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Temperatura, Equilíbrio Térmico e Escalas Termométricas

1. LICENCIATURA EM FÍSICA Temperatura, Equilíbrio Térmico e Escalas termométricas; Prof. Ana Cristina de Sousa TERMODINÂMICA 1

2. INTRODUÇÃO Iniciaremos o estudo da Física Térmica, o ramo da Física que trata das mudanças nas propriedades de sistemas que ocorrem quando é realizado trabalho sobre (ou por) eles e energia térmica é adicionada (ou retirada) deles. Para sistemas como gases confinados as propriedades são pressão , volume , temperatura , energia e entropia . 2

3. 1. TEMPERATURA E EQUILÍBRIO TÉRMICO Antes de se tratar diretamente com a temperatura, primeiro é necessário estabelecer o conceito de equilíbrio térmico , que diz respeito à questão das temperaturas de dois corpos serem iguais ou não. Considere dois sistemas A e B isolados um do outro e das suas vizinhanças por paredes adiabáticas . 3

4. Substituindo a parede adiabática que separa os dois sistemas por uma que permita o fluxo de energia na forma de calor (uma parede diatérmica ), fazendo com que as propriedades dos dois sistemas variem. As variações são relativamente rápidas no início, mas tornam-se lentas à medida que o tempo corre, até finalmente todas as propriedades de cada sistema aproximam-se de valores constantes. Quando isso ocorre, diz-se que os sistemas estão em Equilíbrio Térmico um com o outro. 4

5. Assim, um teste para verificar se dois sistemas estão ou não em equilíbrio térmico é colocá-los em contato térmico. Se as suas propriedades não variarem, eles estarão em equilíbrio térmico; se as suas propriedades variarem, eles não estarão. Pode ser inconveniente, ou mesmo impossível, colocar dois sistemas em contato térmico entre si através de uma parede diatérmica . Portanto o conceito de equilíbrio térmico é generalizado, de modo que não é necessário colocar os dois sistemas em contato térmico um com o outro. Uma forma para testar esses sistemas separados é utilizar um terceiro sistema C . Colocando C em contato com A e então com B pode-se descobrir se A e B estão em equilíbrio térmico mesmo sem colocar A em contato direto com B. 5

6. Isto é resumido com um postulado chamado de a lei zero da termodinâmica : Se cada um dos dois sistemas A e B está em equilíbrio térmico com um terceiro sistema C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si. A lei zero surgiu na década de 1930, muito tempo depois da primeira e segunda lei da termodinâmica terem sido propostas e aceitas. Uma vez que a lei que estabelece um conceito de temperatura deve ter um número menor, ela é chamada de lei zero. 6

7. 1.1 Temperatura Quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico diz-se que eles estão à mesma temperatura. Suponha dois gases, por exemplo, que tenham incialmente diferentes temperaturas, pressão e volume. Após atingirem o equilíbrio térmico, as demais variáveis podem ser diferentes, mas as temperaturas serão iguais. 7

8. A noção subjetiva de temperatura não é confiável. Suponha, por exemplo, que em um dia frio você toque uma grade de metal que esteja ao ar livre e, em seguida, toque um objeto de madeira próximo. Sua sensação será de que a grade está mais fria do que a madeira, porém ambos estão à mesma temperatura. A declaração da lei zero em termos de temperatura é a seguinte: Existe uma grandeza escalar chamada de temperatura, que é uma propriedade de todos os sistemas termodinâmicos em equilíbrio. Dois sistemas estão em equilíbrio térmico se e somente se as suas temperaturas são iguais. 8

9. Responder: Livro: Física 2, capítulo 21. Múltipla escolha: 1, 2. 3,4. Questões*: 01 a 08. 9

10. 1.2 Escalas Termométricas A Temperatura (T) é uma das sete grandezas fundamentais do SI. A escala que é universalmente adotada em Física é a escala kelvin (K) . Ela é baseada no reconhecimento de que existe um limite inferior para a temperatura de um corpo, que é o 0K (zero absoluto). Para criar uma escala de temperatura, escolhemos um fenômeno térmico reprodutível e, arbitrariamente, atribuímos a ele uma temperatura . Por questões técnicas optou-se, por acordo internacional que: e que:   10

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12. As Escalas Celsius e Fahrenheit Celsius Antigamente chamada de escala centígrada; Utilizada em quase todos os países do mundo; Originalmente baseada em dois pontos de calibração: Congelamento normal da água (0ºC) Ebulição normal da água (100ºC) Hoje em dia define-se uma em termos da correspondente, através da equação:   12

13. Fahrenheit Também foi originalmente baseada em dois pontos fixos de calibração: Congelamento normal da água (32ºF) Ebulição normal da água (212ºF) A relação entre e é dada por: ou   13

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16. Exercícios 1. A figura mostra três escalas de temperatura lineares, com os pontos de congelamento e ebulição da água indicados. Ordene as três escalas de acordo com o tamanho do grau de cada uma, em ordem decrescente. 16

17. 2 . (a) Em 1964, a temperatura na aldeia de Oymyakon , na Sibéria, chegou a –71°C. Qual é o valor dessa temperatura em graus Fahrenheit? (b) A temperatura mais alta registrada oficialmente nos Estados Unidos foi 1348ºF , no Vale da Morte, Califórnia. Qual é o valor dessa temperatura em graus Celsius? 3. Para qual temperatura o valor em graus Fahrenheit é igual (a) a duas vezes o valor em graus Celsius e (b) a metade do valor em graus Celsius? 4. Em uma escala linear de temperatura X, a água congela a –125,0°X e evapora a 375,0°X. Em uma escala linear de temperatura Y, a água congela a –70,00°Y e evapora a 230,00°Y. Uma temperatura de 50,00°Y corresponde a que temperatura na escala X? 17

18. 5. Em uma escala linear de temperatura X, a água evapora a –53,5°X e congela a –170°X. Quanto vale a temperatura de 340 K na escala X? (Aproxime o ponto de ebulição da água para 373 K.) 18

19. 1.3 Dilatação Térmica 19

20. A dilatação térmica dos materiais com o aumento de temperatura deve ser levado em conta em muitas situações da vida prática: Construção de pontes que se sujeitem a grandes variações de temperatura; Material usado nas obturações dentárias; Dispositivos de fixação na construção de aviões; Além disso as propriedades de dilatação térmica de alguns materiais podem ter aplicações práticas, como nos termômetros e termostatos. 20

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22. Pode-se entender a dilatação considerando-se um modelo simples da estrutura de um sólido cristalino. Os átomos são mantidos juntos em um arranjo regular através de forças elétricas semelhantes às que seriam exercidas por um conjunto de molas conectando os átomos. 22

23. Essas “molas” são bastante rígidas e de modo algum são ideais, e em cada centímetro cúbico existem cerca de delas. Para uma temperatura qualquer os átomos do sólido estão vibrando. A amplitude de vibração é de aproximadamente cm, e a frequência é aproximadamente Hz. Quando a temperatura é elevada, os átomos vibram com uma amplitude maior, e as distâncias médias entre os átomos aumentam. Isso leva à dilatação do corpo. A variação em qualquer dimensão do sólido é chamada de dilatação linear . Para uma dimensão linear , observa-se de resultados experimentais que, se é suficientemente pequeno, é proporcional a e a :   23

24. Onde α possui diferentes valores para diferentes materiais:   24

25. Problema resolvido 21-2 Uma régua métrica de aço está para ter a sua marcação gravada e deseja-se que os intervalos de milímetro apresentem uma exatidão de mm a uma determinada temperatura. Qual a variação máxima de temperatura que pode ocorrer durante a gravação? Como poderíamos manter a precisão da régua para maiores variações de temperatura?   25

26. Para muitos sólidos, chamados isotrópicos , a variação percentual no comprimento para uma mesma temperatura é a mesma para todas as direções. A dilatação de um sólido é como uma ampliação fotográfica, exceto pelo fato de que ocorre em três dimensões. Veja que a equação se aplica a todas as dimensões lineares da régua (arestas, espessuras, diagonais e o diâmetro da circunferência do furo).   26

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28. Com essas ideias consegue-se mostrar que a variação fracionária da área por grau de variação de temperatura para um sólido isotrópico é : e a variação francionária do volume por grau de variação de temperatura para um sólido isotrópico é :   28

29. 6. A figura mostra quatro placas metálicas retangulares cujos lados têm comprimento L, 2L ou 3L. São todas feitas do mesmo material, e a temperatura aumenta do mesmo valor nas quatro placas. Ordene as placas de acordo com o aumento (a) da dimensão vertical e (b) da área, em ordem decrescente. 29

30. 7. Uma grande placa de metal com furo está a uma temperatura . O metal é aquecido até uma nova temperatura . Após aquecer, a área do furo irá: aumentar. diminuir. permanecer com o mesmo tamanho. possivelmente o seu tamanho varia, dependendo da forma do furo. 8. Uma lâmina de cobre é rebitada a uma lâmina de alumínio. Os dois metais são, então, aquecidos. O que acontece? A lâmina dilata sem encurvar. A lâmina dilata e encurva para o lado do cobre. A lâmina dilata e encurva para o lado do alumínio.   30

31. 9. Um furo circular em uma placa de alumínio tem 2,725 cm de diâmetro a 0,000°C. Qual é o diâmetro do furo quando a temperatura da placa é aumentada para 100,0°C? 10. A 20°C, um cubo de latão tem 30 cm de aresta. Qual é o aumento da área superficial do cubo quando é aquecido de 20°C para 75°C? 11. Qual é o volume de uma bola de chumbo a 30,00°C se o volume da bola é 50,00 a 60,00°C? 12. Uma barra de aço tem 3,000 cm de diâmetro a 25,00°C. Um anel de latão tem um diâmetro interno de 2,992 cm a 25,00°C. Se os dois objetos são mantidos em equilíbrio térmico, a que temperatura a barra se ajusta perfeitamente ao furo?   31

32. 1.4 Capacidade Térmica 32

33. 33 Obrigada.