Temperatura e calor.

Transcrição

Temperatura e Calor

Termodinâmica: conceitos fundamentais.

“Lei Zero” da Termodinâmica.

Termometria.

Expansão térmica.

Calorimetria.

Calor específico.

Transições de fase.

Transferência de calor.
Física II – 2013/02
Prof. Jair C. C. Freitas – Depto. de Física / UFES
Introdução

Descrição macroscópica de um sistema:

Envolve características ou propriedades em grande escala, com uso
de coordenadas macroscópicas.

Não há hipóteses especiais sobre a estrutura da matéria constituinte
do sistema.

Um número pequeno de coordenadas são necessárias para uma
descrição completa.

As coordenadas necessárias são sugeridas pelas percepções
sensoriais do observador.

As coordenadas macroscópicas podem em geral ser diretamente
medidas.
ESCOPO DA TERMODINÂMICA
Heat and Thermodynamics, Zemansky
Introdução

Descrição microscópica de um sistema:

O sistema é descrito como consistindo de um número muito grande de
moléculas, cada uma delas capaz de ocupar um estado com energia bem
definida.

São construídas hipóteses sobre a estrutura da matéria constituinte do
sistema.

Um número grande de coordenadas microscópicas são necessárias para uma
descrição completa.

As coordenadas necessárias não são sugeridas pelas percepções sensoriais
do observador.

As coordenadas microscópicas não podem em geral ser diretamente medidas.

Valores médios das coordenadas microscópicas para um número muito grande
de moléculas são em geral relacionados às coordenadas macroscópicas.
ESCOPO DA MECÂNICA ESTATÍSTICA e da TEORIA CINÉTICA
Introdução

Exemplo de descrição macroscópica:
Cilindro contendo mistura gasosa
(como em um motor de automóvel):
Coordenadas macroscópicas:
• Composição.
• Volume.
• Pressão.
• Temperatura.
Introdução

Exemplo de descrição microscópica:
Teoria cinética de um gás ideal:
Coordenadas microscópicas:
• Posição de cada molécula.
• Velocidade de cada
molécula.
• Energia cinética de cada
molécula.
Introdução

Exemplo – pressão:


Definição macroscópica: força exercida por unidade de área.

Pode ser diretamente percebida com os nossos sentidos.

Pode ser diretamente medida.
Interpretação microscópica: a pressão corresponde à média da taxa temporal
de transferência de momento linear devida a todas as colisões que ocorrem
em uma unidade de área.

A descrição microscópica necessita
de hipóteses fundamentais sobre a
existência de moléculas, seus
movimentos, as interações entre
elas, etc.

O conceito de pressão já era
conhecido muito antes de qualquer
teoria sobre a constituição da
matéria.
Introdução

Coordenadas termodinâmicas - exemplos:
Sistema hidrostático: pressão, volume,
temperatura.
P, V, T
Corda esticada: força de tensão, comprimento da
corda, temperatura.
F, L, T
O conceito de temperatura

O que é temperatura?

Grau de agitação molecular de um material.
??????
http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature

Qual a definição macroscópica de temperatura?

Como se mede a temperatura?

Noções fundamentais:

Percepção de quente  frio.

Equilíbrio térmico.
“Lei Zero” da Termodinâmica:

Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro
necessariamente estão em equilíbrio térmico entre si.

Princípio de operação dos termômetros.
Física II – Termondinâmica e Ondas
Sears | Zemansky | Young | Freedman
“Lei Zero” da Termodinâmica:

Princípio de operação dos termômetros.
http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/thermo0.html
Medida de temperatura
 ( X )  aX
(Y  constante)
 ( X1 ) X1

 (X2) X2
Exemplos de termômetros:
Resistência de platina
Termopar
Pirômetro
Exemplos de termômetros:
Termômetro de gás com volume constante

Ponto fixo padrão da termometria: água pura no ponto triplo.

Ponto triplo: estado de coexistência em equilíbrio das fases sólido, líquido e vapor.
(X ) X

 (X3) X3
 ( X 3 )  273,16 K
 ( X )  (273,16 K) 
X
X3
Thermodynamics…, Sears & Salinger
Temperatura absoluta – escala Kelvin
 P 
T ( P)  (273,16 K )  lim 



Ptriplo 0 P
 triplo 

Temperaturas independentes da
escolha do gás.

Temperatura absoluta: sempre
maior que zero.

T = 0 K: zero absoluto.
Temperatura absoluta – escala Kelvin
Escalas de temperatura
Algumas escalas de uso prático:
100  TC 212  TF

100
80
5
TC  (TF  32)
9
http://www.stuffintheair.com/thermometerpictures.html
Expansão térmica
Dilatação linear:
L   L0T  L  L0 (1  T )
coeficiente de dilatação linear
Dilatação volumétrica:
V  V0T  V  V0 (1  T )
coeficiente de dilatação volumétrica
Sólidos isotrópicos:
  3
Expansão térmica
Expansão térmica
Expansão térmica
Comportamento anômalo da água:
http://www.chem1.com/acad/sci/aboutwater.html
Tensões térmicas
Dilatação térmica:
 L 
 T


 L0 térmica
 L 
F
Deformação mecânica: 


 L0 tensão YA
Comprimento constante:
 L 
 L 

0



 L0 tensão  L0 tensão
http://www.encyclopedia.com/topic/Youngs_modulus.aspx
F
 Y T
A
Tensões térmicas
http://www.schenectady.k12.ny.us/users/pattersont/IBDT%20Website/Page_Generators/ThermalExpansion.html
Calor – definição calorimétrica
• Calor é “aquilo” que é transferido entre um sistema e suas
vizinhanças apenas em virtude da diferença de temperatura
entre o sistema e as vizinhanças.
• Paredes adiabáticas: não permitem a troca de calor.
• Paredes diatérmicas: permitem a troca de calor.
http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node11.html
Conceito de Calor – um pouco de história
• Teoria do Calórico: atribuía as alterações sofridas por corpos em contato
térmico à troca de um fluido (calórico), que passaria do corpo mais
quente para o mais frio.
 Lavoisier (1783), Laplace (1816), Carnot (1824), ...
 Teoria amplamente aceita no final do século XVIII (~1780)...
...mas seriamente questionada na metade do século XIX (~1850).
http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Caloric
• Benjamim
Thompson
(Conde
Rumford):
experimentos envolvendo a perfuração de canhões
com brocas (~1798).
 O calor era produzido de forma ininterrupta,
Rumford (1753-1814)
enquanto os cavalos estavam trabalhando.
 Mais calor era produzido quando a ferramenta
estava cega.
 Como poderia o movimento dos cavalos produzir
um fornecimento inexaurível de calórico?
http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.html
• Benjamim Thompson (Conde Rumford):
“Qualquer coisa que qualquer corpo isolado ou
sistema de corpos pode continuar a fornecer
ilimitadamente, não tem possibilidade de ser uma
Rumford (1753-1814)
substância material; e me parece extremamente
difícil, se não totalmente impossível, formar qualquer
ideia clara de qualquer coisa, capaz de ser acionada
e transmitida da forma como o calor o foi nessas
experiências, a não ser que seja movimento.”
H. C. Von Bayer, A Física e o nosso mundo.
• Esforços experimentais para comprovar a equivalência
entre trabalho e calor:
• Julius R. Von Mayer (1842).
• Ludwig A. Colding (~1843).
• James P. Joule (1843).
“On the existence of an equivalent relation between
heat and the ordinary forms of mechanical power”,
Philosophical Magazine, Series 3, Vol. XXVII, p. 205,
1845.
Joule (1818-1889)
http://www.eoearth.org/article/On_the_Mechanical_Equivalent_of_Heat_(historical)
http://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat
O equivalente mecânico do calor
• Experimento de Joule (~1843):
Q
J
W
“After reducing the result to the capacity
for heat of a pound of water, it appeared
that for each degree of heat evolved by
the friction of water a mechanical power
equal to that which can raise a weight of
890 lb. to the height of one foot had
been expended.”
http://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat
http://www.eoearth.org/article/On_the_Mechanical_Equivalent_of_Heat_(historical)
• Definição de caloria: quantidade de calor necessária para aquecer 1 g de
água pura de 14,5 até 15,5 °C à pressão atmosférica (“caloria 15°C”).
• Medida de J  medida do calor específico da água.
• Caloria IT (International Table), adotada pela 5a Conferência Internacional
das Propriedades do Vapor (Londres, 1956):
• 1 cal = 4,1868 J.
Q
J
W
http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/Si.pdf
Calorimetria
diferencial inexata
massa
1 dQ
c
m dT
Q  CtermT  mcT
calor específico
capacidade térmica
no de moles
Q  nCT
calor específico molar
massa molar
1 dQ
C
 Mc
n dT
Calorimetria
Calor específico da água
Calorimetria e transições de fase
Transferência de calor – condução
TH  TC
1 dQ
jQ 
k
A dt
L
corrente de calor
condutividade térmica
1 dQ
dT
jQ 
 k
A dt
dx
Condutividade térmica
Transferência de calor – convecção
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html#c3
Transferência de calor – radiação
Lei de Stefan-Boltzmann:
Corpo negro: e = 1
Potência térmica líquida:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/stefan.html#c1
Bibliografia e links sugeridos:

Física II – Termodinâmica e Ondas, H. D. Young & R. A. Freedman, 12a ed., Pearson,
2008.

Curso de Física Básica. Vol. 2 – Fluidos, Oscilações, Ondas e Calor, Moysés
Nussenzveig, Edgar Blücher, 1996.

Calor e Termodinâmica, M. W. Zemansky, 5a ed., Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1978.

“Termodinâmica, Teoria Cinética e Termodinâmica Estatística”, F. W. Sears & G. L.
Salinger. Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1979.

A Física e o nosso mundo, Hans Christian von Baeyer, Elsevier, 2004.

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node9.html.

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node14.html.

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamic_temperature#History.

Temperatura e calor.

Transcrição

Documentos relacionados

Propriedades Térmicas da Matéria

Calor e transições de fase

Mecânica dos fluidos

Temperatura e Calor

Propriedades Térmicas da Matéria

Fontes de campo magnético.

Potencial elétrico.

Calor e primeira lei da Termodinâmica

Lista Canditados Conselho Tutelar 2015

SEQUENCIAL 02

ceb - Ufes