T - UFERSA

Universidade Federal Rural
do Semi-Árido - UFERSA
Temperatura
p
e Calor
Subênia Karine de Medeiros
Mossoró, Outubro de 2009
Definição:
A Termodinâmica explica as principais propriedades
d matéria
da
té i e a correlação
l ã entre
t estas
t propriedades
i d d e
a mecânica dos átomos e moléculas
Temperatura é a sensação física que nos produz um
corpo
p q
quando entramos em contato com ele. Pode
ser entendida como a medida do grau de quentura ou
frialdade de um corpo, ou seja, é uma medida da
energia
i cinética
i éti molecular
l
l média
édi de
d um corpo.
Calor é a energia que flui entre um sistema e sua
vizinhança em virtude de uma diferença de
temperatura
p
entre eles.
A termodinâmica trata das transformações da matéria nos
seus quatro estados
3
Equilíbrio
q
Térmico
Equilíbrio Térmico: Estado do sistema onde
nenhuma das variáveis macroscópicas (pressão,
(
volume, temperatura) muda com o tempo.
* Paredes
P d Adiabáticas
Adi báti
e Diatérmicas
Di té i
Termômetros e a Escala Celsius
Os termômetros são dispositivos utilizados para medir a temperatura de um corpo
ou de um sistema com o qual o termômetro está em equilíbrio térmico.
térmico
Algumas das propriedades físicas que mudam com a temperatura e que são
usadas nos termómetros:
• O volume
l
d
de um lílíquido
id ((a))
•
•
•
•
•
O comprimento de um sólido
A pressão de um gás mantido a volume constante
O volume de um gás mantido a pressão constante
A resistência eléctrica de um condutor
A cor de um corpo quente
Escala Celsius de Temperatura
As extremidades da coluna do líquido
termômetro foram marcadas em dois pontos:
no
• Ponto de fusão do gelo - 0 °C
C
• Ponto de ebulição da água - 100 °C
A distância entre as marcas é dividida em 100
seguimentos iguais, cada um denotando uma
variação na temperatura de um grau Celsius.
5
O Termómetro de Gás a Volume Constante
e a Escala Kelvin
O Termômetro de Gás
O
comportamento
observado
nesse
dispositivo é a variação da pressão com a
temperatura de
d um volume
l
fi de
fixo
d gás.
á
Foi calibrado utilizando-se os pontos de
fusão do gelo e de ebulição da água.
água
O reservatório B de mercúrio é levantado ou
abaixado até q
que o volume do g
gás
confinado esteja em algum valor, indicado
pelo ponto zero da régua
A altura
lt
h (a
( diferença
dif
entre
t os níveis
í i do
d
reservatório e da coluna A) indica a
pressão no frasco, de acordo com a
equação:
P = P0 + ρgh
6
Curva de calibração
Se quisermos medir a temperatura de uma substância, colocamos o frasco de
gás
á em contacto
t t térmico
té i com a substância
b tâ i e ajustamos
j t
a coluna
l
d mercúrio
de
ú i até
té
que o nível na coluna A retorne a zero
A altura da coluna nos informa a pressão do gás e podemos, então, encontrar a
temperatura da substância a partir da curva de calibração.
7
Experimentos mostram que as leituras do termómetro são quase independentes do
tipo de gás utilizado - para pressão do gás seja baixa e a temperatura bem acima do
ponto
t no quall o gás
á se liquefaz
li
f
A Figura mostra a curva de calibração para três gases diferentes
Observamos que se estendermos as
rectas rumo às temperaturas negativas,
negativas
para P=0, a temperatura é de –273.15
°C para as três rectas
Isso sugere que essa temperatura em
particular tem importância universal pois
não depende da substância usada no
ó
termómetro
Tal temperatura
p
deve representar
p
um limite inferior p
para os p
processos físicos p
porque
q
a pressão mais baixa possível é P=0 (seria um vácuo perfeito)
Definimos a temperatura de –273
273.15
15 °C
C como sendo o zero absoluto
8
Escala Kelvin de Temperatura
p
A escala Kelvin de temperatura estabelece –273.15 °C como seu ponto zero (0 K)
O tamanho de um grau na escala Kelvin é escolhido para ser idêntico ao tamanho
de um grau na escala Celsius
TC é a temperatura na escala Celsius
ΔTC = ΔT
T é a temperatura na escala Kelvin
(temperatura absoluta )
Conversão
C
ã
entre
t
as na escala
l
temperaturas Kelvin e Celsius
TC = T − 273.15
O primeiro ponto é o zero absoluto
((T=0K)) e o segundo
g
ponto é o p
p
ponto
triplo da água, 0,01 ºC, ou 273.16K.
9
Escala Fahrenheit
A escala de temperatura mais comum no uso diário nos Estados Unidos é a escala
Fahrenheit
• Ponto de fusão em 32 °F
• Ponto
P
d vapor em 212 °F
de
F
Relação entre as escala Celsius e
Fahrenheit
9
TF = TC + 32 °F
5
O tamanho de um grau na escala
Celsius é diferente ao tamanho de
um grau na escala Fahrenheit
9
ΔTF = ΔTC
5
10
Considere dois corpos A e B que não
estão em contato térmico e um terceiro
corpo C que será o nosso termômetro
Se as duas leituras forem as mesmas,
então A e B estão em equilíbrio térmico
um com o outro
Se forem colocados em contato térmico
um com o outro, como na Figura (c), não
há nenhuma transferência de energia
entre eles
O Princípio
p Zero da termodinâmica (a
( lei do equilíbrio)
q
)
Se os corpos A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro
p C,, então A e B estão em equilíbrio
q
térmico entre si
corpo
A temperatura é a propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio
térmico com outros corpos
Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão na mesma temperatura
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Transformações
ç
Termodinâmicas
Para um sistema que interage com o meio exterior
ocorrendo variações nas suas condições iniciais,
dizemos que houve transformação termodinâmica.
Quando tais variações são muito lentas, onde em
qualquer momento o sistema parece estar em
equilíbrio, dizemos que esta transformação foi quasiestática.
Quando a variação é traçada no tempo, dizemos que
ela é reversível.
reversível Uma transformação reversível é
sempre quase-estática, mas a afirmação contrária não
é válida.
Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos
No termômetro de líquido vimos que quando a
temperatura aumenta, o volume aumenta.
Esse fenómeno é conhecido como expansão térmica
Juntas de expansão térmica devem ser incluídas em
edifícios, estradas, trilhos de estrada de ferro e pontes
para compensar a mudanças nas dimensões que
ocorrem com as variações da temperatura
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A expansão térmica global de um corpo é uma consequência da
mudança
ç na separação
p ç
média entre seus átomos ou moléculas
constituintes
Um corpo tem um comprimento inicial
Li
Para uma variação de na temperatura ΔT o comprimento aumenta Δ L
Li , Ti
Lf , Tf
Para ΔT pequeno
α
ΔL = αLi ΔT
ou
L f − Li = αLi (T f − Ti )
é chamado de coeficiente médio de expansão linear para um determinado
material e tem unidades o C −1
14
A Tabela mostra o coeficiente médio de expansão linear de vários materiais
Para esses materiais, α
aumento da temperatura
é positivo, indicando um acréscimo no comprimento com o
substância
Coeficiente de expansão linear
(α) em ºC-1
aço
1,1 x 10-5
alumínio
2 4 x 10-55
2,4
chumbo
2,9 x 10-5
cobre
1,7 x 10-5
ferro
1,2 x 10-5
latão
2,0 x 10-5
ouro
1 4 x 10-55
1,4
prata
1,9 x 10-5
vidro comum
0,9 x 10-5
vidro pirex
0,3 x 10-5
zinco
6,4 x 10-5
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Da mesma forma que as dimensões lineares de um corpo variam com a
temperatura, o volume e a área da superfície também variam com a
t
temperatura
t
Volume
V f = (Li + αLi ΔT ) = L3i + 3αL3i ΔT = Vi + 3αVi ΔT
3
ΔV = V f − Vi = βVi ΔT
Coeficiente médio de expansão do volume β = 3α
Área
ΔA = A f − Ai = γAi ΔT
Coeficiente médio de expansão da área
γ = 2α
A Tabela mostra o coeficiente médio de expansão volúmica de várias substâncias
substância
Coeficiente de dilatação
volumétrica (γ) em ºC
C-11
álcool
100 x 10-5
gases
3,66 x 10-3
gasolina
11 x 10-4
mercúrio
18,2 x 10-5
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O Comportamento da Água
Quando a temperatura aumenta de 0 °C para 4 °C, a água contrai-se e,
assim, sua densidade aumenta
Acima de 4 °C
C, a água exibe a expansão prevista com o aumento da
temperatura
A densidade de água alcança um
valor máximo de 1000 kg/m3 a 4 °C
• Quando a temperatura atmosférica
está entre 4 °C e 0 °C, a água da
superfície de um lago se expande
enquanto arrefece, tornando-se menos
densa que a água abaixo dela.
• A água
ág a da superfície
s perfície congela,
congela o gelo
permanece na superfície porque é
menos denso do que a água. O gelo
continua a se formar na superfície,
p
,
enquanto a água mais próxima do
fundo da lagoa permanece a 4 °C
Se isso
S
i
não
ã acontecesse,
t
os peixes
i
e outras
t
f
formas
de vida
d
id marinha
i h não
ã
sobreviveriam no Inverno
17