Universidade Federal RuralUniversidade Federal Ruraldo Semi-Árido - UFERSA

Temperatura e Calorp

Subênia Karine de MedeirosSubênia Karine de Medeiros

Mossoró, Outubro de 2009

Definição:A Termodinâmica explica as principais propriedadesd té i l ã t t i d d

Definição:

da matéria e a correlação entre estas propriedades ea mecânica dos átomos e moléculas

Temperatura é a sensação física que nos produz umcorpo quando entramos em contato com ele. Podep qser entendida como a medida do grau de quentura oufrialdade de um corpo, ou seja, é uma medida da

i i éti l l édi denergia cinética molecular média de um corpo.

Calor é a energia que flui entre um sistema e suaCalor é a energia que flui entre um sistema e suavizinhança em virtude de uma diferença detemperatura entre eles.p

A termodinâmica trata das transformações da matéria nosseus quatro estados

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Equilíbrio Térmicoq

Equilíbrio Térmico: Estado do sistema ondenenhuma das variáveis macroscópicas (pressão,(volume, temperatura) muda com o tempo.

* P d Adi báti Di té i* Paredes Adiabáticas e Diatérmicas

Termômetros e a Escala CelsiusOs termômetros são dispositivos utilizados para medir a temperatura de um corpoou de um sistema com o qual o termômetro está em equilíbrio térmicoou de um sistema com o qual o termômetro está em equilíbrio térmico.Algumas das propriedades físicas que mudam com a temperatura e que sãousadas nos termómetros:

O l d lí id ( )• O volume de um líquido (a)• O comprimento de um sólido• A pressão de um gás mantido a volume constante• O volume de um gás mantido a pressão constanteO volume de um gás mantido a pressão constante• A resistência eléctrica de um condutor• A cor de um corpo quente

Escala Celsius de TemperaturaEscala Celsius de TemperaturaAs extremidades da coluna do líquido notermômetro foram marcadas em dois pontos:

• Ponto de fusão do gelo 0 °C• Ponto de fusão do gelo - 0 C

• Ponto de ebulição da água - 100 °C

A distância entre as marcas é dividida em 100

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A distância entre as marcas é dividida em 100seguimentos iguais, cada um denotando umavariação na temperatura de um grau Celsius.

O Termómetro de Gás a Volume Constantee a Escala Kelvine a Escala Kelvin

O Termômetro de Gás

O comportamento observado nessedispositivo é a variação da pressão com a

d l fi d átemperatura de um volume fixo de gás.

Foi calibrado utilizando-se os pontos defusão do gelo e de ebulição da águafusão do gelo e de ebulição da água.

O reservatório B de mercúrio é levantado ouabaixado até que o volume do gásq gconfinado esteja em algum valor, indicadopelo ponto zero da régua

A lt h ( dif t í i dA altura h (a diferença entre os níveis doreservatório e da coluna A) indica apressão no frasco, de acordo com aequação:

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equação:ghPP ρ+= 0

Curva de calibração

Se quisermos medir a temperatura de uma substância, colocamos o frasco deá t t té i b tâ i j t l d ú i tégás em contacto térmico com a substância e ajustamos a coluna de mercúrio até

que o nível na coluna A retorne a zero

A altura da coluna nos informa a pressão do gás e podemos, então, encontrar a

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A altura da coluna nos informa a pressão do gás e podemos, então, encontrar atemperatura da substância a partir da curva de calibração.

Experimentos mostram que as leituras do termómetro são quase independentes dotipo de gás utilizado - para pressão do gás seja baixa e a temperatura bem acima do

t l á li fponto no qual o gás se liquefaz

A Figura mostra a curva de calibração para três gases diferentes

Observamos que se estendermos asrectas rumo às temperaturas negativasrectas rumo às temperaturas negativas,para P=0, a temperatura é de –273.15°C para as três rectas

Isso sugere que essa temperatura emparticular tem importância universal poisnão depende da substância usada no

ó

Tal temperatura deve representar um limite inferior para os processos físicos porque

termómetro

p p p p p qa pressão mais baixa possível é P=0 (seria um vácuo perfeito)

Definimos a temperatura de –273 15 °C como sendo o zero absoluto

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Definimos a temperatura de 273.15 C como sendo o zero absoluto

Escala Kelvin de TemperaturapA 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

TT Δ=Δ TC é a temperatura na escala CelsiusTTC Δ=Δ

C ã t l

T é a temperatura na escala Kelvin (temperatura absoluta )

Conversão entre as na escalatemperaturas Kelvin e Celsius

15273−= TT 15.273= TTC

O primeiro ponto é o zero absoluto(T=0K) e o segundo ponto é o ponto( ) g p ptriplo da água, 0,01 ºC, ou 273.16K.

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Escala FahrenheitA escala de temperatura mais comum no uso diário nos Estados Unidos é a escalaFahrenheitFahrenheit

• Ponto de fusão em 32 °F

P d 212 F• Ponto de vapor em 212 °F

Relação entre as escala Celsius eFahrenheitFahrenheit

3259

+= CF TT °F 5

O tamanho de um grau na escalaCelsius é diferente ao tamanho de

TT ΔΔ9

um grau na escala Fahrenheit

10CF TT Δ=Δ

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Considere dois corpos A e B que nãoestão em contato térmico e um terceiroestão em contato térmico e um terceirocorpo C que será o nosso termômetro

Se as duas leituras forem as mesmas,então A e B estão em equilíbrio térmicoum com o outro

Se forem colocados em contato térmicoum com o outro, como na Figura (c), nãohá nenhuma transferência de energiahá nenhuma transferência de energiaentre eles

O Princípio Zero da termodinâmica (a lei do equilíbrio)p ( q )

Se os corpos A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceirocorpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre sip , q

A temperatura é a propriedade que determina se um corpo está em equilíbriotérmico com outros corpos

11Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão na mesma temperatura

Transformações Termodinâmicas

Para um sistema que interage com o meio exterior

ç

ocorrendo variações nas suas condições iniciais,dizemos que houve transformação termodinâmica.

Quando tais variações são muito lentas, onde emqualquer momento o sistema parece estar emqualquer momento o sistema parece estar emequilíbrio, dizemos que esta transformação foi quasi-estática.

Quando a variação é traçada no tempo, dizemos queela é reversível Uma transformação reversível éela é reversível. Uma transformação reversível ésempre quase-estática, mas a afirmação contrária nãoé válida.é válida.

Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos

No termômetro de líquido vimos que quando atemperatura aumenta, o volume aumenta.

Esse fenómeno é conhecido como expansão térmica

Juntas de expansão térmica devem ser incluídas emedifícios, estradas, trilhos de estrada de ferro e pontespara compensar a mudanças nas dimensões queocorrem com as variações da temperatura

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A expansão térmica global de um corpo é uma consequência damudança na separação média entre seus átomos ou moléculasç p çconstituintes

Um corpo tem um comprimento inicial iLUm corpo tem um comprimento inicial iLPara uma variação de na temperatura o comprimento aumenta LΔTΔ

Li , Ti

Lf , Tf

TLL iΔ=Δ αPara pequeno TΔ ou ( )ifiif TTLLL −=− α

α é chamado de coeficiente médio de expansão linear para um determinado

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α é chamado de coeficiente médio de expansão linear para um determinadomaterial e tem unidades 1o C−

A Tabela mostra o coeficiente médio de expansão linear de vários materiais

Coeficiente de expansão linear

Para esses materiais, α é positivo, indicando um acréscimo no comprimento com oaumento da temperatura

substância Coeficiente de expansão linear (α) em ºC-1

aço 1,1 x 10-5

alumínio 2 4 x 10 5alumínio 2,4 x 10-5

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 10-5ouro 1,4 x 10 5

prata 1,9 x 10-5

vidro comum 0,9 x 10-5

15vidro pirex 0,3 x 10-5

zinco 6,4 x 10-5

Da mesma forma que as dimensões lineares de um corpo variam com atemperatura, o volume e a área da superfície também variam com at ttemperatura

( ) TVVTLLTLLV Δ+=Δ+=Δ+= ααα 33 333

Volume

( ) TVVTLLTLLV iiiiiif Δ+=Δ+=Δ+= ααα 33

TVVVV iif Δ=−=Δ β

Área

β = 3αCoeficiente médio de expansão do volume

TAAAA iif Δ=−=Δ γ

γ = 2αCoeficiente médio de expansão da área

substância Coeficiente de dilatação volumétrica (γ) em ºC-1

A Tabela mostra o coeficiente médio de expansão volúmica de várias substâncias

volumétrica (γ) em C 1

álcool 100 x 10-5

gases 3,66 x 10-3

16gasolina 11 x 10-4

mercúrio 18,2 x 10-5

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 a água exibe a expansão prevista com o aumento daAcima de 4 C, a água exibe a expansão prevista com o aumento datemperatura

A densidade de água alcança umvalor máximo de 1000 kg/m3 a 4 °Cvalor máximo de 1000 kg/m3 a 4 °C

• Quando a temperatura atmosféricaestá entre 4 °C e 0 °C, a água dasuperfície de um lago se expandeenquanto arrefece, tornando-se menosdensa que a água abaixo dela.

A ág a da s perfície congela o gelo• A água da superfície congela, o gelopermanece na superfície porque émenos denso do que a água. O gelocontinua a se formar na superfície,p ,enquanto a água mais próxima dofundo da lagoa permanece a 4 °C

S i ã t i t f d id i h ã17

Se isso não acontecesse, os peixes e outras formas de vida marinha nãosobreviveriam no Inverno