Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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altura onde dz é tão pequeno que a densidade não sofre alteração. 
Sua expressão deverá ser uma função de p , p, dz e, talvez, de 
algumas constantes. A pressão diminui à medida que você ganha 
altitude; logo, tenha cuidado com os sinais. 
b. Usando a expressão que você obteve no item a, escreva uma 
expressão para dp, a quantidade pela qual a pressão varia ao se ir 
de z para z + dz. A pressão está diminuindo; logo, sua expressão 
deve ser negativa. 
c. Você precisa integrar a expressão obtida no item b, mas não pode 
porque a densidade p não é uma constante. Se a temperatura 
permanecer constante, que é o que consideraremos, a lei do 
gás ideal implica que a pressão será diretamente proporcional à 
densidade, ou seja, pi p = Pc/ p0, onde p0 e p0 são, respectivamente, 
os valores da pressão e da densidade ao nível do mar. Use isso 
para reescrever sua expressão anterior para dp em função de p, dz 
e de algumas constantes. 
d. Agora você dispõe de uma expressão integrável, embora deva 
primeiro dividi-la por p para obter todos os termos de pressão de 
um lado da equação. Efetue a integração e use o fato de que p = 
p0 em z = O para determinar a constante de integração. Depois, 
a pressão correspondente à altitude z. O seu resultado final deve 
ser da forma p = Po exp( -z!Zo)· 
e. A grandeza z0 é chamada de escala de altura da atmosfera. Trata-
se da altitude na qual p = e - 1p0, ou cerca de 37% da pressão ao 
nível do mar. Determine o valor numérico de Zo· 
f. A camada mais baixa da atmosfera, chamada de troposfera, tem 
uma altura de aproximadamente 15.000 m. Esta é a região da 
atmosfera onde ocorrem os fenômenos climáticos. Acima dela, 
fica a estratosfera, onde as condições são muito diferentes. 
Desenhe um gráfico da pressão versus altitude que cubra altitudes 
de até 15.000 m. 
Comentário: Consideramos uma atmosfera de temperatura cons-
tante. Na atmosfera real, a temperatura na troposfera diminui com o 
aumento da altitude. Isso altera a forma como a pressão varia, mas 
não de maneira muito significativa. O resultado que você obteve 
constitui uma aproximação razoavelmente boa. 
RESPOSTAS DAS QUESTÕES DO TIPO PARE E PENSE 
Pare e Pense 15.1: P. = pb = p,. A densidade depende somente do 
material do qual é feito o objeto, e não, do tamanho de suas partes. 
Pare e Pense 15.2: e. Todos eles são tubos abertos; logo, o líquido sobe 
até a mesma altura nos três, apesar de eles terem formatos diferentes. 
Pare e Pense 15.3: F 0 > Fª = F,. As massas em c não se somam.·A 
pressão sob cada um dos pistões grandes é mg/A2, e a pressão sob o 
pistão pequeno deve ser a mesma. 
Pare e Pense 15.4: b. O peso da água deslocada é igual ao peso do 
cubo de gelo. Enquanto o cubo de gelo derrete e vira água, a quantidade 
de gelo derretido preencherá exatamente o volume que o cubo de gelo 
agora desloca. 
Pare e Pense 15.5: 1 cm3/s sai. O fluido é incompressível, portanto a 
soma do que entra deve ser equivalente à soma do que sai. Sabe-se que 
estão entrando 13 cm3/s, enquanto 12 cm3/s estão saindo. Logo, o 1 
cm
3 /s adicional deve sair para que haja o equilíbrio. 
Pare e Pense 15.6: hb > hd > h, > h \u2022. O nível de líquido será maior 
onde a pressão for menor. A pressão será menor onde a velocidade de 
fluxo for maior. A velocidade de fluxo será maior no tubo mais estreito 
e zero ao ar livre. 
16 Uma Descrição 
Macroscópica da Mat éria 
Sólido, líquido e gasoso - os três 
estados da matéria . 
..,.. Olhando adiante 
O objetivo do Capítulo 16 é aprender 
as características dos sistemas 
macroscópicos. Neste capítulo, você 
aprenderá a: 
\u2022 Entender as propriedades básicas 
de sólidos, líquidos e gases. 
\u2022 Interpretar um diagrama de fase. 
\u2022 Trabalhar .com diferentes escalas de 
temperatura. 
\u2022 Usar a lei do gás ideal 
\u2022 Entender os processos do gás ideal 
e como representá-los em um 
diagrama pV. 
<1111 Em retrospectiva 
O conteúdo deste capítulo depende 
da energia térmica e das propriedades 
dos fluidos. Revise: 
\u2022 Seção 11 .7 Energia térmica 
\u2022 Seções 15. l-15.3 Fluidos e 
pressão 
Um quarto cheio de ar, um béquer com água e este iceberg flutuando são exemplos 
de sistemas macroscópicos, sistemas grandes o suficiente para serem vistos ou tocados. 
Esses são os sistemas de nossa experiência cotidiana. Nosso objetivo neste capítulo é 
duplo: 
\u2022 Aprender que tipos de.propriedades físicas caracterizam os sistemas macroscópi-
cos. 
\u2022 Começar o processo de relacionar as propriedades macroscópicas de um sistema 
aos movimentos subjacentes dos átomos que o constituem. 
As propriedades de um sistema macroscópico como um todo são chamadas de pro-
priedades macroscópicas. Um exemplo óbvio é a massa do sistema. Outras proprieda-
des macroscópicas são o volume, a densidade, a temperatura e a pressão. Os sistemas 
macroscópicos também são caracterizados por serem sólidos, líquidos ou gasosos. Es-
ses são os chamados estados ou fases da matéria, e estaremos interessados em saber 
quando c co1no um sistema muda de um estado para outro. 
Em última análise, gostaríamos de compreender as propriedades macroscópicas dos 
sólidos, líquidos e gases em termos dos movimentos microscópicos de seus átomos 
ou moléculas. Desenvolver esta conexão micro/macro exigirá vários capítulos, mas 
começaremos estabelecendo as bases neste capítulo. Este esforço para compreender 
as propriedades macroscópicas em termos de átomos pagará belos dividendos quando, 
posteriormente, chegarmos na eletricidade e, a seguir, na física quântica. 
CAPÍTULO 16 \u2022 Uma Descrição Macroscópica da Matéria 481 
16.1 Sólidos, líquidos e gases 
O cubo de gelo que você tira do congelador logo se torna uma poça de água líquida. 
Então, mais lentamente, ele evapora, tornando-se vapor de água no ar. A água é singular. 
Ela é a única substância cujas três fases - sólida, líquida e gasosa - são conhecidas da 
experiência cotidiana. 
Cada elemento e a maioria dos compostos podem existir como sólido, líquido ou 
gás. Uma transformação de líquido para sólido (solidificação ou fusão) ou de líquido 
para gás (ebulição ou condensação) é chamada de mudança de fase. Estamos familiari-
zados com apenas uma, ou talvez duas, das fases da maior parte das substâncias porque 
seus pontos de fusão e/ou de ebulição estão muito além da experiência humana normal. 
A noção de três fases distintas não é tão útil no caso de sistemas mais complexos. 
Um pedaço d~ madeira é sólido, mas a madeira líquida ou gasosa não existe. Cristais 
líquidos, que são usados para mostrar os dígitos de um relógio digital, apresentam carac-
terísticas de sólidos e de líquidos. Os sistemas complexos possuem muitas propriedades 
interessantes, mas este texto se concentrará nos sistemas macroscópicos para os quais os 
três estados sejam distintos. 
NOTA \u2022 O uso da palavra &quot;fase&quot; aqui não tem qualquer relação com afase ou com a 
constante de fase do movimento harmônico simples e das ondas. .,. 
Sólidos, líquidos e gases 
Os átomos vibram ao redor 
de posições de equilíbrio. 
. \ 
~.-.,.----.,...._ 
Os ácomos são agrupados por ligações 
moleculares fracru.. mas podem 
··e~corregar&quot;' uns cm torno dos outros. 
Os metais rígidos como o aço podem 
ser derretidos e, a uma temperatura 
suficientemente alta, até mesmo 
vaporizados. 
Os átomos cscão muito afa~tados 
e ,·iajam li\Temente pelo espaço 
exceco por e\·entuais colisões. 
F-1 Lf~ ~ Ebulição~ ~LJ 
Um sólido é um sistema macroscópico rígido 
com forma e volume bem-definidos. Ele 
consiste de átomos corpusculares conectados 
por ligações moleculares do tipo mola. Cada 
átomo vibra ao redor de sua posiç~e 
equilíb~o. mas ele não tem liberdade de se 
movimentar no interior do sólido. Os sólidos 
são quase incompressíveis, o que significa que 
os átomos da matenal estão o mais próximos 
possível. 
O sólido representado aqui é um cristal,