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Física Termodinâmica
Prof. Édy Carlos Monteiro
Seção 1 – Conceitos básicos
Objetivos:
O aluno deverá reconhecer como as dimensões de um objeto variam em resultado de uma variação de temperatura. O significado de calor, e em que ele difere de temperatura. Como fazer cálculos envolvendo transferência de calor, variações de temperatura e transição de fase. Como o calor se transfere por condução, convecção e radiação.
Como uma cobra cascavel percebe a sua presa?
Sensores de radiação térmica
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A vespa gigante mandarina japônica alimenta-se de abelhas japonesas. Entretanto, se uma vespa tenta invadir uma colmeia, centenas de abelhas formam uma bola compacta em torno da Vespa. A vespa morre em menos de 20 minutos, embora as abelhas não a piquem, mordam, esmaguem ou sufoque. Sendo assim, por que a vespa morre?
Transferência de energia térmica
Relembrando
O que é um Fluido?
Um fluido, em contraste com um sólido, é uma substância que pode escoar.
Os fluidos se amoldam aos contornos de qualquer recipiente onde os colocamos.
Densidade
Considere o fluido mostrado na Figura. Ele tem massa ∆m e volume ∆V. A densidade (símbolo ρ) é definido como a razão da massa sobre o volume.
Unidade SI: kg/m³
Se o fluido é homogêneo a equação da densidade é dada por:
Pressão
Considere um pequeno dispositivo sensor de pressão suspenso em um recipiente preenchido com um fluído, como a Figura 1a. O sensor (Figura 1b) consiste em um pistão com área de superfície ΔA que pode deslizar em um cilindro fechado e que está em repouso sobre uma mola. 
Pressão
Uma janela nos permite registrar o quanto a mola (calibrada) e comprida pelo fluido, indicando assim o módulo ΔF da força normal que atua sobre o pistão.
A pressão ρ exercida pelo pistão no fluido e definido como: 
(continuação)
Pressão
A unidade do SI para a pressão e o N/m²e conhecida como pascal (símbolo: Pa). Outras unidades são o atmosfera (atm). O torr (foi formalmente chamado de mmHg) e o lb/in². O pascal está relacionado a algumas unidades de pressão comuns (que não são do SI) como segue:
A pressão atmosférica ao nível do mar
1 atm = 1.01x105 Pa = 760 Torr = 14.7 lb/in²
(continuação)
Quais são os estados (fases) físicos da matéria?
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Estados Físicos da Matéria
Fases ou estados da matéria – São conjuntos de configurações que objetos macroscópicos podem apresentar.
O estado físico tem a relação com a velocidade do movimento das partículas de uma determinada substância.
Estados Físicos da Matéria
Estados ou fases considerados: sólido, líquido e gasoso.
Outros tipos de fases da matéria, como o condensado de bose-einstein ou o plasma são estudados em níveis mais avançados da física.
Chamamos de plasma o quarto e mais abundante estado da matéria.
(continuação)
Estados Físicos da Matéria
Se adicionarmos energia sob forma de calor ao gelo, este transformar-se-á em água, que sendo submetida à mais calor, vaporizará. Porém, se adicionarmos mais energia ao vapor, algumas de suas propriedades são modificadas substancialmente, tais como a temperatura e características elétricas. 
(continuação)
Estados Físicos da Matéria
Este processo é chamado de ionização, ou seja a criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás. Quando isto acontece, o gás transforma-se em plasma.
As características de estado físico são diferentes em cada substância e depende da temperatura e pressão na qual ela se encontra.
(continuação)
Estados Físicos da Matéria
O Condensado de Bose-Einstein é uma fase da matéria formada por bósons a uma temperatura muito próxima do zero absoluto.
Nestas condições, uma grande fração de átomos atinge o mais baixo estado quântico, e nestas condições os efeitos quânticos podem ser observados à escala macroscópica.
(continuação)
Estados Físicos da Matéria
A existência deste estado da matéria como consequência da mecânica quântica foi inicialmente prevista por Albert Einstein em 1925.
(continuação)
Estados Físicos da Matéria
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Plasma
(continuação)
Estados Físicos da Matéria
(continuação)
Ponto triplo da água
Em Física, o ponto triplo de uma substância é a temperatura e a pressão nas quais os três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) coexistem em equilíbrio termodinâmico.
O pronto triplo a temperatura da água é exatamente 273,16 kelvin (0,01 ºC) e a pressão é 611,73 pascal (cerca de 0,006 atm).
Ponto triplo da água
Substância
Temperatura(K)
Pressão (PA)
Hidrogênio
13,80
0,0704 x 105
Deutério
18,63
0,171 x 105
Neônio
24,56
0,432 x 105
Nitrogênio
63,18
0,125 x 105
Oxigênio
54,36
0,00152 x 105
Amônia
195,40
0,0607 x 105
Dióxido de carbono
216,55
5,17 x 105
Dióxido de enxofre
197,68
0,00167 x 105
Água
273,16
0,00610 x 105
(continuação)
Introdução
Introduziremos as noções de temperatura e energia interna. 
Estenderemos agora o estudo de noções como estas enquanto focalizamos a TERMODINÂMICA, que está relacionada com os conceitos de transferências de energia entre um sistema e seu ambiente e as variações resultantes na temperatura ou mudanças de estado.
Introdução
Como veremos, a termodinâmica explica as principais propriedades da matéria e a correlação entre essas propriedades e a mecânica dos átomos e das moléculas.
(continuação)
Temperatura e lei zero
Termodinâmica: estudo da energia térmica (energia interna) dos sistemas
Conceito central: temperatura
Temperatura é um conceito de uso cotidiano e portanto seu entendimento é geralmente superestimado.
Medida de temperatura: escala Kelvin 
(uma das sete quantidades 
básicas do SI)
Termoscópios e termômetros
Quando alguma propriedade física de um corpo se modifica com a alteração da temperatura temos um termoscópio.
 Quando calibramos um termoscópio temos um Termômetro. Com o qual é possível aferir quantitativamente a temperatura para uma dada escala
Termoscópios e termômetros
Temperatura de ebulição da água
Temperatura normal do corpo humano
Temperatura ambiente
Temperatura de fusão do gelo
Temperatura de um dia frio em países frios
Calibração utilizada por Celsius
(continuação)
Podemos, então, definir uma temperatura como estando relacionada ao comprimento da coluna de fluido.
O termômetro pode ser calibrado se colocado em contato térmico com alguns sistemas que permaneçam a temperatura constante e marcando-se a extremidade da coluna do fluido no termômetro.
Escala Celsius
Um sistema assim é uma mistura de água e gelo em equilíbrio térmico.
Uma vez que marcamos as extremidades da coluna de fluido para os sistemas de nossa escolha em nosso termômetro, precisamos definir uma escala de números associada às várias temperaturas.
Uma escala desse tipo é a Escala Celsius De Temperatura.
Escala Celsius
(continuação)
Outro sistema geralmente utilizado é uma mistura de água e vapor em equilíbrio térmico na pressão atmosférica.
Na escala Celsius, esta temperatura é definida como 100 ºC, o ponto de vapor ou ponto de ebulição da água.
Escala Celsius
(continuação)
Escala Celsius
(continuação)
Escala Celsius
Ebulição da água
Solidificação da água
Solidificação do CO2
Liquefação do oxigênio
Zero absoluto
K
C
F
373
273
195
90
0
100º
0º
-78º
-183º
-270º
212º
32º
-109º
-298º
-460º
100Cº
180Fº
100k
(continuação)
Escala Celsius
(continuação)
Comparação das escalas
Lei zero da termodinâmica
Se os corpos A e B estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo T, então existe equilíbrio térmico entre eles
Numa linguagem menos formal: se dois corpos estão em equilíbrio térmico, a temperatura de ambos é a mesma (e vice versa)
(essa formulação passou a ser utilizada nos anos 1930, após o estabelecimento da primeira e segunda leis)
Lei zero da termodinâmica
(continuação)
Medida de temperatura; escala kelvin 
(uma das sete quantidades básicas do SI)
1039
108 
107
6000
3400
3
0.5
10-9
Início do universo
Temperatura mais alta alcançada em laboratório
Núcleo do Sol
Superfíciedo Sol
Fusão do tungstênio
Temperatura atual do universo
Ebulição do HE3
Recorde de baixa temperatura em laboratório
Exercícios
Suponha que você encontre notas científicas antigas que descrevem uma escada de temperatura chamada de Z na qual o ponto de ebulição da água é 65,0°Z e o ponto de congelamento é -14,0°Z. A quanto uma temperatura T=-98,0°Z corresponderia na escala Fahrenheit? Suponha que a escala Z é linear, ou seja, o tamanho de um grau Z é o mesmo em toda a escala Z.
Exercícios
A que temperatura os seguintes pares de escala possuem a mesma leitura, se isto acontecer:
Fahrenheit e Celsius.
Fahrenheit e Kelvin.
Celsius e Kelvin.
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(continuação)
Dilatação térmica
Dilatação térmica
Dilatação linear
Dilatação de área
Dilatação volumétrica
(continuação)
Coeficiente de expansão linear
Coeficiente de expansão superficial
Coeficiente de expansão volumétrica
α
γ = 2α
β = 3α
Dentes interpenetrantes das juntas de expansão de uma ponte. Essas juntas são projetadas para acomodar as variações de comprimento oriundas da dilatação térmica.
Tabela de coeficientes de dilatação térmica
Material
Coeficiente de dilataçãolinear (10-5/K)
Vidrocomum
9
Aço
13
Alumínio
23
Gelo
51
Concreto
12
Cobre
17
Invar
0,7
Exercícios
Em um dia quente em Las Vegas, um caminhão de óleo foi carregado com 37000L de óleo diesel. Ele encontrou tempo frio em seu caminho para Payson, Utah, onde a temperatura estava 23,0K abaixo da temperatura em Las Vegas, e onde ele entregou toda sua carga. Quantos litros ele entregou?
O coeficiente de expansão volumétrica do óleo diesel é 9,50x10-4/°C. O coeficiente de expansão linear do aço de que é feito o tanque do caminhão é 11x10-6/?C.
Exercícios
Determine a variação no volume de uma esfera de alumínio com raio inicial de 10 cm quando a esfera é aquecida 0,0° C 
para 100° C. Coeficiente de 
expansão linear do alumínio 
é 23x10-6 /°C.
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(continuação)
Calor é a energia transferida entre um sistema e o ambiente devido à diferença de temperatura entre eles.
Energia também pode ser transferida entre o sistema e o ambiente como trabalho devido a uma força agindo sobre o sistema.
Temperatura e calor
O calor é negativo se a energia é transferia do sistema para o ambiente.
Temperatura e calor
(continuação)
O calor é positivo se a energia é transferida do ambiente ao sistema.
Temperatura e calor
(continuação)
O calor é nulo caso não haja transferência de energia.
Temperatura e calor
(continuação)
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°C para 15,5°C
1 cal = 4,186 Joule
Unidades de calor
Capacidade térmica C:
Absorção de calor pelos corpos sólidos e líquidos
ΔQ = CΔT = C(Tf-Ti)
Calor específico:
Absorção de calor por sólidos e líquidos
ΔQ = cmΔT
É conveniente definir a capacidade térmica por unidade de massa de um material específico: calor específico
A água possui um calor específico muito maior do que o do vidro ou de metais usados em utensílios de cozinha. Isso explica por que a água leva vários minutos para ferver, enquanto a chaleira ou panela atingem rapidamente uma temperatura elevada.
Clique aqui para ver a imagem.
Calor também pode ser absorvido sem aumento de temperatura do sistema. A energia térmica absorvida é utilizada para quebrar ligações químicas e provocar mudança de fases
Calor latente (calor de transformação)
Calor latente (calor de transformação)
Calor latente (fusão ou vaporização)
Lv - calor de vaporização
LF- calor de fusão
Para a água em temperatura normal de evaporação ou de condensação, temos:
Lv=539 cal/g=40,7 kJ/mol=2256 kJ/kg
Para a água em temperatura normal de congelamento ou fusão, temos:
LF=79,5 cal/g=6,01 kJ/mol=33 kJ/kg
(continuação)
Exercícios
Que quantidade de calor deve absorver uma amostra de gelo com massa m=720 g a -10°C para ser levada ao estado 
líquido a 15 a °C?
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Exercícios
Uma barra de cobre cuja massa mc é de 75 g é aquecida em um forno de um laboratório até uma temperatura T de C. A barra 312° é então colocada em um béquer de vidro contendo uma massa de água ma= 220 g. A capacidade calorífica (térmica) Cb do béquer é de 45 cal/K. A temperatura inicial da água e do béquer é Ti=12 °C. Supondo que a barra, o béquer e a água são um sistema isolado e que a água não evapora, encontre a temperatura final do sistema em equilíbrio térmico.
(continuação)
Exercícios
Suponha que em uma escala linear de temperatura X, a água ferva a -53,50° X e se congele a -170° X . Qual a temperatura de 340K na escala X?
Resposta: -91° X.
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(continuação)