Unidade IV - Temperatura, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica - 1ª parte (slide)

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Departamento de Física e Química
Física Geral II
Fluidos, Oscilações e Calor 
Prof. Flávio de Jesus Resende
fjresende@pucminas.br
Prédio 34 – sala 217
3319-4180
1
Física Geral II - Unidade I - Fluidos
Unidade IV - Temperatura, Calor e Primeira Lei da Termodinâmica 
Termodinâmica
A Lei Zero da Termodinâmica
Temperatura
Medindo a Temperatura
Dilatação Térmica
Temperatura e Calor
Absorção de Calor
Calor e Trabalho
Primeira Lei da Termodinâmica
Física Geral II - Unidade IV – Temperatura, Calor e Primeira Lei da Termodinâmica - Professor Flávio de Jesus Resende – DFQ/ICEI - PUC Minas
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física - volume 2 : gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, c2012. Capítulo 18
Referência Bibliográfica
2
Física Geral II - Unidade I - Fluidos
Termodinâmica
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Máquina a vapor de Newcomen -1712
Termodinâmica
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A termodinâmica é o estudo da relação entre as grandezas que caracterizam o estado termodinâmico de um Sistema. 
Variáveis de Estado: Temperatura T, Pressão P, Volume V e Número de mols n
Sistema
T, P, V, n
Fronteira do sistema
Sistema
Termodinâmica
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A termodinâmica estuda também a relação entre o Sistema e o ambiente ao seu redor nos processos termodinâmicos
O Sistema pode estar em “contato” com o ambiente ao seu redor através das trocas energéticas de Calor Q e/ou trabalho W e também através da troca de massa.
Ambiente 
Q > 0
Q < 0
W < 0
W > 0
Sistema
Termodinâmica
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O Sistema Termodinâmico muda de Estado termodinâmico através das trocas de Calor e/ou trabalho com o ambiente ou através da troca de massa
O Processo Termodinâmico é caracterizado pelas variáveis de transformação: Calor Q, Trabalho W, Variação da Energia Interna ΔEi e da Entropia do Sistema ΔS.
Sistema
T1, P1, V1, n1
Sistema
T2, P2, V2, n2
Estado 1
Estado 2
Processo Termodinâmico
Termodinâmica
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Estado 1
T1, P1, V1
Estado 2
T2, P2, V2
Processo Termodinâmico
Temperatura
Todo Sistema possui uma propriedade chamada temperatura
A variação desta propriedade provoca mudanças em outras características do sistema.
Estas características são chamadas Propriedades Termométricas
Exemplos de Propriedades termométricas: Volume, Densidade, Resistência Elétrica, Diferença de Potencial Elétrico, Pressão...
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Temperatura
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Termoscópios
Termômetro de Galileu (1592)
Termômetro a ar – início do século XIX 
Termômetro baseado na variação da densidade de um líquido com a temperatura. 
Lei Zero da Termodinâmica
Considere dois corpos A e B que não estão em contato térmico e um terceiro corpo C que será o nosso termoscópio. 
Se as duas leituras forem as mesmas, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro 
Se forem colocados em contato térmico um com o outro, como na Figura (c), não ocorre nenhuma transferência de energia 
entre eles 
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Lei Zero da Termodinâmica
“Se dois corpos A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si”
Este enunciado pode ser facilmente provado experimentalmente e é muito importante porque nos possibilita definir a temperatura: 
temperatura é a propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com outros corpos 
Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão na mesma temperatura 
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Medindo a Temperatura
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O termômetro é colocado numa mistura de gelo e água em equilíbrio térmico (gelo em fusão), à pressão de 1 atm. Quando a altura da coluna líquida se estabilizar, o termômetro estará em equilíbrio térmico com a mistura. Essa altura da coluna representa a temperatura de zero grau Celsius (0o C). 
O termômetro é colocado em água em ebulição, à pressão de 1 atm. Quando a altura da coluna líquida se estabilizar, o termômetro estará em equilíbrio térmico com a água. Essa altura da coluna representa a temperatura de cem graus Celsius (100o C). 
A Escala Celsius – Anders Celsius (1742) 
Medindo a Temperatura
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A Escala Celsius – Anders Celsius (1742) 
Divide-se o intervalo entre o ponto de fusão 0 oC e o ponto de ebulição da água 100 °C em 100 partes iguais. O intervalo entre duas divisões sucessivas representa uma variação de temperatura de 1 C° 
Termômetro de Celsius 
Medindo a Temperatura
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Na escala Fahrenheit o ponto de fusão do gelo é marcado com 32 graus fahrenheit (32 °F) e o ponto de ebulição da água com 212 °F. 
A Escala Fahrenheit– Gabriel Fahrenheit (1724) 
Medindo a Temperatura
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A Escala Celsius versus a escala Fahrenheit
 
Na escala Fahreneiht o intervalo entre as temperaturas de fusão e ebulição corresponde a 180 divisões. Na escala Celsius esse mesmo intervalo corresponde a 100 divisões. Assim, a relação entre as temperaturas nas escalas Fahrenheit e Celsius é dada por: 
Medindo a Temperatura
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A Escala Kelvin – Willian Thomson (1848)
A escala Kelvin usa como propriedade termométrica a Pressão e pode ser definida usando-se um Termômetro de Gás a volume constante
Uma esfera oca de alumínio com uma manômetro acoplado e cheio de gás nitrogênio (a) o recipiente é mantido a 0 °C colocando-o em água com gelo e (b) o recipiente é mantido a 100 °C colocando-o em água fervente.
Termômetro de Gás a volume constante em água fervente
Termômetro de Gás a volume constante em água com gelo em equlíbrio
manômetro
Medindo a Temperatura
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A Escala Kelvin – Willian Thomson (1848)
A pressão do gás no recipiente é proporcional à temperatura
 
Água em ebulição
gelo em fusão
A variação da pressão com a temperatura depende da pressão inicial do gás no recipiente mas tende a zero, por extrapolação, para o mesmo valor de temperatura Celsius: 
Medindo a Temperatura
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Resende – DFQ/ICEI - PUC Minas
A Escala Kelvin – Willian Thomson (1848)
Água em ebulição
gelo em fusão
A variação da pressão com a temperatura depende do gás no recipiente mas tende a zero para o mesmo valor de temperatura Celsius 
Medindo a Temperatura
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A Escala Kelvin – Willian Thomson (1848)
Medindo a Temperatura
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A relação entre as escalas
Medindo a Temperatura
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Termômetros
A escala termométrica e o tipo de termômetro depende de sua aplicação
-Termômetro de bulbo de mercúrio para medida da temperatura do corpo humano.
-Termômetro baseado na diferença de potencial entre um par de fios (termopar).
Medindo a Temperatura
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Temperaturas
Medindo a Temperatura
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Ex. 1 - (a) Exprima em Kelvin as seguintes temperaturas (I) média do corpo humano (37°C) (II) ponto de ebulição do oxigênio (-183°C) (b) Converta para °C as seguintes temperaturas: (a) 223 K; (c) 523 K;
Ex. 2 - A temperatura de um objeto varia de 28°C para 42°C. Determine o valor da variação da temperatura do objeto na escala Kelvin.
Ex. 3 - Um termoscópio é um dispositivo experimental, como o mostrado na figura, capaz de indicar a temperatura a partir da variação da altura da coluna de um líquido que existe dentro dele. Um aluno verificou que, quando a temperatura na qual o termoscópio estava submetido era de 10°C, ele indicava uma altura de 5 mm. Percebeu ainda que, quando a altura havia aumentado para 25 mm, a temperatura era de 15°C. Quando a temperatura for de 20°C, a altura da coluna de líquido, em mm, será de
a) 25. xxx b) 30. xxx c) 35. xxx d) 40. xxx e) 45.
   
Medindo a Temperatura
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Ex. 5 - Um termômetro de gás a volume constante é calibrado em gelo seco (dióxido de carbono no estado sólido, temperatura de -80 °C e em álcool etílico em ebulição (temperatura de 78°C). Os valores das duas pressões são 0,9 atm e 1,635 atm, respectivamente. Determine: (a) o valor do zero absoluto fornecido pela calibração; (b) o valor da pressão no ponto de congelamento da água; (c) o valor da pressão no ponto de ebulição da água.
Dilatação Térmica
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Dilatação Linear:
Se a temperatura de uma barra metálica de comprimento L0 aumenta de um valor ΔT o comprimento aumenta de um valor ΔL
Dilatação Térmica
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Dilatação Linear:
O coeficiente de dilatação Linear depende do material da barra.
Material
α(x10-6)°C-1
Alumínio
22
Latão
19
Concreto
12
Cobre
17
Diamante
1
Ouro
14
Chumbo
29
Borracha
77
Aço
13
Tungstênio
4,5
Dilatação Térmica
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Dilatação Linear:
Ex. 6 - O vão central da ponte Mackinac em Michigan nos EUA tem comprimento de 1158 m. A ponte é feita de aço. Suponha que a menor temperatura possível seja de -50°C e que a maior temperatura possível seja de 50°C. Quanto espaço deve estar disponível para a expansão térmica no vão central da ponte?
 juntas digitais entre segmentos de estradas: (a) aberta (b) fechada 
 Ponte Mackinac - Michigan EUA
Dilatação Térmica
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Dilatação Linear:
Dilatação Térmica
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Dilatação Superficial
Se a temperatura de uma superfície metálica de comprimento área A0 aumenta de um valor ΔT a área aumenta de um valor ΔA. Cada dimensão da superfície será linearmente alterada. Para uma superfície quadrada com Lado L a área é dada por A= L2 tomando a diferencial dos dois lados desta expressão obtemos dA= 2LdL e
Dilatação Volumétrica
Se a temperatura de um objeto de volume V0 aumenta de um valor ΔT o volume a aumenta de um valor ΔV. Cada dimensão da superfície será linearmente alterada. Para um cubo de Lado L o volume é dado por V= L3 tomando a diferencial dos dois lados desta expressão obtemos dV= 3L2dL e
e
Dilatação Térmica
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Ex 7. Os rebites de alumínio usados na construção de aviões são feitos com diâmetro ligeiramente maior do que o diâmetro do buraco e resfriados com “gelo seco” (CO2 sólido) antes de serem colocados nos respectivos buracos. Sabendo que o diâmetro de um buraco é 4,5 mm qual deve ser o diâmetro de um rebite a 23°C para seu diâmetro fique igual ao do buraco quando resfriado até -78°C.
 
Ex8. A densidade da água é 999,73 kg/m3 a uma temperatura de 10°C e 958,38 kg/m3 à temperatura de 100°C. Determine o coeficiente de dilatação volumétrico médio da água entre estas temperaturas
V (m3)
Dilatação anômala da água