Capítulo 18 e 19: Termodinâmica e Teoria Cinética dos Gases

Termodinâmica Cap 18 Temperatura Calor e a 1º Lei da termodinâmica Ao final deste capítulo você deverá ser capaz de 1 Argumentar sobre a diferença entre calor e temperatura 2 Apresentar o conceito de equilíbrio térmico e discutir a convenção de sinais para o calor 3 Fazer cálculos envolvendo transferência de calor variações de temperatura variações nas dimensões da substância e transições de fase 4 Discutir as mudanças de estados de um gás ideal em termos de processos termodinâmicos e representar esses processos em um diagrama conveniente 5 Calcular a transferência de calor e o trabalho realizado nos processos termodinâmicos 6 Aplicar a 1ª Lei da Termodinâmica nas mais diferentes situações físicas em que ela se apresenta relacionando calor trabalho e variação de energia interna de um gás ideal 7 Identificar os mecanismos de transferência de calor Ref HALLIDAY D RESNICK R e WALKER J Fundamentos de Física Gravitação Ondas e Termodinâmica Volume 2 9a ed Rio de Janeiro genLTC 2013 Seções 181 182 183 187 188 189 1810 1811 1812 Cap 19 A Teoria Cinética dos Gases 3 Ao final deste capítulo você deverá ser capaz de 1 Identificar em quais situações um gás pode ser considerado ideal 2 Relacionar a temperatura de um gás à energia cinética de suas partículas 3 Reconhecer os tipos de movimento de uma partícula de um gás ideal translação eou rotação eou vibração a partir do valor de seu calor específico molar 4 Discutir sobre o Teorema da Equipartição da Energia 5 Distinguir entre calor específico molar a volume constante e a pressão constante e determinar a relação matemática entre eles 6 Caracterizar o estado termodinâmico de uma substância e discutir o que significa caminhos entre estados termodinâmicos 7 Discutir as mudanças de estados de um gás ideal em termos de processos termodinâmicos e representar esses processos em um diagrama conveniente 8 Distinguir entre processos isotérmicos e adiabáticos 9 Aplicar a 1ª Lei da Termodinâmica nas mais diferentes situações físicas em que ela se apresenta relacionando calor trabalho e variação de energia interna de um gás ideal Ref HALLIDAY D RESNICK R e WALKER J Fundamentos de Física Gravitação Ondas e Termodinâmica Volume 2 9a ed Rio de Janeiro genLTC 2013 Seções 191 192 193 195 198 199 1911 Cap 20 A 2ª Lei da Termodinâmica Ao final deste capítulo você deverá ser capaz de 1 Identificar um motor de combustão interna ideal como uma máquina térmica descrever seu funcionamento em termos dos processos termodinâmicos e discutir em quais etapas o calor é absorvido e o trabalho é realizado pelo motor 2 Calcular o trabalho realizado por um motor a combustão sua eficiência térmica e sua potência média 3 Descrever o funcionamento de um refrigerador em termos dos processos termodinâmicos e discutir como ele absorve calor no reservatório frio 4 Calcular o calor absorvido pelo refrigerador seu coeficiente de desempenho e sua potência média 5 Discutir sobre a reversibilidade e a irreversibilidade dos processos termodinâmicos usando o conceito de entropia 6 Exprimir como a 2ª Lei da Termodinâmica estabelece limites à eficiência de máquinas térmicas e refrigeradores 7 Expressar porque o ciclo ideal de Carnot é o que apresenta maior eficiência térmica e fazer cálculos envolvendo esse ciclo para máquinas térmicas e refrigeradores 8 Entender a partir do ciclo de Carnot que a eficiência de um processo termodinâmico depende da maior e da menor temperatura da substância durante o ciclo Ref HALLIDAY D RESNICK R e WALKER J Fundamentos de Física Gravitação Ondas e Termodinâmica Volume 2 9a ed Rio de Janeiro genLTC 2013 Seções 201 202 204 205 e 206 Objetivos Reconhecer conceitos Principais Grandezas pVTn Diferenciar Calor Temperatura Aplicar e Calcular Lei Zero da Termodinâmica Mudanças de Temperatura Mudanças de fase 6 Mecânica x Termodinâmica Mecânica Sistema ponto material Objetivo conhecer xt Importante Força resultante vt at Ft Ecinética Epotencial Termodinâmica Sistema sólido liquido gás 1023 partículas Objetivo descrever o sistema em termos de pressão p temperatura T volume V Importante Calor Q Variáveis macroscópicas Alguns efeitos do calor mudar as dimensões dilatação mudar a temperatura calor sensível mudar a fase calor latente realizar trabalho 1ª Lei da Termodinâmica Volume m3 SI L 1 L 103 m3 cm3 1 cm3 106 m3 para gases ideais o volume do gás será igual ao volume do recipiente que o contém Pressão Pa Nm2 SI atm 1 atm 101 x 105 Pa pressão atmosférica se deve a coluna de ar que existe na atmosfera pressão manométrica é a pressão mostrada em um medidor para gases ideais a pressão do gás quando contido em um recipiente se deve aos choques das moléculas do gás com as paredes do recipiente Importante pabsoluta patmosférica pmanométrica Temperatura K Kelvin no SI oC TK ToC 27315 é uma medida da energia cinética das partículas de uma substância qualquer Calor J SI cal 1 cal 4186 J é energia que se transfere de uma substância para outra enquanto houver uma diferença de temperatura entre elas 7 Variáveis importantes e suas unidades 8 Calor x Temperatura The Suns Core Energy is generated via thermonuclear reactions creating extreme temperatures deep within the Suns core The Radiative Zone Energy moves slowly outward taking more than 170000 years to radiate through this layer of the Sun The Convection Zone Energy continues to move toward the surface through convection currents of the heated and cooled gas The Chromosphere This relatively thin layer of the Sun is sculpted by magnetic field lines that restrain the electrically charged solar plasma Occasionally larger plasma features called prominences form and extend far into the very tenuous and hot corona sometimes ejecting material away from the Sun The Corona The ionized elements within the corona or solar atmosphere glow in the xray and extreme ultraviolet wavelengths NASA instruments can image the Suns corona at these higher energies since the photosphere is quite dim in these wavelength httpswwwnasagovmissionpagessunearthsciencesolaranatomyhtml Missão Solar Parker da NASA lançada em agosto de 2018 A grande pergunta é Por que a corona solar é mais quente do que a superfície do Sol temperaturas superiores a meio milhão de graus de Celsius 9 Calor x Temperatura Imagem NASAJohns Hopkins APLSteve Gribben Por que a Sonda Solar Parker não vai derreter perto do Sol httpswwwinovacaotecnologicacombrnoticiasnoticiaphpartigoporquesondasolarparkernaovaiderreterperto solid010130180809W6qM2HtKi00 altas temperaturas nem sempre se traduzem em aquecer outro objeto Temperatura associada a velocidade com que as partículas estão se movendo Calor mede a quantidade total de energia que as partículas transferem Resposta Superfície do escudo térmico da Sonda voltado para o Sol 1400oC Dimensões 24 m de diâmetro e cerca de 115 mm de espessura Temperatura do outro lado do escudo 30º C Sistema de Proteção Térmica Painel reforçado CarbonoCarbono MTC pg 22 10 183 A Lei Zero da Termodinâmica Equilíbrio TA TB T Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo T então A e B estão em equílibrio térmico entre si Equilíbrio térmico mesma temperatura Tequilíbrio Aplicação da Lei Zero Termômetros httpinforredecombraplicacoespraticascomatermografia Consulta 25012019 11 187 188 Temperatura e Calor Calorimetria Figura 1812 Se a temperatura do sistema é maior que a temperatura ambiente como em a uma certa quantidade de calor Q é liberada para que o equilíbrio térmico b seja restabelecido c Se a temperatura do sistema é menor calor é absorvido pelo sistema para restabelecer o equilíbrio térmico Temperatura e Calor Condições para o equilíbrio térmico Energia calor se conserva Qliberado Qabsorvido Qliberado Qabsorvido Qabsorvido Qliberado 0 Mudança de temperatura ΔT Tf Ti Q m c ΔT m c Tf Ti c calor específico depende da substância c JkgK ou calgC Q n cmolar ΔT n número de mols Cmolar calor específico molar Cmolar JmolK Transformações de Fase Tf Ti Q muda a fase Q m L L calor latente L JKg ou calg Lf calor latente de fusão Lv calor latente de vaporização solidificação condensação Ponto triplo da água colocar no tempo 100 15 Calor específico e calor latente 795 calg 539 calg 1 atm Q m c ΔT m c Tf Ti Q C ΔT C Tf Ti 18 Exercícios sala de aula Resp Mg 175 g b Determine a massa de gelo Mg que foi adicionada ao calorímetro 20 Exercícios recomendados conceituais 21 Exercícios recomendados Resp 160 s Resp 33 m2 22 Exercícios recomendados Sears Zemansky 1744 Você um cientista fornece calor a uma amostra sólida de 500 g à taxa de 100 kJmin ao mesmo tempo em que registra a sua temperatura em função do tempo Com esses dados você faz um gráfico igual ao mostrado na figura ao lado a Qual é o calor latente de fusão desse sólido b Qual são os calores específicos dos estados líquido e sólido do material Resp a 300 x 104 Jkg b clíquido 100 x 103 JkgK csólido 133 x 103 JkgK Dado DTs 4oC Resp cA 40102 JkgK 23 Exercícios recomendados Resp 12105 Jkg 3200 JkgK Resp 680 oC Exercícios recomendados Objetivos Identificar Condução Convecção Radiação Diferenciar Direção de propagação do calor Emissão e Absorção de calor Aplicar e Calcular Taxa de Condução de calor Taxa de Emissão e Absorção de calor Convection 27 1812 Mecanismos de Transferência de Calor Exemplos Condução Convecção Radiação Exemplos Exemplos Mecanismos de Transferência de Calor Radiação 28 Mecanismos de Transferência de Calor Condução Taxa de condução Resistência térmica R httpoprincipiablogspotcombr201310propagacaodecalorhtml 29 Mecanismos de Transferência de Calor Condução Taxa de condução 2 materiais Taxa de condução vários materiais Estado Estacionário as temperaturas em todos os pontos da placa e a taxa de transferência de energia não variam no tempo OBS Notação para temperatura Hot Quente Cold Frio 30 Mecanismos de Transferência de Calor Convecção httposfundamentosdafisicablogspotcombr201304cursosdoblogtermologiaopticaeondas30html httpoprincipiablogspotcombr201310propagacaodecalorhtml httpwwwgeocitieswssaladefisica8termologiaconveccaohtml httpmeschacrafikiweeblycomglobalaircirculationhtml 32 Exercícios sala de aula R 80 oC 1 R T4 80 oC 33 Exercícios sala de aula a 123x103 W b 227x103 W c 104x103 W 34 Exercícios sala de aula Resp concreto 35 Exercícios recomendados conceituais 36 Exercícios recomendados Resp 081 J Resp a 17104 Wm2 b 18 Wm2 Resp 843oC b 576 oC 37 Exercícios recomendados Resp a 23102 Js b 15 Resp 233104 m2 Resp 289 W 93 Suponha que você intercepte 5 da energia irradiada por uma esfera quente que tem um raio de 0020 m uma emissividade de 080 e uma temperatura de 500 K na superfície Qual é a quantidade de energia que você intercepta em 20 min Resp 86 J Objetivos Relacionar Calor Trabalho Identificar Isocórico Isobárico Isotérmico Adiabático Ciclo Construir e Calcular Diagrama PV 39 189 Calor Q Trabalho W Exemplo 1 Como o gás consegue empurrar o pistão para baixo 2 Mudança de Estado Trabalho Como calcular este trabalho Gasolina ar Motor a combustão httpswwwyoutubecomwatchvemRxXykWB3Y httpswwwyoutubecomwatchvUl1XuiJE0Dw Gás ideal p V n R T R 8314 JmolK ou 00821 atmLmolK T K kelvin p absoluta Estado Termodinâmico p V T estado inicial estado final Obs quantidade de matéria também é uma variável importante para definir o estado termodinâmico Calor Q Trabalho W Definição de trabalho Calculando o trabalho em dV dW F ds dW p A ds dW p dV em ΔV W dW ISOTÉRMICO Processos Termodinâmicos CICLO Calor Q Trabalho W considerações gerais 46 Exercícios sala de aula Resp 1693 J 47 Exercícios sala de aula 1 Um gás ideal inicialmente no estado indicado por a no diagrama pV ao lado é submetido aos processos indicados O processo cd é isotérmico e suponha que o gás ideal retorne ao estado inicial a através de um processo no qual a pressão varia linearmente com o volume conforme indicado pelo processo d a no diagrama ao lado Pedemse no SI a Identifique os processos ab e bc b Usando a definição de trabalho integral calcule o trabalho em cada processo indicando se o trabalho é realizado pelo gás ou sobre o gás Justifique 0 J 200 J 277 J 225 J c Calcule o trabalho no ciclo Esse trabalho é realizado pelo gás ou sobre o gás Justifique 252 J d Invertendo o sentido de todos os processos o que ocorre com os trabalhos em cada processo e o no ciclo 48 Exercícios sala de aula Resp 493 J Exercícios recomendados 50 Exercícios recomendados Um gás ideal executa os processos termodinâmicos mostrados no diagrama pV ao lado No processo AB sabese que pVa C onde C é uma constante que tem unidades Sabese também que o processo BC é isotérmico a Calcule o trabalho total no ciclo R 390 J b O trabalho é realizado pelo ou sobre o gás O diagrama pV ao lado mostra o ciclo teórico para um motor Diesel No processo ab sabese que pVa A e no processo cd pVa C onde A e C são constantes que tem unidades Calcule o trabalho total no ciclo R 1400 J