FÍSICA TÉRMICA

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Prof. Neemias Alves de Lima

Instituto de Pesquisa em Ciência dos Materiais

Universidade Federal do Vale do São Francisco

• Como pode água aprisionada ser ejetada do cume de um vulcão em uma explosão gigante?

• O que faz uma calçada ou pista se quebrar espontaneamente quando a temperatura varia?

Domínio da Física Térmica

• Como pode a energia térmica ser usada para realizar trabalho, movendo máquinas que torna a vida moderna possível?

• Etc, etc,...

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A Lei Zero da Termodinâmica e a Temperatura

Se objetos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um

terceiro objeto C, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro.

Definição de Temperatura

Dois objetos em equilíbrio térmico um com o outro estão na mesma temperatura.

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� Termômetros são dispositivos usados para medir a temperatura

de um objeto ou um sistema. Quando um termômetro está em

contato térmico com um sistema, energia é trocada até o termômetro

e o sistema estarem em equilíbrio térmico um com o outro.

� Para medidas precisas de temperatura, o termômetro deve ser

muito menor do que o sistema, tal que a energia ganha ou perdida

pelo termômetro não altere significadamente a energia contida no

Termômetros e Escalas de TemperaturaTermômetro de mercúrio e a escala Celsius

sistema.

� Usam alguma propriedade física que varia com a temperatura e

pode ser calibrada:

1) volume de um líquido,

2) comprimento de um sólido

3) pressão de um gás mantido a volume constante

4) volume de um gás mantido a pressão constrante

5) resistência elétrica de um condutor

6) cor de um objeto muito quente

Diagrama esquemático do termômetro demercúrio. Por causa da expansão térmica onível de mercúrio sobe quando a temperaturado muda de 0 graus Celsius (ponto de gelo)para 100 graus Celsius (ponto de vapor).

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Termômetro de gás a volume-constante e a Escala Kelvin

Reservatório de mercúrio

Escala

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3

Banho a sermedido

Mangueira flexível

O termômetro de gás a volume-constante mede apressão do gás contida em um frasco imerso nobanho. O volume do gás no frasco é mantidoconstante aumentando ou diminuindo o reservatório Bpara manter o nível do mercúrio constante (na marcazero da escala).

Pressão versus temperatura para amostras experimentais degases com diferentes pressões em um termômetro a volume-constante. Note que para todas três amostras a pressão extrapolapara zero na temperatura -273.15 graus Celsius!

Define-se a escala de temperatura Kelvin rotulando de zeroabsoluto a temperatura mais baixa da escala Celsius, a relaçãoentre as duas escalas (omitindo as unidades) é:

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Figura: Temperatura absoluta em quais vários processos físicos selecionados tomam lugar. Note que a escala é logarítmica.

Bomba de hidrogênio

Interior do Sol

Coroa solar

Temperatura

Superfície do SolCobre derretido

Água derretida

Nitrogênio líquidoHidrogênio líquido

Hélio líquido

Temperatura mais baixa alcançada

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Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos

Para pequenas variações na temperatura:

ou

Coeficiente médio de expansão de alguns materiais próximo da temperatura ambienteCoeficiente médio de expansão linear

Coeficiente médio deexpansão volumétrica

Tabela I

de expansão linear expansão volumétrica

Alumínio

Cobre

Vidro (comum)

Vidro (pyrex)

Madeira

Concreto

Etanol

Benzeno

Acetona

GlicerinaMercúrio

Gasolina

Ar

Hélio

Aço

Latão e bronze

Aço (liga Ni-Fe)

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Expansão térmica: O calor extremo de um diade Julho em Asbury Park, New Jersey, causoueste desencarrilhamento das linhas de trem.

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Módulo de Young: Elasticidade no comprimento

Uma barra longa presa por uma de suas extremidades é esticada sob a ação de uma força.

Comportamento elástico

Limite elástico

Ponto deruptura

StressStress =

Módulo de Young

Comportamento elástico

Dilatação térmica gera stress!!!

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Substância Módulo de Young

Valores Típicos para o Módulo de Elasticidade

Alumínio

Osso

Cobre

Latão

Aço

Tugstênio

Tabela II

Tugstênio

Vidro

Quartz

Cartilagem da costela

Tendão

Borracha

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O Comportamento Não-Usual da Água

A densidade da água em função da temperatura. O detalhe mostra que adensidade máxima da água ocorre em 4 graus Celsius.

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Um gás consiste usualmente de um grande número de partículas, e este número é convenientemente expresso emtermos do número de moles, n.

O mesmo número de partículas é encontrado em um mol de hélio como em um mol de ferro ou alumínio. Estenúmero é igual a

Descrição Macroscópica de um Gás Ideal

(número de Avogadro)partículas/mol

O número de moles de uma substância está relacionada com sua massa m por

massa molar massa de um mol da substância

Lei do gás ideal:

Gás ideal = gás com baixa densidade

Propriedades macroscópicas

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Teoria Cinética dos Gases

• Modelo do gás ideal do ponto de vista microscópico, isto é, com base no que acontece em escala microscópica.

Teoria cinética para um gás ideal

1. Número grande de moléculas no gás, e a separação média entre elas grande comparada com suasdimensões => análise estatística

2. Moléculas obedecem as leis de Newton do movimento, mas como um todo elas se movem aleatoriamente

3. As moléculas interagem apenas através de forças de curto alcance durante colisões elásticas

4. As moléculas fazem colisões elásticas com a parede

5. Todas moléculas no gás são idênticas

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Modelo Molecular para a Pressão de um Gás Ideal

Caixa cúbica contendo um gásideal. A molécula mostrada movecom velocidade v.

Antes da colisão

Depois da colisão

Força média de uma colisão:

Força total exercida por todas moléculas:

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Velocidade média:

Pressão de um gás ideal:

Interpretação Molecular da Temperatura

Temperatura é proporcional àmédia da energia cinética.

Energia cinética média por molécula é proporcional a temperatura do sistema

Velocidade raiz-média-quadrada (root-mean-square) ~ estimativa da velocidade média das móleculas:

Massa molar em kg/mol15