BC0205

BC0205
Fenômenos Térmicos
Gustavo M. Dalpian
Terceiro Trimestre/2009
Aula 2 Dalpian
Fenômenos Térmicos ?
•
Ementa:
– Temperatura e calor. Sistemas termodinâmicos. Variáveis
termodinâmicas e sua natureza macroscópica. Teoria cinética do
calor e dos gases. Primeira lei da termodinâmica. Processos
irreversíveis e entropia. Segunda lei da termodinâmica.
?
Aula 2 Dalpian
Fenômenos Térmicos ???
• Termodinâmica:
– Estuda processos de transformação na matéria
macroscópica (número de Avogadro de constituintes),
prescindindo de qualquer hipótese sobre a constituição
atômica (microscópica) dos corpos materiais;
– Estuda as transferências e conversões de energia entre um
sistema e sua vizinhança, com possíveis variações na
temperatura ou mudanças de estado físico do sistema;
– Descreve processos de transformação em física, química e
biologia.
• Início de seu desenvolvimento ocorreu na primeira metade do
século XIX, como resultado de tentativas para melhorar a
eficiência de máquinas a vapor (Calor->Trabalho)
Aula 2 Dalpian
Termodinâmica ?
Aula 2 Dalpian
4
Termodinâmica
• Permite saber se um processo é permitido
Qualquer processo
• Permite saber se um processo irá acontecer
espontaneamente
– Fundamental para Física, Química e Biologia
• Permite calcular limites teóricos para
rendimentos de processos
– Fundamental para as engenharias
Calor e Trabalho
Aula 2 Dalpian
Temperatura
• Como definir qual objeto mais quente (ou mais frio)?
– Uma chama ? Uma estrela ? O espaço sideral ?
– Definindo uma escala de temperatura!
• Quantas escalas de temperatura existem?
– Em uso: tres
• Celsius
• Fahrenheit
• Kelvin
• Como definir uma escala de temperatura ?
– Utilizando propriedades da materia que dependem da
temperatura (termoscópio)
• Volume/pressão de uma gas confinado, resistencia
elétrica, comprimento de uma haste de metal, dilatacao de
um liguido em um capilar, comprimento de onda de maior
intensidade de um “corpo negro”.
Aula 2 Dalpian
Equilíbrio térmico
+
=?
Aula 2 Dalpian
7
Equilíbrio térmico
Dois corpos em contato térmico trocam calor,
fazendo variar suas propriedades até que entrem
em equilíbrio térmico: suas propriedades
assumem valores fixos e suas temperaturas são
iguais (def.)
• Algumas definições úteis:
•
– Paredes diatérmicas: não oferecem obstáculo à
equalização das temperaturas entre os corpos que
separam
– Paredes adiabáticas: Impedem a equalização das
temperaturas dos corpos que separam.
Aula 2 Dalpian
Equilíbrio Térmico
Lei Zero da Termodiâmica:
• Se dois corpos A e B estiverem
separadamente em equilíbrio
térmico com um terceiro corpo C,
então A e B estão em equilíbrio
térmico entre si.
• OBS: A calibração do termoscópio
resulta em um termômetro.
Aula 2 Dalpian
Escalas de Temperatura
•
Termômetro: Termoscópio calibrado
• Escala Celsius: à pressão atmosférica, a
temperatura da mistura de água e gelo
em equilíbrio é definida como 0oC (ponto
de gelo) e a temperatura da mistura de
água e vapor em equilíbrio é definida
como 100oC (ponto de vapor).
• Escala Fahrenheit: à pressão atmosférica,
a temperatura da mistura de água e gelo
em equilíbrio é definida como 32oF (ponto
de gelo) e a temperatura da mistura de
água e vapor em equilíbrio é definida
como 212oF (ponto de vapor).
• Equação de Conversão:
» TF = (9/5)TC + 32
Aula 2 Dalpian
Escala ABSOLUTA!
Escalas de Temperatura
• Problema! Pureza da substancia afeta o ponto de fusão e
ebulição
• Introdução do ponto tríplice da água como fenômeno de
referência – conjunto único de valores de P,V e T no qual
água líquida gelo e vapor d'água coexistem – e o zero
absoluto
T3=273,16K
Aula 2 Dalpian
Termômetro de Gás a V cte
Termômetro de referência
• Composto por um tubo cheio de gás
conectado por um tubo a uma
manômetro de mercúrio. Levantando
ou abaixando o reservatório R, o
nível de mercúrio sempre pode ser
trazido para o zero da escala,
assegurando que o volume do gás
permaneça constante.
• Padrão antigo: Pontos de fusão e
ebulição da água como referência
• Padrão atual: Ponto triplo da água
•
Aula 2 Dalpian
Termômetro de Gás a V cte
Defina a pressão de um gas qualquer no termômetro
Meça a pressão no ponto triplo da água e utilize:
Método somente é independente da pressão
quando
P->0
Aula 2 Dalpian
Termômetro de Gás a V cte
Porque extrapolar para p->0 ?
Aula 2 Dalpian
Expansão Térmica de Sólidos e
Líquidos
Conceito: Para a maioria das substâncias, quando a temperatura aumenta
ocorre um aumento em seu volume. Esse é o fenômeno da expansão (ou
dilatação) térmica.
Aplicações:
•Juntas de expansão térmica em edifícios, estradas, pontes, trilhos de trem
•Termostatos baseados em lâminas bimetálicas:
•Materiais odontológicos para obturações (propriedades de expansão similares
às do esmalte do dente)
•Rebites e elementos de fixação de peças em aeronaves
Aula 2 Dalpian
Origem: Aumento da separação média entre os átomos ou moléculas
constituintes da substância com o aumento da temperatura
(assimetria do potencial interatômico)
Expansão Linear:
ΔL = Lf – Li = αLi ΔT
α: coeficiente médio de expansão linear (oC -1)
Expansão Volumétrica:
ΔV = Vf – Vi = βVi ΔT
β: coeficiente médio de expansão volumétrica
Expansão Superficial:
ΔA= Af – Ai = γΑi ΔT
γ: coeficiente médio de expansão superficial
Relação entre os coeficientes:
β = 3α
Aula 2 Dalpian
γ = 2α