htm http://pruffle.mit.edu/3.00/Lecture_04_web/node4.html O equivalente mecânico do calor Pás em movimento aumentam a temperatura da água termômetro Versão idealizada da experiência de Joule: O trabalho das pás sobre a água eleva a temperatura dessa. Foi possível determinar que fluxo de calor, como o trabalho, é uma forma de transferência de energia Exemplo numérico As pás do aparelho ao lado são acionadas por uma massa m de 0,50 kg, caindo com velocidade constante. A massa da água termicamente isolada é de 0,250 kg. Qual é o aumento da temperatura da água se a massa pendurada cai 2,0 m ? Quais eram os dados reais nos experimentos de Joule? 1a lei da termodinâmica: Aumenta a temperatura do sistema Diminui a temperatura do sistema Aumento de temperatura Quando o gás esquenta??, dW < 0 processo restrição Conseqüência adiabático Q = 0 ΔEi= W Volume constante W = 0 ΔEi= Q Ciclo fechado ΔEi= 0 Q = W Expansão livre Q = W = 0 ΔEi= 0 Os resultados do slide anterior são todos consistentes entre si! Alguns casos específicos: Expansão Livre Pi, Vi, Ti Pf, Vf, Tf Expansão Adiabática MAS com W=0 Gás Ideal Expansão Livre RESULTADO: Gás Ideal Expansão Adiabática Livre Expansão Adiabática Processo envolve situações fora de equilíbrio Não é descrito pela termodinâmica Expansão livre: compare cuidadosamente os dois exemplos Sistema isolado: Sistema em contato térmico com o ambiente Estados finais iguais Na expansão livre: No segundo processo: Processo cíclico! O ministério da educação adverte: a convenção do sinal de W varia por aí! Diferença entre os dois processos A expansão livre é um processo irreversível O segundo processo é reversível V p Isoterma ( temos um processo cíclico ) Expansão rápida de um gás (real) pressurizado: efeito Joule-Thomson Expansão rápida: processo adiabático 1ª lei da termodinâmica Portanto: Temperatura de inversão do coeficiente JT Numa expansão ΔP<0 ΔT < 0 se μ > 0 Acidente com o dirigível Hindemburg Hidrogênio esquenta em expansão rápida à temperatura ambiente, e foi uma das hipóteses para explicar o acidente com o dirigível Hindemburg Energia interna Gás ideal monoatômico Energia interna U = Energia cinética total média <K> Capacidade térmica SE dQ é transferido a pressão constante SE dQ é transferido a volume constante Capacidade térmica Calor específico molar a pressão constante Calor específico molar a volume constante 1MOL Calor Específico Molar A Volume constante T T + dT P V a b c P+dP V+dV 1 MOL : Calor Específico Molar A Volume constante Cv=12,5 J/mol.K Molécula CV(J/mol.K) He 12,5 Ar 12,6 N2 20,7 O2 20,8 NH4 29,0 CO2 29,7 } } } Calor Específico Molar A Volume constante } Mono- atômicos } Di- atômicos } Poli- atômicos Energia interna n MOLES T T + dT P V a b c P+dP V+dV Calor Específico Molar A Pressão constante dU independe do processo Calor Específico Molar A Pressão constante 1 MOL : PV=RT 1 MOL de um gás ideal MONOATÔMICO Calor Específico Molar A Pressão constante Teorema da equipartição de energia Gás ideal MONOATÔMICO Energia Interna : Energia Cinética de Translação do Centro de Massa : 3 graus de liberdade 3 termos quadráticos na energia Teorema da equipartição de energia Gás ideal DIATÔMICO Energia Interna : Energia Cinética de Translação do Centro de Massa 3 graus de liberdade + Energia Cinética de Rotação 2 graus de liberdade 5 termos quadráticos na energia Teorema da equipartição de energia Gás ideal DIATÔMICO a altas temperaturas Energia Interna : Energia Cinética de Translação do Centro de Massa 3 graus de liberdade + Energia Cinética de Rotação 2 graus de liberdade + Energia de Vibração da ligação 1 graus de liberdade 6 termos quadráticos na energia Gás ideal com q graus de liberdade : q termos quadráticos na energia Teorema da equipartição de energia 1 MOL de gás ideal com q graus de liberdade Calor Específico Molar Moléculas diatômicas rígidas Moléculas diatômicas com vibração Moléculas poliatômicas com vários modos vibracionais e um rotacional adicional Calor Específico Molar Molécula CV(J/mol.K) He 12,5 Ar 12,6 N2 20,7 O2 20,8 NH4 29,0 CO2 29,7 } } } Calor Específico Molar CV/R (H2 ) 1,5 3,5 2,5 T(x103 K ) 0,1 0,2 1 5 0,02 2 translação rotação vibração Quantização da energia Calor Específico Molar Gás Ideal Diatômico Equivalência calor e trabalho O estado final é indistinguível: não se pode dizer se é produto de transferência de calor, trabalho sobre o gás ou uma combinação de ambos Trabalho realizado pelo gás: Se o volume aumenta: W > 0 Se o volume diminui: W < 0 http://physics.nad.ru/Physics/English/thermo.htm T = const Processos Isotérmicos W = Q, pois Uf – Ui = 0. Processos Isotérmicos SE: V cte: Vf=Vi : Wif=nRT ln(1)=0 Expansão: Vf>Vi : Wif>0 Compressão: Vf<Vi : Wif<0 Processos Isobáricos P constante P V Vi Vf Ti Tf Se o volume do gás aumenta a pressão constante de um volume V1 para um volume V2, a temperatura aumenta pois o gás sai de uma isotérmica para outra e para que isto ocorra, calor é adicionado. Então Q > 0 e U > 0. P V Pi Pf Ti Tf Processos Isocóricos V constante P 1 l 2 l Como V é constante, dV=0 e consequentemente o trabalho também o é. Outro motivo é que não existe qualquer área sob esta curva. Assim, pela 1a Lei, Q = U. W = 0 J; A Expansão Adiabática Quase-Estática de um Gás 1a Lei da Termodinâmica: dQ = CV dT + PdV, CP – CV = nR Integrando: TV -1=cte . Trabalho de uma expansão adiabática Quase-Estática de um Gás dW = PdV = -CVdT, pois dQ = 0 + Experimentos virtuais: Sistema reversível: é possível passear por uma linha P x V http://www.uwsp.edu/physastr/kmenning/flash/AF_2004.swf Sistemas de expansão livre (irreversível) http://phet.colorado.edu/en/simulation/reversible-reactions Aplicações da dilatação térmica: termômetros Temperatura de referência Temperatura maior que a de referência Temperatura menor que a de referência Alumínio Aço Qual a ordem das camadas nesse experimento? Termômetro de bicamadas metálicas T0 = T(referência) (aço)=11x10-6 (alumínio)=23x10-6 Aplicações em nanotecnologia Tecnologia MEMS: Microelectromechanical Systems Construção de atuadores micro(nano)métricos, utilizando a dilatação em bicamadas provocada por passagem de corrente elétrica http://www.swri.edu/3pubs/brochure/D64/MEMS/home.htm Plan1 substância ponto de fusão calor de fusão ponto de ebulição calor de vaporização (at 1 atm) Tm (K) Lf (cal/g) Tb (K) Lv (cal/g) Hydrogen 13.8 14.0 20.3 108 Oxygen 54.4 3.3 90.2 50.9 Nitrogen 63.3 6.1 77.3 48.0 Ethyl Alcohol 156 24.9 351 205 Mercury 234 2.7 630 70.0 Water 273.15 79.7 373.15 539 Lead 600 5.9 2023 208 Aluminum 932 94.5 2740 2500 Gold 1336 15.4 2933 377 Copper 1359 32.0 1460 1210 Iron 1808 69.1 3023 1520 Plan2 Plan3
Compartilhar