TERMODINÂMICATERMODINÂMICATERMODINÂMICATERMODINÂMICA

TEMPERATURA,TEMPERATURA,

CALOR CALOR

EE

1818

EE

PRIMEIRA LEI DA PRIMEIRA LEI DA

TERMODINÂMICATERMODINÂMICA

TEMPERATURATEMPERATURA

Temperatura é uma das sete grandezas fundamentaisdo SI.

Escala Kelvin (graduada em kelvins, K).

Limite inferior de temperatura – tomado como zero da

18.218.2

Limite inferior de temperatura – tomado como zero daescala Kelvin (zero absoluto).

Universo se formou há 13,7 x 109 anos – suatemperatura era ~ 1039 K.

A temperatura do Universo hoje é ~ 3 K.

TEMPERATURATEMPERATURATEMPERATURATEMPERATURA

LEI ZERO DA TERMODINÂMICALEI ZERO DA TERMODINÂMICAImagine dois sistemas A e B separados por uma paredeisolante ou adiabática.

Ambos os sistemas podem ser colocados em contatotérmico com um terceiro T (com alguma propriedade quepermite medir a temperatura).

18.318.3

O sistema A é posto em contato térmico com T até atingir o equilíbrio térmico.

O sistema B é posto emcontato térmico com T atéatingir o equilíbrio térmico.

A Lei Zero da termodinâmica diz que

“Se A está em equilíbrio térmico com T e B

também está em equilíbrio térmico com T, então

A e B estão em equilíbrio térmico entre si”.

Mensagem da Lei Zero da Termodinâmica

Todo corpo tem uma propriedade, associadaao equilíbrio térmico, chamada temperatura.ao equilíbrio térmico, chamada temperatura.

Quando dois corpos estão em equilíbriotérmico suas temperaturas são iguais e vice-versa.

EQUILÍBRIO TÉRMICOEQUILÍBRIO TÉRMICO

Dois sistemas estão em equilíbrio térmicoquando têm a mesma temperatura.

TemperaturaTemperatura

Do ponto de vista microscópico, temperatura é a medida da

energia cinética média da

molécula.

O modelo ao lado representa um gás rarefeito.

A probabilidade de colisão entre as moléculas é pequena. As moléculas colidem essencialmente com as paredes do recipiente.

Simulação representando as moléculas de água em movimento.

No estado líquido a separação média entre asmoléculas é pequena. A colisão entre as moléculasé bem mais provável do que em gases.

O ponto tríplice da água foi o fenômeno térmicoescolhido como padrão na medida datemperatura. Nesta temperatura coexistem osestados sólido, líquido e vapor.

A temperatura do ponto tríplice é T= 273,16 K.

MEDINDO A TEMPERATURAMEDINDO A TEMPERATURA18.418.4

A temperatura do ponto tríplice é T= 273,16 K.

Termômetro de gás a volumeconstante

AS ESCALAS AS ESCALAS CELSIUS E FAHRENHEITCELSIUS E FAHRENHEIT

18.518.5

EXPANSÃOEXPANSÃO TÉRMICATÉRMICA

Expansão linear. TLL ∆=∆ αα - coeficiente deexpansão linear.

Expansão volumétrica.

18.618.6

Expansão volumétrica.

αβ

β

3=

∆=∆ TVV

TEMPERATURATEMPERATURA EE CALORCALORConsidere o sistema A com temperatura TA e umsistema B com temperatura TB. TA>TB

TA > TB

18.718.7

calorNo processo do equilíbrio térmico verifica-se que o calor flui do

sistema A para o B.

Quando se alcança o equilíbrio térmico, isto é, TA = TB, verifica-se que a temperatura de A

diminuiu a de B aumentou.

O calor flui da maior para a menor

temperatura.

TA = TB

Calor (Q) é a energia transferida devido a uma diferença de temperatura.

A unidade de calor é a caloria 1 cal = 4,18 Joules.

Q = C ∆T= C (Tf-Ti)

C é a capacidade térmica.

18.8 18.8

Absorção de calor

C é a capacidade térmica.

Calor específico c é a capacidade térmica por unidade de massa.

dQ = C dT , sendo C = m c

dQ = m c dT

Calores de transformação

Quando há mudança de fase há troca decalor sem que a temperatura mude,necessariamente.

Q = L m

L é o calor de transformação.Unidades: J / kg (SI)

Calor é a energia transferida de formamicroscópica e desordenada de umsistema a outro.

Outra interpretação para o calor:

Exercício

Que quantidade de calor deve absorver720 g de gelo a -10oC para passar aoestado líquido a 15oC.

cgelo = 2.22 x 103 J/(kg.K)cliq = 4.19 x 103 J/(kg.K)LF = 333 kJ/kg

Calor e trabalho são energias trocadas entre sistemas.

A diferença está no mecanismo.

18.9 18.9 CALOR E TRABALHOCALOR E TRABALHO

Trabalho é uma transferência de energia ordenada, enquanto que o

calor é uma transferência desordenada de energia.

A máquina mostra que calor etrabalho são energias trocadas

Q

Wtrabalho são energias trocadasentre sistemas.

A energia térmica cedida pelachama é transferida ao gás quese expande movimentando opistão.

Q

WA máquina do exemplo anteriornão pode existir.

A máquina, para funcionar, devetrocar calor com o meio externo.

PRIMEIRA LEI PRIMEIRA LEI DA DA DA DA

TERMODINÂMICATERMODINÂMICA

A Primeira Lei da Termodinâmica

expressa a

Conservação de Energia.

A variação da energia interna de umA variação da energia interna de umgás é devida à troca de:

- energia térmica (calor)- energia mecânica ( trabalho).

A energia térmica pode ser calculada em algunscasos pela variação de temperatura.

dQ = mc dT

Q

CALOR

Q1Q2

No processo, o calor Q1 cedido pelo corpoquente é absorvido pelo corpo frio.

|Q1| = |Q2|

Neste caso a energia interna do materialvariou devido exclusivamente ao processode troca de calor.

Q1 = m1c1 (Tf – T1)

Q2 = m2c2 (Tf – T2)Q2 = m2c2 (Tf – T2)

O calor cedido é negativo e o recebidopositivo.

Q1+ Q2 = 0

Na animação o gás recebe calor e produztrabalho ao levantar o êmbolo.

TRABALHO

O trabalho realizado pelo êmbolo é transferido ao gás.

∫

∫∫

−=

−=⋅=

fV

ext

ext

VpW

pAW

d

dssdF

f

i

V

V

ext

rr

d

Vf

Vi

∫−=iV

ext VpW d

A

∫=

−=

f

i

V

V

gás

gásext

VpW

WW

d

dW = p dV

Definição (Halliday-Resnick-Walker)

W = trabalho realizado pelo gás.

∫=f

i

V

V

dVpW W > 0 expansão

W < 0 compressão

Geometricamente, o trabalho é a área debaixo da curva no plano pV.

∫=f

i

V

V

dVpW

• Na compressão, a energia interna Eint do sistema (gás) aumenta. Neste caso o meio externo realizou trabalho sobre o gás.

O trabalho realizado pelo gás é negativo se o volume diminui.

dW = p dVSe dV < 0 → W < 0

Quando é o gás que realiza trabalho, o que acontece na expansão, o trabalho é positivo.

W >0W >0

• A energia interna Eint

do sistema (gás) diminui. O gás realizou trabalho sobre o meio externo.

Primeira Lei da Termodinâmica

∆E = Q – W

W < 0

Q < 0

W > 0

Q > 0

Primeira Lei da Termodinâmica

dEint = d Q – d W

A variação de Energia Interna depende apenas dos estados

inicial e final.

PROCESSOS TERMODINÂMICOS

• ISOMÉTRICO• ISOMÉTRICO

• ISOBÁRICO

• ISOTÉRMICO

• ADIABÁTICO

PROCESSO ISOVOLUMÉTRICO OU ISOMÉTRICO

p

V

V

T2

T1

V

Neste processo não há trabalho realizado pois nãohá variação de volume do gás. O processo devenecessariamente envolver troca de calor ouenergia térmica.

W = 0 → ∆Eint = Q (calor trocado)

PROCESSO ISOBÁRICO

Neste processo há variação de volume e apressão permanece constante.

pp

W = p ( Vf – Vi)

vvi vf vvi vf

O trabalho é a área debaixo da curva.Nesse caso, área do retângulo.

PROCESSO ISOTÉRMICO

Neste processo é a temperaturaque permanece constante.

No caso de um gás ideal (isto é, que No caso de um gás ideal (isto é, que obedece à equação do gás ideal),

pV= nRT

as isotérmas são curvas onde o produtopV = cte.

30

40

50

pV = ctep

0

10

20

0 5 10 15 20

20

100

200

V

V

nRTpnRTpV

pdVW

=⇒=

= ∫

Gás ideal, processo isotérmico

V

i

f

V

VLn nRTW

V

dVnRTW

=

= ∫

TRANSMISSÃO TRANSMISSÃO

DE DE DE DE

CALORCALOR

A energia térmica ou calor, é a energiadistribuída de forma desordenada àsmoléculas e átomos do material.

O calor pode ser trocado ou transmitido porO calor pode ser trocado ou transmitido portrês processos básicos, por convecção,radiação e/ou condução.

CONVECÇÃOCONVECÇÃO

RADIAÇÃORADIAÇÃORADIAÇÃORADIAÇÃO

CONDUÇÃOCONDUÇÃO

Convecção é o mecanismo detroca de calor no qual a energia

CONVECÇÃOCONVECÇÃO

troca de calor no qual a energiatérmica é transferida através dotransporte de matéria.

∆Q/∆t = Ah∆T é a energia por unidade detempo trocada na convecção.h é coeficiente de convecção W/m2.oC, A éa área da superfície.

RADIAÇÃORADIAÇÃO

Todo corpo com temperatura não nulairradia ondas eletromagnéticas queinteragem com outros corpos, transferindoenergia.energia.

A energia solar é o exemplo mais marcanteda transferência de energia via radiação.

A taxa de emissão de radiação éproporcional à temperatura T(K) a quartapotência.

4Qe AT

t

∆= σ

∆t∆

e – emissividade varia entre 0 e 1

σ = 5,67 x10-8 W/m2K4

A - área do corpo.

Visão noturnaVisão noturna

CONDUÇÃOCONDUÇÃO

A troca de calor por condução seprocessa por meio de íons e/ou elétronsdo material da mesma forma que ado material da mesma forma que acondução elétrica.

A energia térmica sempre flui da maiorpara a menor temperatura.

Na condução, a quantidade de calor queflui através do corpo por unidade de tempoé proporcional ao gradiente de temperatura∆T/∆x.

H= ∆Q/∆tH= ∆Q/∆t

X

TkA

t

Q

∆∆

∆∆

−=

T1 T2