FísicaTermometriaTermodinâmica

João Carlos Pozzobon

TermologiaChamamos de Termologia a parte da física que estuda os fenômenos relativos ao calor, aquecimento, resfriamento, mudanças de estado físico, mudanças de temperatura, etc.

CalorO calor é a nomenclatura atribuída à energia térmica sendo transferida de um sistema a outro exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Não é correto se afirmar que um corpo possui mais calor que outro, e tão pouco é correto afirmar que um corpo possui calor; os corpos (ou sistemas) possuem energia interna e o conceito de energia interna não deve jamais ser confundido com o conceito de calor .

TemperaturaTemperatura é uma grandeza física que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico.

TemperaturaTrês escalas de temperatura, sendo que as escalas Kelvin e Celsius são as mais usadas pelos cientistas.

Fahrenheit: escala termométrica de símbolo F, no qual 32° F é o ponto de congelamento da água e 212° F é o ponto de ebulição da água.

Celsius: escala de temperatura, símbolo C, no qual 0° C é o ponto de congelamento da água e 100° C é o ponto de ebulição da água.

Na escala termométrica, o intervalo entre o ponto de ebulição e o ponto de congelamento da água é dividido em 100 intervalos, denominados graus.

Kelvin: escala de temperatura absoluta ou escala termodinâmica, cujo símbolo é K, no qual o ponto triplo da água tem o valor de 273,16 K.

Temperatura

CalorimetriaCalorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor.

CalorimetriaTransferência de calor

A transferência de calor ocorre quando dois ou mais corpos que estão em temperaturas diferentes são colocados em contato, ou em um mesmo local, fazendo com que a energia térmica de um corpo seja transferida para outro.

Esta transferência de calor pode acontecer de três maneiras diferentes, por condução, convecção ou irradiação.

Transferência de calor

Condução térmica é a transferência de energia térmica entre átomos e/ou moléculas vizinhas em uma substância devido a um gradiente de temperatura.

Transferência de calor

Convecção térmica - é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica se propaga através do transporte de matéria, devido a uma diferença de densidade e a ação da gravidade. Este processo ocorre somente com os fluidos, isto é, com os líquidos e com os gases, pois na convecção térmica há transporte de matéria.

Transferência de calor

Irradiação térmica - É o processo de transmissão pelo qual a energia não precisa de um meio material para se propagar.

Essa energia, que não necessita de um meio material para se propagar, denomina-se energia radiante, e é transmitida através de ondas eletromagnéticas. O corpo que emite a energia radiante é chamado emissor; o que recebe, receptor.

Capacidade Térmica

Calor específicoO calor específico calor específico consiste na quantidade de calor que é necessário

fornecer à unidade de massa de uma substância para elevar a sua temperatura de um grau e expressa-se em calorias por grama e por grau. Para o caso da água, o calor específico foi convencionado ser de 1 cal/gºC.

O calor específico pode ser medido usando um calorímetro.

Subtância calor específico (cal/goC)

água - líquida 1

álcool 0,6

gelo 0,5

ferro 0,11

hidrogênio 3,4 1 cal = 4,18 J

Princípio da igualdade nas trocas de calor

Calorímetro é um instrumento utilizado na medição de calor envolvido numa mudança de estado de um sistema, que pode envolver uma mudança de fase, de temperatura, de pressão, de volume, de composição química ou qualquer outra propriedade associada com trocas de calor.

Estádos físicos da matéria

Equações da calorimetria

Equações da calorimetria

Equações da calorimetria

Dilatação – tudo que esquenta dilata

Dilatação Térmica dos SólidosPara um estudo mais detalhado podemos separar essa dilatação em três

tipos: dilatação linear (aquela que ocorre em apenas uma dimensão), dilatação superficial (ocorre em duas dimensões) e dilatação volumétrica (ocorre em três dimensões).

Dilatação LinearQuando estamos estudando a dilatação de um fio, teremos a ocorrência predominante de um aumento no comprimento desse fio. Essa é a característica da dilatação linear. Imaginemos uma barra de comprimento inicial Lo e temperatura inicial to. Ao aquecermos esta barra para uma temperatura t ela passará a ter um novo comprimento L.

Dilatação superficialA dilatação superficial é aquela na qual ocorre variação na área do corpo. Considere a placa metálica descrita na gravura abaixo:

Dilatação volumétricaConsidera-se a variação de volume, isto é, a dilatação nas três dimensões do sólido (comprimento, largura e altura).

Dilatação dos líquidos

Os líquidos não apresentam forma própria, no entanto, eles se comportam termicamente como os sólidos, assim sendo, eles obedecem a uma lei idêntica à lei da dilatação linear. Contudo, para a dilatação dos líquidos considera-se apenas a dilatação térmica volumétrica.

O sólido descrito abaixo está completamente cheio de água a uma temperatura inicial (ti) e possui volume inicial Vi igual à capacidade volumétrica do recipiente (C).

Dilatação irregular da água

É o ramo da Física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume.

Conceitos fundamentais:• Sistema: É um conjunto de elementos interconectados, de modo a formar um todo organizado.•Vizinhança: É todo o restante do Universo

Energia térmica Energia mecânica

A maneira mais fácil de se calcular o trabalho termodinâmico é conhecer a área de um gráfico Pressão x Variação de Volume (dedução).

τ > 0 expansão, aumento do volume

τ < 0 compressão, diminuição do volume

Grandeza termodinâmica que mensura o conteúdo total de energia encerrado pelas fronteiras que definem um sistema termodinâmico. Refere-se pois à energia total associada apenas aos constituintes do sistema em si. A energia interna não leva em consideração a energia eventualmente armazenada em interações do sistema com sua vizinhança.

ou Princípio da Conservação da EnergiaA variação da energia interna entre dois sistemas pode ser determinada pela diferença entre a quantidade de calor e o trabalho trocado com o meio ambiente. Matematicamente essa lei pode ser escrita da seguinte forma:

ΔU = Q – τOnde:Q é a quantidade de calor recebida ou cedida;

τ é o trabalho realizado pelo sistema ou que é realizado sobre o mesmo;ΔU é a variação da energia interna do sistema.

Essa transformação ocorre, como o próprio nome indica, à temperatura constante, de modo que a variação da energia interna do gás é igual a zero, pois a energia interna inicial é igual à energia interna final, ΔU = 0. Dessa forma, fica que a quantidade de calor do sistema é igual ao trabalho realizado pelo mesmo, ou seja, Q = τ.

Transformação Isotérmica

Transformação Isovolumétrica ou Isocórica

Essa é um tipo de transformação de um gás perfeito que ocorre a um volume constante, ou seja, o volume do gás permanece o

mesmo durante todo processo termodinâmico. Sendo o volume constante podemos concluir que o trabalho é igual a zero, dessa

forma temos que a equação que descreve a primeira lei da termodinâmica fica do seguinte modo:

ΔU = Q

Transformação isobárica: ocorre à pressão constante, podendo variar somente o volume e a temperatura;

Transformação adiabática: é a transformação gasosa na qual o gás não troca calor com o meio externo, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre de forma tão rápida que o calor trocado é desprezível.

Convenção de Sinais:

Q + recebe calor da vizinhançaQ - cede calor para a vizinhançaQ = 0 Transformação adiabática

τ + realiza trabalhoτ - recebe trabalhoτ = 0 Transformação isovolumétrica

ΔU + aumenta a temperatura do sistemaΔU - diminui a temperatura do sistemaΔU =0 Transformação isotérmica

Essa lei foi enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, e estabelece restrições para a conversão de calor em trabalho, realizadas pelas máquinas térmicas. Segundo Carnot, para que ocorra conversão contínua de calor em trabalho, uma máquina térmica deve realizar ciclos contínuos entre a fonte quente e a fonte fria, as quais permanecem em temperaturas constantes. A cada ciclo realizado é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, parte desse calor é convertida em trabalho e a outra parte é rejeitada para a fonte fria.

Máquinas térmicasUma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em trabalho. Esses aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo de calor da fonte quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como esquematizado na figura abaixo.É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina térmica, o rendimento é determinado pela seguinte relação:

Uma imposição da segunda lei da termodinâmica é que nenhuma máquina térmica tem rendimento de 100%, por isso vale a seguinte condição:

0≤η<1

Ciclo de Carnot

EntropiaPara medir o grau de desordem de um sistema, foi definida a grandeza termodinâmica entropia, representada pela letra S. Quanto maior a desordem de um sistema, maior a sua entropia.

(Unioeste – 2011) Uma maquina térmica e caracterizada pelo diagrama pressão-volume abaixo. O ciclo começa e termina no ponto A e o processo CA e adiabático.

Para este ciclo considere as afirmações abaixo e assinale a alternativa correta.

I. O processo AB e isobárico e o processo BC e isotérmico.II. No processo BC a variação da energia interna é igual ao calor retirado do sistema.III. No processo CA o trabalho realizado pelo sistema e nulo.IV. O processo AB e isobárico e o processo BC e isocórico.V. A variação da energia interna no ciclo ABCA e negativa.

• A. As afirmações I e V estão corretas.

• B. As afirmações II e IV estão corretas.

• C. Nenhuma afirmação esta correta.

• D. As afirmações II, III e IV são falsas.

• E. A afirmação V esta correta.

(Unioeste – 2011) Considere as afirmações abaixo em relação a física térmica e assinale a alternativa correta.I. Calor é uma substancia invisível que flui do objeto de maior temperatura para aquele de menortemperatura.II. Calor é a quantidade de energia térmica do objeto.III. Calor é a quantidade de energia que e transferida de um objeto de maior temperatura para outro cuja temperatura e menor.IV. Calor é maior no objeto que esteja na temperatura mais elevada.V. A temperatura de um sistema somente pode aumentar se for transferido calor ao mesmo.A. As afirmações I e II estão corretas.B. Apenas a afirmação V esta correta.C. A afirmação III e a única falsa.D. As afirmações II e IV estão corretas.E. Apenas a afirmação III esta correta.

(Unioeste – 2009) Um máquina térmica opera segundo o ciclo ABCA representado na figura.

Analisando as afirmações seguintes e considerando que a energia interna é função exclusiva da temperatura, assinale a alternativa correta.I – A transformação bc é, com certeza, isotérmica.II – O trabalho realizado na transformação ab é 24 J.III – Na transformação ca a energia interna diminui.IV – Em um ciclo a máquina retira 24 J de calor da fonte fria.V – Na transformação bc a máquina rejeita 48 J de calor na fonte quente.

A. As afirmativas I, II, III e IV são verdadeiras.B. A afirmativa III é falsa.C. A afirmativa IV é falsa.D. A afirmativa V é falsa.E. Apenas a afirmativa I é falsa.

(Unioeste-2009) Num dia de inverno a temperatura no interior de uma casa é 25ºC e no exterior é 5ºC. A perda de calor, através de uma janela (kvidro=0,2 cal/s.m.ºC) de espessura 2 mm e área 0,5 m2, em uma hora éA. 3.600 cal.B. 3.600 kcal.C. 36 kcal.D. 360 J.E. 3600 J.