Capítulo 17: Temperatura, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica

Física 2 Capítulo 17 Temperatura Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica Temperatura e Escalas Termométricas Temperatura Temperatura é uma medida associada às sensações de calor e frio É uma das sete grandezas fundamentais do Sistema Internacional É associada ao grau de agitação das moléculas da matéria assim também sendo associada a energia cinética média das mesmas No sistema internacional sua unidade é dada Kelvin K embora comumente utilizese a escala Celsius ºC e a escala Fahrenheit ºF Para líquidos e gasosos principalmente a temperatura é uma função da pressão à qual estão submetidos Temperatura Lei zero da termodinâmica Define o equilíbrio térmico Todo corpo possui uma propriedade chamada temperatura Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico suas temperaturas são iguais e viceversa Escalas Kelvin Celsius e Fahrenheit A escala em Kelvin é também chamada de temperatura absoluta pois é tomada como base para a estimação da energia cinética média das moléculas da matéria O zero Kelvin ponto utópico é a temperatura onde toda as moléculas cessam sua agitação A escala Celsius que já foi chamada de centígrada tem por base o ponto de congelamento e de fervura da água sob pressão de uma atmosfera Sobre a escala Fahrenheit ler a wiki httpsptwikipediaorgwikiGrauFahrenheit Escalas Kelvin Celsius e Fahrenheit Os pontos de correspondência entre estas escalas são dadas na figura abaixo K ºC ºF Conversão de Temperaturas Para converter temperaturas é muito importante lembrar que é a DIFERENÇA DE TEMPERATURAS que é proporcional e não a temperatura em si Exemplo um intervalo de temperatura 100 ºC é equivalente a um intervalo de temperatura de 180 ºF e de 100 K Conversão de Temperaturas Método da proporcionalidade meiobaixocimabaixo Uma vez que é a diferença de temperatura que é proporcional podemos fazer sempre Exercício Exercício Qual é a única temperatura que possui a mesma leitura numérica na escala celsius e na escala fahrenheit Dilatação Térmica Dilatação Térmica A dilatação térmica é um fenômeno de aumento de dimensões causado pela variação de temperatura de um determinado corpo Os modelos de dilatação térmica são aplicados mais corretamente para líquidos e sólidos uma vez que gases apresentam uma geometria volumétrica mais complexa O estudo de dilatação é dividido em 3 partes Linear Superficial Volumétrico ΔL L L₀ ΔL L₀ α ΔT Aplicação em Engenharia da Dilatação Linear ΔA A A₀ Aplicação em Engenharia da Dilatação Superficial Dilatação Superficial Problema do orifício e do espaçamento entre placas Dilatação Superficial Problema do orifício e do espaçamento entre placas Dilatação Volumétrica Valores de base Exercício 15 Uma barra de aço tem 3000 cm de diâmetro a 2500C Um anel de latão tem um diâmetro interno de 2992 cm a 2500C Se os dois objetos são mantidos em equilíbrio térmico a que temperatura a barra se ajusta perfeitamente ao furo 17 Uma xícara de alumínio com um volume de 100 cm³ está cheia de glicerina a 22C Que volume de glicerina é derramado se a temperatura da glicerina e da xícara aumenta para 28C O coeficiente de dilatação volumétrica da glicerina é 51 10⁴C 1715 Um cilindro de cobre está inicialmente a 200 C Em que temperatura seu volume tornase 0150 maior do que a 200 C 1718 Um tanque de aço é completamente cheio com 190 m³ de etanol quando tanto o tanque quanto o etanol estão à temperatura de 320 C Quando o tanque e seu conteúdo tiverem esfriado até 180 C que volume adicional de etanol pode ser colocado 1775 Você está fazendo um molho pest o para seu macarrão e usa uma xícara cilíndrica de medição com 100 cm de altura feita de vidro comum β 27 10⁵ C¹ cheia de azeite de oliva β 68 10⁴ C¹ até uma altura 300 mm abaixo do topo da xícara Inicialmente a xícara e o azeite estão à temperatura ambiente 220 C Você recebe um telefonema e se esquece do azeite deixandoo sobre o fogão quente A xícara e o azeite se aquecem devagar e atingem uma temperatura comum Em que temperatura o azeite começará a transbordar da xícara Calorimetria Calorimetria Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Sensível variação de temperatura Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Sensível variação de temperatura Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Sensível variação de temperatura Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Sensível variação de temperatura Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Sensível variação de temperatura Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Latente troca de estado físico Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Latente troca de estado físico Absorção de calor por sólidos e líquidos Calor Latente troca de estado físico Equilíbrio Térmico Calorimétrico Potência Calorimétrica Exercícios Exercícios Exercícios Mecanismos de Transferência de Calor Mecanismos de Transferência de Calor A maneira como o calor flui entre diferentes corpos ocorre de três maneiras distintas chamadas de mecanismos Natural que mais de um mecanismo pode ocorrer ao mesmo tempo São eles Condução Mais geral entre sólidos e líquidos Transferência de energia de molécula para molécula Convecção Ocorre pela movimentação de massa por conta de diferentes temperaturas Ocorre somente em líquidos e gasosos Irradiação Troca de calor por meio da emissão e absorção de ondas eletromagnéticas Único mecanismo que não necessita de meio material para transferência de calor Condução Condução em placas compostas Exercício A Fig 1849 mostra uma parede feita de quatro camadas de condutividades térmicas k1 0060 Wm K k3 0040 Wm K e k4 012 Wm K k2 não é conhecida As espessuras das camadas são L1 15 cm L2 28 cm e L4 35 cm L2 não é conhecida As temperaturas conhecidas são T1 30C T2 25C e T4 10C A transferência de energia está no regime estacionário Qual é o valor da temperatura T34 AFASP Suponha que uma determinada quantidade de calor ΔQ flua em regime estacionário através de uma barra de uma superfície mantida a temperatura θ1 para a superfície oposta mantida à temperatura θ2 nas situações 1 e 2 abaixo ilustradas A mesma quantidade de calor ΔQ gasta tempos Δt1 e Δt2 para atravessar a barra nas situações 1 e 2 respectivamente A razão Δt2Δt1 vale A 4 B 12 C 2 D 14 Convecção O aquecimento causa expansão e consequentemente diminuição da densidade Por efeito de empuxo o menos denso sobe e o mais denso desce Todo corpo emite e absorve ondas eletromagnéticas Ondas EM chamadas de radiação térmica transferem calor Não confundir com outras tantas ondas EM rádio microondas luz visível radiação nuclear etc A taxa com a qual um objeto emite energia por radiação EM depende da área da superfície do objeto e da temperatura absoluta do mesmo conforme a lei Prad σ ε A T4 Onde σ 56704 108 Wm2 K4 é a constante de StefanBoltzmann ε emissividade 0 ε 1 Uma superfície com emissão máxima ε 1 é chamada de radiador de corpo negro não existe na natureza A taxa com a qual um objeto absorve radiação térmica do ambiente supostamente a uma temperatura constante de Tamb em Kelvins é dada por Pabs σ ε A Tamb4 sendo ε a mesma emissividade de Prad uma vez que a propriedade de emissividade também representada a absorvidade Logo ε 1 também representa uma superfície que absorve toda energia EM que recebe Em outras palavras ε 1 apresenta uma superfície que não reflete ondas EM apenas absorve Como um objeto emite e absorve energia para e do ambiente a taxa de transferência líquida de energia é dada pela diferença entre Pabs e Prad uma vez que Pabs 0 pois é endotérmica e Prad 0 pois é exotérmica Pliq Pabs Prad σ ε A Tamb4 T4 Uma esfera com 0500 m de raio cuja emissividade é 0850 está a 270C em um local onde a temperatura ambiente é 770C A que taxa a esfera a emite e b absorve radiação térmica c Qual é a taxa de troca de energia da esfera Durante um passeio na floresta você resolve fabricar gelo para o seu refrigerante Infelizmente a temperatura mínima do ar à noite é de 5ºC que é uma temperatura acima do ponto de congelamento da água Entretanto como o céu de uma noite sem lua e sem nuvens se comporta como um radiador de corpo negro corpo idealizado que somente absorve energia e não emite à 23 ºC negativos talvez você possa fabricar gelo permitindo que uma camada fina de água irradie energia para o céu Para começar você isola termicamente um recipiente do chão colocando sob o recipiente uma camada de espuma de borracha Em seguida você despeja água no recipiente formando uma camada fina e uniforme de massa m 35 g e A 80 cm² profundidade d 50 mm e emissividade ε 085 e temperatura inicial igual a 5ºC Determine o tempo necessário para a água congelar por radiação TK TC 273