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Termodinâmica

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Um feixe luminoso pode ser:
cônico convergente: os raios de luz convergem para um ponto.
cônico divergente: os raios de luz divergem a partir de um ponto.
cilíndrico paralelo: os raios de luz são paralelos entre si.
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Um feixe luminoso pode ser cônico convergente, onde os raios de luz convergem para um ponto, ou cônico divergente, onde os raios de luz divergem a partir de um ponto.

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Chamamos de Termologia a parte da Física que estuda os fenômenos relativos ao calor, ao aquecimento, ao resfriamento, às mudanças de estado físico em corpos (que recebem ou cedem algum tipo de energia), às mudanças de temperatura, etc. A termometria é a parte da Termologia que tem como objetivo descrever o comportamento termométrico das substâncias, dos corpos ou dos sistemas. No estudo da Termometria, é importante definirmos alguns conceitos que nos serão úteis na descrição dos fenômenos. São eles: Temperatura Temperatura é a grandeza que caracteriza o estado térmico de um corpo ou de um sistema. Fisicamente, os conceitos quente e frio são diferentes dos que costumamos usar no nosso cotidiano. Comumente, associamos esses conceitos à sensação que eles proporcionam quando tocamos algum objeto. No entanto, pessoas diferentes, em um mesmo ambiente, podem experimentar sensações térmicas diferentes, visto que os conceitos de quente e de frio são subjetivos e dependem das condições às quais estamos submetidos. Podemos definir como quente um corpo cujas moléculas agitam-se muito, ou seja, com alta energia cinética. Analogamente, um corpo frio é aquele cujas moléculas têm baixa agitação. Ao aumentar a temperatura de um corpo ou de um sistema, pode-se dizer que o estado de agitação de suas moléculas também aumenta.

Para medir a temperatura de um corpo utilizando um termômetro, é preciso esperar o equilíbrio térmico. Isso significa que, uma vez colocado em contato com o corpo (contato térmico), é preciso esperar um determinado intervalo de tempo até que o termômetro e o corpo atinjam a mesma temperatura. O valor que o termômetro indicar no equilíbrio térmico é o valor da temperatura do corpo. Obviamente, como toda medida, é necessário o estabelecimento de um padrão. Ao longo dos anos, foram desenvolvidos muitos padrões ou escalas para a medida da temperatura. O padrão adotado pelo SI, desde 1954, trata-se do ponto tríplice da água (temperatura em que a água coexiste nos três estados físicos — sólido, líquido e vapor. Isso ocorre à temperatura de 0,01° C ou 273,16 K, e à pressão de 610 Pa, ou 4,58 mmHg).

Construindo um gráfico pV, obtemos: Analisando o gráfico, vemos, claramente, que o volume é constante em uma transformação isométrica, visto que apresenta uma reta paralela ao eixo y (eixo das pressões). Exemplo: Um gás que se encontra à temperatura de 200 K, é aquecido até 300 K, sem mudar de volume. Se a pressão exercida no final do processo de aquecimento é 1000 Pa, qual era a pressão inicial? Solução: Equação de Clapeyron Relacionando as leis dos gases já estudadas (Lei de Boyle, Lei de Charles e Lei de Charles e Gay-Lussac), é possível estabelecer uma equação que relacione as variáveis de estado (pressão, volume e temperatura absoluta) de um gás perfeito. Assim, conforme já dito, de acordo com a Lei de Boyle, a pressão e o volume são inversamente proporcionais. A Lei de Charles e Gay-Lussac diz que o volume é diretamente proporcional à temperatura absoluta. Já a Lei de Charles afirma que a pressão é diretamente proporcional à temperatura absoluta. Tendo em mente que a pressão de um gás é provocada pela colisão entre suas partículas, isto sugere que a pressão também é dependente do número de partículas, ou, mais especificamente, da massa do gás considerado. Desse modo, podemos escrever a seguinte relação matemática: Onde K é uma constante que depende apenas da natureza do gás. Além disso, pode-se comprovar experimentalmente que, para diferentes gases, o valor dessa constante é inversamente proporcional à massa molar (M) de cada gás: Onde R é uma constante de proporcionalidade igual para todos os gases. Por conta disso, a constante R é chamada de constante universal dos gases perfeitos. Substituindo o resultado acima na primeira equação, obtemos: Sendo a razão m/M o número de mols (n) de um gás, a equação acima passa a ser: Onde: p = pressão; V = volume; n = nº de mols do gás; R = constante universal dos gases perfeitos; T = temperatura absoluta. A expressão acima chama-se equação de Clapeyron em homenagem ao físico francês Paul Émile Clapeyron, que foi quem a estabeleceu. Constante Universal dos Gases Perfeitos T = 0° C = 273 K (é ncessário utilizar a escala absoluta); n = 1 mol; V = 22,4 L. Se substituirmos esses valores na equação de Clapeyron, teremos: Agora, se utilizarmos outro conjunto de dados, no qual a pressão é dada em Pa e o volume é dado em m3, obteremos: Exemplo: Qual é o volume ocupado por um mol de gás perfeito submetido à pressão de 5000 N/m², a uma temperatura igual a 50° C? Dados: 1 atm = 10000 N/m² Solução: Substituindo os valores na equação de Clapeyron: Lei Geral dos Gases Perfeitos Por meio da equação de Clapeyron, é possível obtermos uma lei que relaciona dois estados diferentes de uma transformação gasosa, desde que não haja variação na massa do gás. Considerando dois estados (1) e (2), em que as grandezas envolvidas sejam: Podemos escrever a equação de Clapeyron para ambas as situações. Assim, obtemos: Essa equação é chamada lei geral dos gases perfeitos. Nessas transformações gasosas, a massa do gás se mantém constante, sendo modificadas apenas as variáveis de estado (pressão, volume e temperatura). Assim, a lei geral dos gases perfeitos garante a validade da equação: as partículas. Nesse tipo de mistura de gases perfeitos, o número de mols da associação é igual à soma do número de mols dos gases que compõem a mistura. Assim: Considerando a equação de Clapeyron, temos que: Escrevendo a equação de Clapeyron em função do número de mols em cada caso, obtemos: E, para a mistura, podemos escrever: Assim, portanto, fica evidente que, em uma mistura de gases ideais, basta somarmos as contribuições do número de mols de cada um dos participantes da mistura. Estando um gás 1 sob uma pressão p1, a uma temperatura T1 e ocupando um volume V1 e um gás 2 sob uma pressão p2, à temperatura T2 e volume V2, podemos expressar a mistura entre os dois da seguinte forma: Teoria Cinética dos Gases No início do estudo sobre gases perfeitos, foi feita uma análise macroscópica, na qual foi definido um modelo teórico dos gases baseado nas variáveis de estado (pressão, volume e temperatura). Agora, daremos destaque ao caráter microscópico desse estudo, introduzindo a chamada teoria cinética dos gases. Nesse modelo, por conta do exacerbado número de partículas por unidade de volume, as considerações feitas a respeito representam o que deve acontecer, em média, com as partículas do gás. Assim: • uma porção de gás perfeito é composta por um grande número de moléculas em movimento caótico; • as dimensões das moléculas são desprezíveis frente às distâncias por elas percorridas entre as sucessivas colisões; • os choques entre as moléculas são considerados colisões elásticas (não há perda de energia cinética nem tampouco da quantidade de movimento); • as colisões têm tempo de duração desprezível se comparadas com o tempo entre colisões sucessivas; • entre colisões sucessivas, o movimento das moléculas é retilíneo e uniforme (desprezam-se as forças gravitacionais e intermoleculares); • as forças intermoleculares só são "observadas" durante as colisões; • os choques entre as moléculas do gás podem ser explicados pela Mecânica Newtoniana. Obs.: algumas das considerações acima já haviam sido apresentadas na definição de gás perfeito, no início de nosso estudo sobre gases. Velocidade Média Quadrática No interior de um recipiente em repouso, sabemos que há partículas de gás se deslocando em todas as direções e em todos os sentidos. Isso faz com que a velocidade média das partículas seja nula; no entanto, as partículas ainda possuem energia cinética. É possível, portanto, calcular a energia cinética média das partículas. Sendo N o número de partículas do gás, temos que: Onde o termo entre parênteses é chamado de velocidade média quadrática (ou velocidade quadrática média). A Temperatura na Teoria Cinética Utilzando as leis da Mecânica Newtoniana, podemos escrever a pressão da seguinte forma: (I) Onde é a velocidade média quadrática. Reorganizando os termos: (II) Partindo da equação de Clapeyron, a qual diz que: (III) Substituindo (III) em (II), obtemos: Como: De forma que: Isolando a temperatura, chegamos a: A partir da relação acima, é possível notar que, de acordo com a teoria cinética dos gases, a temperatura depende da massa molar do gás e da velocidade média quadrática de suas partículas. Energia Interna de um Gás Perfeito Levando-se em conta as hipóteses feitas para a formulação de um modelo teórico para os gases perfeitos, sabe-se, portanto, que as moléculas do gás não possuem energia cinética rotacional nem tampouco energia potencial, já que essas moléculas são consideradas pontos materiais, os quais não interagem entre si. Assim, podemos dizer que a energia interna (U) de uma amostra de gás perfeito é, simplesmente, a energia cinética de translação das moléculas, de forma que: Onde: m = massa do gás; = velocidade média quadrática. Usando a equação deduzida recentemente para a temperatura e isolando a velocidade média quadrática, obtemos: Substituindo o resultado acima na equação da energia cinética, obtém-se: Analisando a equação acima, notamos que a energia interna dos gases ideais depende do número de mols e da temperatura do gás. Entretanto, essa equação não é válida para as amostras de gases reais, uma vez que no zero absoluto (0 K) a energia interna não é nula, conforme já estudado. O valor dessa energia é denominado energia de ponto zero. Porém, para gases reais monoatômicos, em baixas pressões e altas temperaturas, essa relação matemática oferece resultados com boa aproximação. * Adendo: Relembrando: O número de mols do gás é calculado utilizando-se sua massa molar, encontrada em tabelas

Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200 g a 20 °C mergulhado em um litro de água a 80 °C? Dados dos calores específicos: água = 1 cal/g°C e alumínio = 0,219 cal/g°C.

Deve ficar claro que o efeito estufa é um evento natural e um fenômeno de extrema importância para a manutenção da vida, uma vez que mantém o planeta aquecido. No entanto, o que tem ocorrido nos últimos anos é uma intensidade do efeito estufa, devido ao acúmulo de CO2 produzido pelo uso abusivo de materiais poluentes. Qual é o fenômeno em questão?

a) Efeito estufa
b) Termodinâmica
c) Energia Interna
d) Trabalho
e) Calor

Transformações Reversíveis e Irreversíveis Basicamente, podemos dividir as transformações gasosas em dois tipos: reversíveis e irreversíveis. Assim: • transformações reversíveis: após o término da transformação, o sistema pode retornar às condições iniciais pelo mesmo caminho, ou seja, passando pelos mesmos estados intermediários, sem interferência externa. • transformações irreversíveis: não satisfazem as condições acima, isto é, ocorrem em um único sentido, sendo possível reconhecer a ordem temporal com que acontecem. Na vida real, todos os fenômenos espontâneos ou naturais são irreversíveis: a natureza só admite uma sequência para o transcurso dos acontecimentos. Assim, em todos os fenômenos há uma "orientação natural" que indica o sentido dos estados intermediários a que o sistema está sujeito. Embora não existam fenômenos irreversíveis, muitas transformações, quando analisadas no sentido oposto ao natural, não violam a 1ª Lei da Termodinâmica, ganhando espaço em alguns estudos da Física, mesmo quando se trata de idealizações.

A Entropia e a 2ª Lei da Termodinâmica Sendo a variação de entropia inversamente proporcional à temperatura, se ΔQ é o mesmo, a fração ΔQ/ΔT é menor quando a temperatura está mais elevada, e maior quando a temperatura está mais baixa. Entretanto, a 2ª Lei da Termodinâmica afirma que a transferência de energia do corpo que está à temperatura mais alta para o que está à temperatura mais baixa. É por conta disso que ΔQ é sempre positivo para o sistema que possui a temperatura mais baixa, e negativo para o de temperatura mais alta. Assim, podemos concluir que a variação de entropia é sempre positiva. No entanto, nos sistemas reversíveis ideais, como a máquina de Carnot, a razão ΔQ/ΔT é constante, o que torna a entropia nula. Esses resultados levam a mais um enunciado da 2ª Lei da Termodinâmica, o qual foi formulado por Clausius: Em qualquer transformação ocorrida em um sistema isolado, a variação da entropia é nula ou positiva. Observando a natureza como um sistema, podemos dizer que o Universo está constantemente recebendo energia, mas não tem capacidade de cedê-la. Assim, conclui-se que a entropia do Universo está aumentando com o passar do tempo.

Em uma lente esférica com comportamento convergente, os raios de luz que incidem paralelamente entre si refratam, tomando direções que convergem para um único ponto. Tanto lentes de bordas finas como as de bordas espessas podem ser convergentes, dependendo do seu índice de refração em relação ao do meio externo. O caso mais comum ocorre quando a lente tem índice de refração maior que o índice de refração do meio externo. Um exemplo de lente com comportamento convergente é o de uma lente biconvexa (com bordas finas): Já o caso menos comum ocorre quando a lente tem menor índice de refração que o meio. Nessa condição, um exemplo de lente com comportamento convergente é o de uma lente bicôncava (com bordas espessas): Em uma lente esférica com comportamento divergente, os raios de luz que incidem paralelamente entre si refratam, tomando direções que divergem a partir de um mesmo ponto. Tanto as lentes de bordas espessas quanto as de bordas finas podem ser divergentes, dependendo do seu índice de refração em relação ao do meio externo. O caso mais comum é o que a lente tem índice de refração maior que o índice de refração do meio externo. Um exemplo de lente com comportamento divergente é o de uma bicôncava (com bordas espessas): Já o caso menos comum ocorre quando a lente tem menor índice de refração que o meio. Um exemplo de lente com comportamento divergente é o de uma lente biconvexa (com bordas finas):

Qual é a característica que permite diferenciar dois sons de mesma altura e mesma intensidade, mas que são emitidos por instrumentos diferentes?

a) Timbre.
b) Intensidade sonora.
c) Intervalo acústico.

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