Física 2Temperatura, Calor e a

Primeira Lei da Termodinâmica

Prof. Dr. Walmor Cardoso GodoiDepartamento de Física - DAFIS

Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPRURL: http://www.walmorgodoi.com/utfpr

E-mail: walmorgodoi@utfpr.edu.br

Referências

• Fundamentos de Física - Volume 2 : Autores Halliday e Resnick, vol. 2, 9ª ed., Cap 18.

• Física II Termodinâmica e Ondas : Autores Sears e Zemanski, vol. 2, 12ª ed., Cap 17

Introdução

TermodinâmicaEstudo das leis que regem a relação entre calor

e energia.

Temperatura

• Grandeza fundamental do S.I.• Escala kelvin (K)• Não existe limite superior para T, mas existe

limite inferior (0 K)• Universo

– 1039 K há 13,7 bilhões de anos – Hoje T = 3 K.

A Lei Zero da Termodinâmica

Termoscópio

0463,35

líquidobarra de metal

gás

resistência elétrica

Elemento sensível ao calor.Qual tipo de sensor térmico você

utilizaria?

infravermelho

A Lei Zero da Termodinâmica

PRINCÍPIO ZERO DA TERMODINÂMICA

Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo T, A e B estão em equilíbrio

térmico entre si.

a

bc

a

bc

Enquanto houver transferência de calor as propriedades de b e de c modificam-se

Medindo a Temperatura

ou 0,01 oC

Medindo a Temperatura

da água

Em água, o ponto crítico ocorre em cerca de 647 K. (374 ° C; 705 ° F) e 22,064 MPa (218 atm)

Ponto vapor-líquido crítico de um material, a partir do qual a distinção entre fase a líquida e gasosa não existe.

Comportamento anômalo da água

http://fge.if.usp.br/~oliveira/term082ed.pdf

O Termômetro de Gás a V = cte𝑇 ∝𝑝

O Termômetro de Gás a V = cte

Guillaume Amontons, 1663-1705

𝑇 ∝𝑝

Tmin => p=0Zero absoluto = -273,16 oC = 0 K0 oC = 273,15 K

http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature

As Escalas Celsius e Fahrenheit

𝑇 𝐶=𝑇 𝐾−273,15𝑜

𝑇 𝐹=95𝑇𝐶+32𝑜

Celsius

Fahrenheit

0 K -273,15 oC - 459, 67 oF

273,16 K 0,01 oC 32,02 oFPonto Triplo

Zero absoluto

K oC oF

Exemplo 1

Em uma escala linear de temperatura X, a água evapora a -53,5 oX e congela a -170 oX. Qual o valor da temperatura de 340 K na escala de temperatura X?

Resposta: Tx=-92,1 oX

Dilatação Térmica

𝑅0

Dilatação Térmica

∆𝑉=𝛽𝑉 0 Δ𝑇∆ 𝐿=𝛼 𝐿0 Δ𝑇Dilatação Linear Dilatação Volumétrica

𝛽=3𝛼

∆𝑆=2𝛼𝑆0 Δ𝑇Dilatação Superficial

Dilatação Térmica

• Dilatação da águaFenômeno anômalo da água

Dilatação Linear

Dilatação volumétrica

h

∆𝑉=𝛽𝑉 0∆𝑇

T

∆𝑉=𝐴∆h ∆ h= ∆𝑉𝐴

=𝛽𝑉 0∆𝑇  

𝜋𝑟 2

Álcool coef. vol. 11,2 x 10-4 K-1

Mercúrio coef. vol. 1,8 x 10-4 K-1

cm3

= 20 oC Raio = 0,015 cm

Exemplo 2

h ≈ 5,1 cm usando mercúrioh ≈ 31,7 cm usando álcool

Temperatura e Calor

“Calor é a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de

temperatura”

Unidade de Quantidade de Calor

1 caloria (cal) é definida como sendo o calor trocado quando a massa de um grama de água passa de 14,5 oC para 15,5  oC.

1 cal = 4,1868 J (exatamente)

1 Btu = 252,2 cal = 0,2522 kcal= 1055,05585 J

BTU (também pode ser escrito Btu) é um acrônimo para British Thermal Unit (ou Unidade térmica Britânica) Unidade no SI para calor : Joule

Temperatura e Calor

Temperatura e Calor

Temperatura e Calor

Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos

Capacidade Térmica ou capacidade Calorífica.• A capacidade de perder ou absorver calor que um

determinado corpo tem, em razão da variação de temperatura sofrida por ele, é definida como Capacidade Térmica ou Capacidade Calorífera.

http://www.mundoeducacao.com/fisica/capacidade-termica.htm

Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos

• Capacidade Térmica – C é a constante de proporcionalidade entre o calor

Q recebido ou cedido pelo objeto e a variação de temperatura do objeto

• Exemplo: Pedra de mármore C= 179 cal/oC (= 179 cal/K=749 J/K)

𝑄=𝐶∆𝑇=𝐶 (𝑇 𝑓 −𝑇 𝑖)

• Calor específicoc=C/m

𝑄=𝑚𝑐∆𝑇=𝑚𝑐 (𝑇 𝑓 −𝑇 𝑖)

Pedra de mármore C= 179 cal/oC (=749 J/K) , mas c = 0,21 cal/g oC (ou 880 J/Kg.K)

Calor específico da água= 1 cal/g oC ou 4190 J/kg K

Absorção de Calor por Sólidos e Líquidos

• Calor específico molar

1 mol = 6,02 x 10 23 unidades elementares

Exemplo: 1 mol de Al, 1 mol de Al2O3 (Massa molar: 101,96 g/mol)

M(água) = 18,0 g/mol (1 mol de água possui massa igua a 18 g)

𝑚=𝑛𝑀

𝑄=𝑛𝑀𝑐∆𝑇M: mol ou massa molarn: número de moles

Calor de Transformação

Calor de Transformação

• Calor de transformação L – quantidade de energia por unidade de massa que deve ser transferida para que uma amostra mude de fase

Q=LmLv: calor de vaporização ( líquido ↔ gasoso)

Lf: calor de fusão (sólido ↔ líquido)Exemplo: água (Lv= 539 cal/g, Lf=79,5 cal/g)

• Exemplo 3: Um lingote de cobre de massa = 75 g é aquecido em forno de laboratório até T = 312 oC. Em seguida o lingote é colocado em um béquer de vidro contendo uma massa = 220 g de água (Tinicial = 12 oC). Supondo um sistema isolado (béquer e água) e que a água não é vaporizada, determine a temperatura final do sistema quando o equilíbrio térmico é atingido.

água

béquer

cobre

=0

substituindo

𝑇 𝑓=𝑐𝑐𝑚𝑐𝑇 𝑖   +𝐶𝑏𝑇 𝑖+𝑐𝑎𝑚𝑎𝑇 𝑖

𝑐𝑎𝑚𝑎+𝐶𝑏+𝑐𝑐𝑚𝑐

= 5339,8𝑐𝑎𝑙217,9𝑐𝑎𝑙 / 𝐶❑

𝑜

oC

Exemplo 4

• Um nutricionista aconselha as pessoas que querem perder peso a beber água gelada, alegando que o corpo precisa queimar gordura para aumentar a temperatura da água de 0,00 oC para a temperatura do corpo 37,0 oC. Quantos litros de água gelada uma pessoa precisaria beber para queimar 0,5 kg de gordura, supondo que ao ser queimada essa quantidade de gordura, 3500 kcal são transferidas para a água?

R: 96 litros

TRABALHO: Transferência de energia W=F.d

CALOR: Transferência de energia devida a uma diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças (Q).

UNIDADE: 1 J = 1 kg.m2.s-2

Calor e Trabalho

Calor e Trabalho

A Primeira Lei da Termodinâmica

∆𝐸 𝑖𝑛𝑡=𝐸 𝑖𝑛𝑡 , 𝑓 −𝐸𝑖𝑛𝑡 ,𝑖=𝑄−𝑊

∆𝐸 𝑖𝑛𝑡=𝑑𝑄−𝑑𝑊

Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho.

A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se.

A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE

Variação na energia interna do sistema

Calor trocado

pelo sistema

Trabalho realizado pelo

sistema

Casos especiais da 1ª Lei

Casos especiais da 1ª Lei

Exemplo 5

• Suponha que 1,00 kg de água a 100 oC seja convertido em vapor a 100 oC à pressão atmosférica padrão (1,00 atm=1,01 x105Pa). O volume da água varia de um valor inicial de 1,00 x 10-3 como líquido para 1.671 m3 como vapor.

• A) W?• B) Energia transferida na forma de calor?

Mecanismos de Transferência de Calor

• Condução• Resistência térmica• Condução através de uma placa composta• Convecção• Radiação