TERMODINÂMICA

1. TERMODINÂMICA - 1 - Prof. Cesário

2. Segmento de proteína alfa-hélice. Quanto maior for a temperatura maior será a vibração de seus átomos. Isto provoca a expansão da substância ou mudança de fase. 1- TEMPERATURA Temperatura é a grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos. Quanto maior o estado de agitação (velocidade média) das moléculas maior é a temperatura do corpo. Em geral associa-se à temperatura a sensação de quente ou frio que se tem ao tocar um corpo. Entretanto essa sensação é falha e, para que se possa ter uma avaliação melhor da temperatura utilizamos dispositivos chamados termômetros. A avaliação da temperatura tem por base o princípio: Fonte das imagens http://pt.wikipedia.org/wiki/Temperatura Quando dois corpos são postos em contato, eles tendem a uma temperatura comum denominada temperatura de equilíbrio térmico.

3. i) Termômetro de mercúrio bulbo tubo capilar estrangulamento solda ii) Termopar leitura Tubo protetor 2 - TERMÔMETROS Diversos são os tipos de termômetros usados: Duas barras metálicas de materiais diferentes. Quando aquecidas na solda, cria-se uma fem que resultará numa corrente ao longo das barras. Faz-se a calibração. Para cada intensidade de corrente elétrica ter-se-á uma temperatura. Usado para medida de altas temperatura. iii) Termômetro digital Funciona a partir de raios infravermelho ou raio laser recebidos. Permitem avaliar a temperatura sem entrar em contato com o corpo cuja temperatura se quer determinar.

4. 373 100 212 Ebulição da água 273 0 32 Fusão do gelo Celsius (ºC) Fahrenheit (ºF) Kelvin (K) 3 – ESCALAS TERMOMÉTRICAS As escalas mais usadas são a Celsius (ou centígrada), a Fahrenheit e a Kelvin.  Para a construção de uma escala deve-se: (1) escolher uma substância e uma grandeza que varie com a temperatura. Como por exemplo: mercúrio e altura da coluna em um tubo, o comprimento de uma barra de ferro, a resistência de um condutor (2) Colocar o dispositivo em contato com dois estados térmicos possíveis de serem repetidos (como ponto de fusão do gelo e ponto de ebulição da água – mais usados) (3) Marcar as posições para estas temperatura e atribuir valores às mesmas. Nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, tem-se os valores

5. T tF tC tC – 0 T – 273 tF – 32 100 – 0 373 – 273 212 - 32 = = tC T-273 tF – 32 100 100 180 = = 373 100 212 Ebulição da água 5 9 273 0 32 tC = (tF – 32) Fusão do gelo Celsius (ºC) Fahrenheit (ºF) Kelvin (K) Por proporcionalidade entre segmentos: Separando as igualdades e simplificando: tC = T – 273

6. EXERCÍCIOS • 1 – Em um dia ensolarado na Bahia, o termômetro próximo ao elevador Lacerda • marcava 38,2ºC. Qual seria a indicação se esse termômetro usasse: • A escala Kelvin? (b) a escala Fahrenheit? • Resposta: a) 311,2 K; b) 100,76 ºF 2 – Acima de 37,5ºC para a temperatura do corpo humano, considera-se que a pessoa está em estado febril. Se fosse usado um termômetro na escala Fahrenheit e o mesmo indicasse 100,24ºF, a pessoa estaria ou não com febre? Resposta: sim pois esta temperatura corresponderia a 37,9ºC > 37,5ºC. 3 – Se a leitura na escala Fahrenheit indicasse o dobro da escala Celsius, qual seria essa temperatura na escala Kelvin? Resposta: 433 K. 4 – Fahrenheit escolheu como zero para seu termômetro a temperatura de um dia que em Londres foi a menor temperatura do ano. Que temperatura foi essa na escala Celsius?

7. 5 – Um termômetro adota os valores 40ºX e 240ºX para os pontos de fusão do gelo e da ebulição da água. (a) escreva a equação que permite converter ºX em ºC. (b) se tal termômetro marca 860ºX para um forno, qual é a temperatura do forno na escala Celsius? Resposta: (a) C = (X/2) – 20 (b) 410ºC 6 – Um esquimó informou a um visitante qual era a temperatura fora de seu iglu. O visitante questionou: - qual é a escala que você usou? O esquimó então respondeu:- tanto faz, pode ser Celsius ou Fahrenheit. Que temperatura é essa? Resposta: - 40ºC ou -40ºF.

8. 4 – CALOR – UMA FORMA DE ENERGIA Calor é um forma de energia que se transfere de um corpo com maior temperatura para outro de menor temperatura. Nessa transferência a energia interna (soma das energias cinéticas das moléculas ou átomos de um dos corpos) diminui enquanto que a energia interna do outro aumenta. Isto produz o aumento de temperatura de um e redução da temperatura do outro. Pode também ocorrer mudança de fase, dependendo das condições dos corpos envolvidos. Uma unidade usada para medida do calor transferido de um corpo para outro é denominada caloria (cal), que não pertence ao sistema internacional de medidas. 1 cal é a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5ºC a 15,5ºC a temperatura de 1 g de água. 1 cal corresponde a exatamente 4,1868 J.

9. Q  CT = Isto é: Q m.  c = Ou seja: 5 – CAPACIDADE TÉRMICA Define-se a capacidade térmica de uma substância como sendo a quantidade de calor necessária para elevar de 1º C a temperatura dessa substância. CT – capacidade térmica Q – quantidade de calor  - variação de temperatura As unidades usuais para a capacidade térmica são: cal/ºC ou J/ºC. Exemplo: para variar a temperatura de 10ºC até 50ºC de certo corpo sendo 300 J/ºC sua capacidade térmica, são necessários  = 300.(50 – 10) = 12000 J. 6 – CALOR ESPECÍFICO Define-se o calor específico de uma substância como sendo a quantidade de calor necessária para modificar de 1ºC a temperatura de uma unidade de massa de uma substância. As unidades usuais do calor específico são: cal/g.ºC, kcal/g.ºC ou J/g.ºC ou J/kg.ºC. Q = m.c. 

10. OBSERVAÇÃO: 2   Q = m. c.d  1 O calor específico de uma substância pode depender da temperatura. Isto é: c = f(). Neste caso, a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo é calculada por: Exemplos: 1 – Se fornecendo 600 cal a 200 g de um corpo e sua temperatura variar de 10ºC até 60ºC, que é o valor de seu calor específico? solução: de Q = m.c., 600 = 200.c.(60 – 10) c = 600/10000 = 0,06 cal/g.ºC. 2 – O calor específico de uma substância é 400 J/Kg.K. Que quantidade de calor é necessária para variar de 30º C até 70ºC a temperatura de 2kg dessa substância? Solução: Q = m.c. Q = 2.400.(70 – 30) = 32000 J. Obs.1 – observe bem as unidades Obs.2 – as variações de temperatura nas escalas Kelvin e Celsius são iguais.

11. 3 – O calor específico de uma substância varia com a temperatura segundo a equação: c = 0,01 + 0,004 + 0,00062 + 0,000083 USI. Qual é a quantidade de calor necessária para elevar de 27ºC a 227ºC, 200 g dessa substância? Solução: Como é citado o SI (sistema internacional) a massa deve ser expressa em kg e a temperatura em K. O calor específico será J/kg.K. 500   (0,01 + 0,004 + 0,00062 + 0,000083)d  Q = m = 300 500 = =0,2 (0,01 + 0,0042/2 + 0,00063/3 + 0,000084/4) 300 500 = 221584 J = 221,6 kJ. = 0,2(0,01 + 0,0022 + 0,00023 + 0,000024) 300

12. 7 - PRINCÍPIO DA TROCA DE CALOR Q - calor   B A 2 1 Quando dois ou mais corpos com temperaturas diferentes são postos em contacto térmico, o corpo mais quente cede calor ao mais frio até que suas temperaturas se igualem. Enquanto o corpo B vai esquentando O corpo A vai esfriando 1 >2 Resulta então: 1 >  > 2 A quantidade de calor cedida por A é: QA = mAcA( - 1) A quantidade de calor recebida por B é: QB = mBcB( - 2) A quantidade cedida é negativa pois  < 1 enquanto que a quantidade de calor recebida é positiva pois  > 2. Como a energia é conservada podemos escrever  Q = 0. Esta igualdade define o principio da troca de calor.

13. Aplicação: 1 – 200 g de água (c = 1 cal/g.ºC) à 10º C, encontra-se em um recipiente de cobre (c = 0,094 cal/g.ºC) cuja massa é 500 g. O conjunto é posto em um recipiente termicamente isolado e na água é colocado um bloco sólido de 800 g a 400ºC. Se após certo tempo a temperatura atinge 60ºC, qual é o calor específico do material que constitui o bloco? Solução: Calculando as quantidades de calor trocadas: Água: Q = 200.1.(60 – 10) = 1000 cal Cobre: Q = 500.0,094.(60 – 10) = 2350 cal Bloco: Q = 800.c.(60 – 400) = - 272000c Usando o princípio da troca de calor: 1000 + 2350 – 272000C = 0 Obtém-se: c = 0,012 cal/g.C

14. EXERCÍCIOS 1 – Que quantidade de água a 30ºC deve-se misturar com 1000 g de água a 80ºC, para obter água à 50ºC? Resposta: 1500 g 2 - Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200g à 20°C mergulhado em um litro de água à 80°C? Dados calor específico: água=1cal/g°C e alumínio = 0,219cal/g°C. Resposta: 58,77ºC 3 - Uma fonte de potência constante igual a 100W (100 J por segundo) é utilizada para aumentar a temperatura 100g de mercúrio 30°C. Sendo o calor específico do mercúrio 0,033cal/g.°C e 1cal=4,186J, quanto tempo a fonte demora para realizar este aquecimento? Resposta: 41,45 s. 4 - Um rapaz deseja tomar banho de banheira com água à temperatura de 30°C, misturando água quente e fria. Inicialmente, ele coloca na banheira 100 litros de água fria a 20°C. Desprezando a capacidade térmica da banheira e a perda de calor da água, pergunta-se: a) quantos litros de água quente, a 50°C, ele deve colocar na banheira? b) se a vazão da torneira de água quente é de 0,20 litros/s, durante quanto tempo a torneira deverá ficar aberta? Resposta: (a) 50 litros; (b) 250 s.

15. 5 - Misturam-se 200 g de água a 0 °C com 250 g de um determinado líquido a 40 °C, obtendo-se o equilíbrio a 20 °C. Qual o calor específico do líquido? Dado: calor específico da água = 1 cal/g°C. Desprezam-se as trocas de calor com outros sistemas. Resposta: 0,8 cal/g.ºC.