Temperatura Calor 1º. Lei da Termodinâmica

1. Temperatura Calor 1º. Lei da Termodinâmica Criostatos de He3 -272.85 C

2. Termodinâmica • Energia Térmica • Temperatura , Calor, Entropia ... • Máquinas Térmicas : Refrigeradores, ar-condicionados, ...

3. Física “Térmica” NÚMERO DE PARTÍCULAS N>>1 • Termodinâmica : • Análise Macroscópica • Fenomenológica • Física Estatística • Análise Microscópica • Princípios físicos + estatística

4. Temperatura • Sensação térmica • Energia térmica : Energia interna : cinética + potencial átomos-moléculas

5. Equilíbrio Térmico • Dois sistemas “grandes” em contato térmico Muitas configurações = divisão da energia térmica permitidas MAS UMA CONFIGURAÇÃO MUITO MAIS PROVÁVEL • CONFIGURAÇÃO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO descreve MUITO BEM as propriedades do sistema • Parâmetro que se iguala na configuração de equilíbrio térmico: TEMPERATURA

6. Temperatura • Temperatura fundamental Unidade: energia g=no. estados acessíveis • Temperatura absoluta – termodinâmica : Unidade: Kelvin K: constante de Boltzmann Zero Absoluto • Escalas de temperatura : Celsius , Fahrenheit

7. Temperatura

8. Lei Zero da Termodinâmica • “Se dois sistemasestão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles devem estar em equilíbrio térmico entre si.” • Sistemas : A , B e T • Sistema T : parâmetro → Temperatura • TT =TA e TT =TB • → TA=TB • SE: Ti > Tj • →Fluxo de energia de i para j

9. Medida da Temperatura • Propriedades físicas que dependem de T: Pressão de gases Volume de gases e líquidos Dimensões de sólidos Resistência elétrica ...

10. Escalas de Temperatura • Referência: PONTO TRIPLO DA ÁGUA Define um único conjunto de P, V e T T3 atribuído por acordo internacional: T3= 273,16 K Célula de ponto triplo

11. Escalas de Temperatura • Kelvin, Celsius, Fahrenheit Celsius: T3=0,01oC - DT=1K=1oC Fahrenheit : T3=32,02oF - DT=5K=9oF

12. Dilatação térmica • Aumento de T → aumento da separação média entre átomos do sólido Expansão linear: Coeficiente de expansão linear:

13. Dilatação térmica Furo aumenta ou diminui com T ? = Ampliação fotográfica : Furo aumenta.

14. Dilatação térmica Expansão volumétrica : Coeficiente de expansão volumétrica: Exemplo: CUBO

15. Dilatação térmica

16. contato elétrico Expansão térmica • Aplicação : termostato

17. Expansão Térmica • Coeficiente de dilatação anômalo da água Densidade:

18. Exemplo Um fio de aço com 130 cm de comprimento e 1,1 mm de diâmetro é aquecido a 830 0C e conectado a dois suportes. Qual a força gerada no fio quando ele é resfriado a 20 0 C ? aço = 11.10-6 /0C Eaço=200x109 N/m2.

19. Calor e Temperatura Tc >Tambiente Tc <Tambiente energia energia Corpo ganha energia interna → cedida pelo ambiente Corpo perde energia interna → transferida para ambiente Tc =Tambiente Não há transferência de energia

20. Calor e Temperatura Tc >Tambiente Tc <Tambiente energia energia Corpo ganha energia interna → cedida pelo ambiente Corpo perde energia interna → transferida para ambiente • Energia transferida = CALOR = Q

21. Absorção de Calor Capacidade de absorção depende do sistema Em geral, resulta em aumento de T Capacidade Calorifica Calor Específico Só depende do material e das condições p cte , V cte

22. Calor específico

23. Unidades • CALOR = ENERGIA [Q] = Joule 1 cal = 4,1868 J : Calor necessário para aumentar T de 1 g de água de 14,5 →15,5ºC • Calor específico [c] : J/(kg.K) : cal /(g.oC)

24. Q Q Transformação de FASE Requer energia : Q FUSÃO VAPORIZAÇÃO sólido gasoso líquido Q Q Temperatura não varia durante mudança de estado

25. Transformação de FASE Requer energia : Q Q Q FUSÃO VAPORIZAÇÃO sólido gasoso líquido Q Q Calor Absorvido/Liberado na mudança de fase por unidade de massa Calor de Transformação

26. Calor de Transformação

27. Q1 Q2 Exemplo Qual a quantidade de calor necessária para transformar 720 g de gelo inicialmente a -10 0C em água a 15 0C? cice = 2220 J/Kg, LF = 333 J/kg, clig = 4190 J/kg

28. Calor e Trabalho CALOR: Energia transferida por contato térmico Q : Calor recebido pelo sistema TRABALHO: Energia transferida por variação dos parâmetros externos do sistema W : trabalho realizado pelo sistema ENERGIA INTERNA DO SISTEMA: Cinética+potencial dos graus de liberdade internos Eint : PROPORCIONAL A TEMPERATURA

29. Calor e Trabalho Q : Calor recebido pelo sistema W : trabalho realizado pelo sistema Eint: ENERGIA INTERNA DO SISTEMA: CONSERVAÇÃO DE ENERGIA 1º. LEI DA TERMODINÂMICA

30. Calor e Trabalho TRABALHO - FLUIDO

31. Trabalho Gás ideal Área curva no diagrama p-V i → f Qual caminho ?

32. Processos Adiabáticos Sistema isolado OU Processo muito rápido → Não há transferência de calor Expansão adiabática : W>0 : DEi<0 : Temperatura diminui Compressão adiabática : W<0 : DEi>0 : Temperatura aumenta

33. Processos isométricos Volume CTE Gás aborve calor : Q>0 : DEi>0 : Temperatura aumenta Gás libera calor : Q<0 : DEi<0 : Temperatura diminui

34. Curvas fechadas Processos Cíclicos Estados inicial e final = iguais Eint inicial e final = iguais Tinicial e final = iguais

35. Expansão Livre Expansão adiabática sem realização de trabalho Temperatura do gás NÂO varia Não pode ser realizada lentamente : processo súbito : estados intermediários não são “de equilíbrio” : Não podemos desenhar trajetória em diagrama p-V

36. Primeira Lei da TermodinâmicaResumo

37. Exemplo Deve-se converter 1 kg de água a 100 0 em vapor d´água na mesma temperatura numa pressão p = 1,01x105 N/m2. O volume da água varia de 1,0 x10-3 m3 quando liquido para 1,671 m3 em gás. Qual o trabalho realizado pelo sistema? Qual a variação da energia interna do sistema ?

38. Transferência de calor • Condução • Conveção • Radiação

39. Condução • Energia térmica transferida átomo → átomo

40. Condução Placa com faces de área A e espessura L mantidas em TH e Tc Taxa de condução: Calor transferido por unidade de tempo: k : condutividade térmica do material R : resistência térmica à condução de calor :

41. Condução

42. Condução Placa composta em estado estacionário : H1 = H2 = H Resistências térmicas em série se somam

43. Conveção Brisa do mar

44. Conveção • FLUIDOS : variação da temperatura → variação da densidade → movimento do fluido : Correntes de convecção

45. SOL Terra Radiação • Calor absorvido/liberado por absorção/emissão de ondas eletromagnéticas • Única transferência de calor no vácuo

46. Radiação Taxa de radiação de térmica : Potência térmica Lei de Stefan-Boltzmann s= 5,6703x10-8 W/m-2K-4 : Cte de Stefan-Boltzmann  : emissividade : 0→1 (1 = corpo negro) T : PRECISA estar em K

47. Radiação Emissão vs Absorção Potência térmica irradiada Potência térmica absorvida Taxa líquida de troca de energia de um corpo em T num ambiente em Tamb