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Termodinâmica Aplicada
Prof. Cesar Augusto Lampe Linhares da Fonseca
C-Ap 2019
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O que é Termodinâmica
Termologia
A invenção do termômetro pode ser considerado como o início de tudo. Tudo iniciou com a arte de construir termômetros. Hoje a termometria é considerada uma parte da Termologia, que essencialmente pode ser entendida como dividida em:
Termometria (estuda temperatura)
Dilatação Térmica (a variação dimensional dos corpos como consequência da variação de temperatura)
Calorimetria (energia térmica envolvida nos processos térmicos)
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O que é Termodinâmica
É importante notar que os conceitos de temperatura e de calor estão tão intimamente ligados que é difícil falar num sem falar no outro.
Esta dificuldade aparece desde os primórdios, isto é, desde o tempo em que houve interesse em se entender o que era o Fogo.
Temperatura é um conceito, que tem um grau de dificuldade elevado de entendimento, mas é perfeitamente possível de ser trabalhado de forma que um bom entendimento possa ser obtido.
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A Natureza do Calor
A Natureza do Calor
Calor, um dos componentes primordiais da ciência térmica não é conhecido no que diz respeito a sua natureza intrínseca, isto é, a causa.
Ao se afirmar que calor é fogo ou então que é uma substância fluida chamada calórico ou que é energia, apenas se mudam os termos, mas não adentram na sua essência.
Afirmar que o calor está ligado ao movimento vibratório nas moléculas, também não adianta muito, pois ainda falta explicar a causa desses movimentos.
Calor como outros efeitos em física, tais como gravidade, luz e eletricidade são desconhecidos quanto a sua natureza intrínseca.
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A definição do calor
Então, calor pode ser definido (esta não é a única possibilidade) como “aquilo” que é capaz de alterar o estado térmico de um corpo, ou então alterar o estado de agregação da matéria que compõe o corpo.
Por exemplo, um corpo pode se aquecer (alteração do estado térmico), ou então passar da fase sólida para a fase líquida (alteração do estado de agregação da matéria) quando se fornece calor a ele.
O calor é definido como a forma de energia que é transferida através e para um sistema quando há uma diferença de temperatura, sendo que calor é transferida do corpo de alta temperatura para o de baixa temperatura.
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A definição de temperatura
A temperatura é uma medida de qualidade de estado de um material. A qualidade pode ser observada mais como uma entidade abstrata do que qualquer escala de temperatura específica que a mede. Alguns a descrevem como quentura. 
A quentura pode variar de posição a posição. Sabe-se que quando há contato entre dois corpos com temperatura diferente, há transmissão espontânea de calor até que ambos estejam em equilíbrio térmico. 
Para gases ideais, a temperatura é a média da energia cinética das moléculas.
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Devido ao fato do conhecimento sobre o calor (sobre os fenômenos térmicos) ter origem em nossa sensação de quente e frio, somos levados a dificuldades no entendimento e na separação entre os conceitos de calor e de temperatura.
Ainda hoje estes conceitos são difíceis de serem diferenciados com clareza. Isto fica bastante visível pela frequência de uso de expressões como: 
aumentar a caloria; 
dar mais caloria, etc. 
Querendo expressar a ocorrência de um aumento de temperatura não da quantidade de calor.
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Efeitos gerais do Calor
Os fenômenos térmicos envolvem diversos efeitos, entre eles 
os fisiológicos 
os físicos 
os químicos 
Em nosso estudo os fenômenos térmicos serão tradados sob o ponto de vista da Física. Nossa atenção estará voltada para os fenômenos físicos, mas quando necessárias referências serão feitas aos outros campos da ciência.
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O efeito fisiológico é aquele que fornece a sensação de quente e frio.
É a sensação que se experimenta ao se tocar um corpo quente ou um corpo frio
Os efeitos físicos são, por exemplo, a mudança de dimensão do corpo (dilatação), a mudança de fase (mudança do estado de agregação da matéria – por exemplo, passar da fase gasosa para a fase líquida), a mudança de cor de um corpo, etc. Tudo isto como consequência da variação da temperatura do corpo.
Os efeitos químicos podem ser a decomposição de uma substância, a oxidação ou a combinação de moléculas diferentes por causa do calor.
Os efeitos químicos são objetos de estudo da química ou da físico-química. 
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Duas características do efeito térmico
Os fenômenos térmicos têm seus efeitos ligados a duas características básicas e diferentes, que podem se associar aos termos qualidade (intensiva) e quantidade (extensiva).
Para evidenciar a característica qualidade, pode-se utilizar uma experiência simples, possível de ser realizada com um copo e um balde, ambos contendo água.
Ex:
Pegue um copo contendo água em ebulição (água fervendo) e um balde contendo água na "temperatura ordinária", obtida em uma torneira, por exemplo.
É fácil verificar que no copo d’água pode-se derreter um pequeno bloco de parafina ou cozer um ovo de codorna, enquanto no balde esses eventos são absolutamente impossíveis de serem realizados, mesmo com toda a quantidade de água contida nele.
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Portanto, é possível concluir que uma pequena quantidade de água fervente possuiu uma qualidade que não existe em uma grande quantidade de água.
Ex2
Coloca-se 1 kg de gelo dentro da água contida no balde. O gelo se funde totalmente, apesar de o fazer lentamente. Entretanto ao se utilizar um bloco de gelo pesando os mesmos 1 kg, mas no qual foi, convenientemente, feito uma cavidade de forma tal que ele possa receber o conteúdo do copo que contém a água fervendo, observa-se, inicialmente, o gelo derreter de forma rápida para logo a seguir parar de derreter, antes mesmo que uma quantidade apreciável do gelo derreta.
Pode-se então concluir que a água do balde (“água fria”) possui uma característica inexistente na água fervente e certamente esta característica está ligada àquilo que é associado ao termo quantidade.
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A outra característica, a quantidade entretanto pode ser somada sem nenhum problema.
Portanto, uma diferença fundamental entre essas duas características quantidade e qualidade é que enquanto a primeira (quantidade) é aditiva a segunda não o é.
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Temperatura Fisiológica
Temperatura Fisiológica
Os efeitos fisiológicos, entretanto são por demais relativos para que possam ser utilizados em estudos que seguem critérios científicos. 
Uma das experiências mais clássicas que se pode realizar para tornar bastante evidente esta relatividade foi proposta por John Locke (1623-1704), ao redor de 1690
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Pegue três recipientes, A, B e C
Coloque água fria recipiente A; água quente no recipiente C e água tépida (nem quente nem fria) no recipiente B 
Utilize as mãos como se segue: 
Coloque a mão direita dentro do recipiente A que contém água fria. Isto permite identificar que a água contida no recipiente A está fria, o que está correto.
Mantendo a mão direita mergulhada no recipiente A, introduza agora a mão esquerda no recipiente C. A informação sobre a temperatura fisiológica da água no recipiente C será que ela está quente, o que está correto.
Agora, depois de deixar as mãos um certo tempo mergulhada na água dos recipientes A e C, simultaneamente, retire as mãos desses recipientes e introduza-as na água contida no recipiente B
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A informação de temperatura fisiológica fornecida pela mão direita será de que a água no recipiente B está quente, enquanto que ao mesmo tempo, a mão esquerda nos informa que a água no recipiente B está fria.
Como, é impossível obter uma temperatura fisiológica única isto é, uma temperatura que todos concordem e, também, porque fazer apreciação de variações pequenas de temperatura é quase impossível, isto possibilita afirmar que o tato não é exato nem bastante delicado para ser usado na avaliação de temperaturas.
Por este motivo, somos levados a procurar outra forma de obter informação sobre temperatura, uma forma que permita isolar essas características fisiológicas não desejáveisna apreciação da temperatura
A dilatação é um dos efeitos mais visível que ocorre em um corpo quando este sofre uma modificação do seu estado térmico
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Termômetro
A dilatação
Dilatação é a variação do volume de um corpo. A dilatação é visível nos sólidos, muito evidente nos líquidos e bastante mais evidente nos gases.
O fenômeno da dilatação pode ser usado (e foi) para caracterizar o estado térmico (temperatura) de um corpo.
É famoso o dispositivo que Galileu (1564-1642) construiu entre 1592 e 1597 (não se sabe a data exata) e utilizou para identificar (caracterizar) o estado térmico (temperatura) de um corpo
Este dispositivo consistia num bulbo de vidro esférico, ligado a um tubo também de vidro, que prende um pouco de ar através de uma coluna de líquido que sobe até uma certa altura no tubo.
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Este dispositivo foi chamado de termoscópio de Galileu.
do grego: thérme = calor; skopein = observar 
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No termômetro de Galileu, os pequenos bulbos de vidro são preenchidos com um líquido colorido. Aqueles que eles pesam menos que a água deslocada, eles flutuam. Do contrário, afundam. As densidades de cada bulbo são ajustadas. Desta forma, quando o líquido altera a sua densidade conforme varia sua temperatura, os bulbos sobem ou descem.
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Tipos de termômetros
Expansão Linear
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Bimetal
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Dilatação Volumétrica de Líquido
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Óptico
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Tipo Resistivo
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Gás – Pressão Constante
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a Gás – Volume Constante
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Termoelétrico/Termopar
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Substância Termométrica e 
Propriedade Termométrica 
A substância termométrica caracteriza o material ou a substância química, que está sendo utilizada no termômetro e da qual será utilizada uma propriedade física para caracterizar o estado térmico (temperatura).
Por exemplo:
Para uma mesma variação de temperatura, a variação de volume em um gás é maior do que a variação de volume num líquido e este a tem maior do que a dos sólidos.
Outra propriedade importante para uma substância termométrica é a fidedignidade, isto é, que ela seja fiel a si mesmo. Para isto ela deve, nas mesmas condições, retornar sempre ao mesmo valor e indicar sempre o mesmo grau, ou seja, o mesmo estado térmico.
Sólidos não são fidedignos
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Líquidos são de 50 a 100 vezes mais sensíveis que os sólidos. Quando se tem os devidos cuidados na construção, os termômetros de líquido em vidro podem ser considerados sensíveis e precisos.
Por sua vez, os gases se dilatam cerca de 300 vezes mais que os sólidos e sempre retornam ao mesmo volume, para a mesma temperatura.
Por isto, são reservados quase que exclusivamente para as pesquisas de laboratórios, onde podem ser utilizados sob condições mais controladas.
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Para cada um dos termoscópios indicados a seguir é possível caracterizar tanto a propriedade quanto a substância termométrica.
Termoscópio feito com uma barra longa de ferro.
substância termométrica
Ferro
Propriedade termométrica
Comprimento da barra ()
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Termoscópio feito com um resistor elétrico 
(por exemplo, um que utilize uma liga de níquel-cromo)
Substância termométrica
níquel-cromo
Propriedade termométrica
Resistividade elétrica (X = )
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Estados de um Corpo
Fase
O estado de agregação da matéria é definida pelo palavra “fase”: 
Fase sólida, fase líquida e fase gasosa
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Estado
Para conhecer o estado em que se encontra um corpo (status quo ou o seu modo de ser ou estar) é necessário conhecer uma lista que contém as grandezas macroscópicas e os valores assumidos por elas.
É bastante difícil, se não impossível, conhecer todas as grandezas físicas de um corpo, portanto, a lista com a qual se trabalha será uma lista que contém somente algumas grandezas físicas, não todas
A escolha de quais grandezas devem compor a lista é definida pela área de estudo: 
Térmica
Mecânica
Ótica
eletricidade, etc.
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Estado
Identificação do estado de um corpo num dado momento
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Estado
Obviamente que ao se conhecer somente uma lista parcial (contendo um número reduzido de grandezas físicas), é fundamental que as leis, as relações e os princípios que se aplicam ao fenômeno analisado, sejam conhecidas.
Este conjunto de informações (leis, relações e princípios) é o que se denomina teoria.
A lista reduzida (ou lista inicial) junto com o conhecimento teórico permite então gerar todas as outras grandezas, ampliando a lista inicial que define o estado do corpo.
Criar uma teoria, dispor de um conjunto de leis, relações e informações, que permite caracterizar (descrever) o mundo baseado apenas em uma pequena lista de propriedades.
Esta ideia se tornou evidente com Descartes e depois com os outros cientistas (principalmente com Newton) que nos deixaram um entendimento de que o tratamento matemático e reducionista dos fenômenos estudados – a instrumentalização – é uma característica essencial da ciência.
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Estado
Para a ciência térmica, as grandezas mais importantes são: 
pressão, volume e temperatura
Estas são as grandezas físicas mais relevantes, porque junto com as leis da termodinâmica e as várias relações e conhecimentos disponíveis permitem definir e estudar a maioria dos fenômenos térmicos.
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Na prática, ao menos duas propriedades têm que mudar para que haja um novo estado termodinâmico.
Não é permitida a mudança de somente uma propriedade
Ao menos duas grandezas têm que ser diferentes. Isto é um fato experimental
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É necessário apresentar o conceito de equilíbrio
um corpo está em um estado de equilíbrio, se permanece neste estado com o transcorrer do tempo.
Portanto a condição de equilíbrio indica que o estado do corpo é sempre o mesmo, independentemente do tempo, isto é, com o correr do tempo.
O equilíbrio térmico de um corpo ocorre quando a propriedade termométrica permanece constante, ou seja, inalterada com o transcorrer do tempo.
Esta afirmação pode se feita da seguinte maneira: um corpo está no equilíbrio térmico quando as propriedades termométricas (todas elas, inclusive aquela escolhida momentaneamente para se trabalhar) são constantes no tempo.
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Transferência de Calor
Os mecanismos de transferência de energia térmica (calor) entre sistemas (corpos) são três
condução
convecção 
radiação
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Condução
Na condução, é necessário o contato físico direto, pois a energia passa de uma parte do corpo para outra, passando sucessivamente pelas partes imediatamente próxima.
A energia térmica (calor) passa de molécula em molécula de um lado do corpo para o outro
Contato térmico
Diz-se que o contato térmico entre dois corpos é realizado quando eles podem trocar calor entre si, isto é, quando os sistemas podem passar energia térmica um para o outro.
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Convecção
Na convecção, também há contato físico direto, o processo implica em que a pessoa no fim da fila que pegou o balde, em vez de passar o balde de mão em mão pela fila, carrega ela mesma o balde para o início da fila, havendo mudança de ordem das pessoas na fila.
Como nos sólidos não há mobilidade das moléculas, o processo de convecção só é possível nos fluidos, isto é, líquidos e gases.
Há transferência de calor acompanhada por um transporte de massa (movimentos das moléculas) nas linhas de correntes que formam o fluido.
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Radiação
Na radiação, não há contato físico direto, há emissão e propagação de energia térmica por meio de fenômenos ondulatórios, que se propaga de um ponto a outro no vácuo ou num meio material transparente a radiação.
O contato térmico não obriga necessariamente no contato físico direto.
O Sol e a Terra estão em contato térmico, mas não estão em contato físico direto.
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Azulejos do ônibus espacial
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Termografia do ônibus espacial durante a reentrada
1650°C. Mach 15.2
Radiação de corpo negro
 [W.m²]
Emissividade 
Potência de radiação, multiplica-se pela área da superfície
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Temperatura de cores
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Temperatura do universo
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