Propriedades Térmicas da Matéria

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Propriedades Térmicas da Matéria
Equilíbrio termodinâmico.
Equações de estado.
Gases ideais.
Física B2 – 2012/02
Prof. Jair C. C. Freitas – Depto. de Física / UFES
Equilíbrio termodinâmico
Equilíbrio termodinâmico:
Equilíbrio mecânico: não há forças desbalanceadas atuando em
qualquer parte do sistema ou no sistema como um todo.
Equilíbrio térmico: não há diferenças de temperatura entre as partes
do sistema ou entre o sistema e as suas vizinhanças.
Equilíbrio químico: não há reações químicas ocorrendo dentro do
sistema e não ocorre movimento de qualquer componente de uma
parte do sistema para outra.
Heat and Thermodynamics, Zemansky
Física B2 – 2012/02
Estado de equilíbrio: valores bem definidos e constantes (não variando com
o tempo) das coordenadas termodinâmicas.
Sistema isolado: sistema não influenciado de forma alguma pela interação
com as suas vizinhanças.
Mudança de estado: alteração das coordenadas termodinâmicas, de forma
espontânea ou por influência externa.
As mudanças de estado ocorrem sempre que um sistema tem seu estado de
equilíbrio perturbado, até que um novo estado de equilíbrio seja alcançado.
Não-equilíbrio: Se as condições de equilíbrio não forem satisfeitas, os
estados atravessados pelo sistema não poderão ser descritos em termos de
coordenadas termodinâmicas correspondendo ao sistema como um todo.
Física B2 – 2012/02
Equilíbrio global
Equilíbrio local
Desequilíbrio
http://universe-review.ca/R13-09-thermodynamics.htm
Física B2 – 2012/02
Processos
Quando as coordenadas termodinâmicas do sistema são alteradas, o estado
do sistema muda e diz-se que ocorreu um processo.
Se o processo é conduzido de forma tão lenta que em cada instante o
sistema está apenas infinitesimalmente separado de um estado de equilíbrio,
o processo é chamado de quase-estático.
Assim, um processo quase-estático aproxima-se muito de uma sucessão de estados de
equilíbrio.
Se ocorrerem separações finitas com relação aos estados de equilíbrio, o processo é chamado
de não-quase-estático.
Um processo cujo sentido pode ser revertido por uma alteração infinitesimal
em uma ou mais coordenadas termodinâmicas do sistema é chamado de
reversível.
Processo reversíveis são necessariamente quase-estáticos, mas um processo quase-estático
pode ser irreversível (quando há efeitos dissipativos, por exemplo).
Thermodynamics…, Sears & Salinger
Física B2 – 2012/02
Processos
Exemplos de processos quase-estáticos:
Aquecimento com diferenças infinitesimais de temperatura
entre o sistema e as vizinhanças.
Expansão com diferenças infinitesimais de pressão entre o
sistema e as vizinhanças.
Física B2 – 2012/02
Diagramas de estados
Estados de equilíbrio e processos quase-estáticos são
representados graficamente por diagramas de estados.
Estados de equilíbrio são representados por pontos.
Processos quase-estáticos são representados por linhas
ligando dois estados.
Física B2 – 2012/02
Equações de estado
Encontra-se experimentalmente que as coordenadas termodinâmicas de um
sistema não podem assumir valores arbitrários e independentes.
As coordenadas termodinâmicas de um sistema são relacionadas por meio
de equações de estado.
f ( X , Y , Z ,..., T ) = 0
Temperatura
Exemplos de equações de estado:
PV = nRT

an 2 
 P + 2  (V − nb) = nRT
V 

V = V0 [1 + β(T − T0 ) − κ( P − P0 ) ]
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Gás ideal
Gás de van der Waals
Sólido com β e κ constantes
Expansividade e compressibilidade
Compressibilidade isotérmica:
1  ∂V 
κ=− 

V  ∂P T
Expansividade volumétrica:
1  ∂V 
β= 

V  ∂T  P
Thermodynamics…, Sears & Salinger
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Sistemas hidrostáticos
Qualquer sistema com massa constante que exerça sobre as suas vizinhanças uma
pressão uniforme, na ausência de efeitos gravitacionais, superficiais, elétricos ou
magnéticos, é chamado de sistema hidrostático.
Tipos de sistemas hidrostáticos:
Substâncias puras.
Misturas homogêneas (uma única fase).
Misturas heterogêneas (mais de uma fase).
Os sistemas hidrostáticos são descritos por apenas três coordenadas termodinâmicas:
Pressão (P).
Volume (V) ou volume específico (v).
Temperatura (T).
Equações de estado para sistemas hidrostáticos:
f ( P ,V , T ) = 0
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Sistemas hidrostáticos
Física II – Termondinâmica e Ondas
Sears | Zemansky | Young | Freedman
Física B2 – 2012/02
Equação de estado – gases ideais
Resultados experimentais:
Massa molar
mtot = nM
V ∝ n ou mtot
T constante ⇒ PV = constante
(Lei de Boyle)
V constante ⇒ P ∝ T
(Lei de Gay-Lussac)
P constante ⇒ V ∝ T
(Lei de Charles)
Equação dos gases ideais:
PV = nRT
n constante
(Sistema fechado)
Constante dos gases ideais:
R = 8,314472(15) J / ( mol.K )
R = 0,08206 atm.L / (mol .K )
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Superfícies PVT
A equação de estado de um sistema hidrostático define a equação de uma
superfície tridimensional.
Exemplo:
Gás ideal.
PV = nRT
http://web.inc.bme.hu/csonka/csg/oktat/english/gaslaws.htm
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Bibliografia e links sugeridos:
Física II – Termodinâmica e Ondas, H. D. Young & R. A. Freedman, 12a ed.,
Pearson, 2008.
Curso de Física Básica. Vol. 2 – Fluidos, Oscilações, Ondas e Calor, Moysés
Nussenzveig, Edgar Blücher, 1996.
Calor e Termodinâmica, M. W. Zemansky, 5a ed., Guanabara Dois, Rio de Janeiro,
1978.
Termodinâmica, Teoria Cinética e Termodinâmica Estatística, F. W. Sears & G. L.
Salinger. Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1979.
http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node12.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/%E2%80%8Chbase/kinetic/idegas.html#c1
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