019-temperatura, primeira lei da termodinamica

019-temperatura, primeira lei da termodinamica

(Parte 1 de 9)

Versão preliminar 16 de fevereiro de 2004

19. TEMPERATURA, CALOR E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA2
TEMPERATURA2
EQUILÍBRIO TÉRMICO2
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA2
MEDINDO A TEMPERATURA2
A escala Celsius3
A escala Fahrenheit4
Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit4
A escala Kelvin4
DILATAÇÃO TÉRMICA5
CALOR6
UM OLHAR MAIS DE PERTO NO CALOR E TRABALHO7
A ABSORÇÃO DE CALOR8
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA9
ALGUNS CASOS ESPECÍFICOS DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA9
Processos adiabáticos9
Processos a volume constante10
Processos cíclicos10
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR10
Condução1
Radiação13
SOLUÇÃO DE ALGUNS PROBLEMAS14
0314
0515
0716
0916
1617
1817
2118
219
2320
2521
“32”21
“3”2
3523
4324
4624
4925
5026
5327
5728
6028
6129

Prof. Romero Tavares da Silva

Cap 19 w.fisica.ufpb.br/~romero 2

19. Temperatura, Calor e Primeira Lei da Termodinâmica

Temperatura

O tato constitui uma das maneiras mais simples de fazer uma distinção entre corpos quentes e frios. Mas essa maneira de avaliação é bastante imprecisa, e além do mais poderá causar dificuldades se as temperaturas dos corpos estiverem muito próximas. Se construirmos uma experiência com três recipientes contendo água, onde um deles está a temperatura ambiente, o segundo a uma temperatura acima da ambiente e o terceiro a uma temperatura abaixo da ambiente. Vamos mergulhar uma das mãos no recipiente com água a uma temperatura acima da ambiente e a outra mão no recipiente com água a uma temperatura abaixo da ambiente, e permanecer pouco mais de um minuto nessa situação. Ao mergulhar as duas mãos no recipiente a temperatura ambiente iremos ter a sensação estranha onde uma mão manda a informação que a água está numa certa temperatura enquanto a outra mão manda uma informação de uma temperatura diferente. A mão que estava no recipiente com água mais fria sente a água mais quente, e a mão que estava no recipiente com água mais quente sente a água mais fria.

Felizmente existem substâncias que nos dão uma medida da temperatura de outros corpos e a relação entre elas. São chamadas de substâncias termométricas.

A temperatura é uma medida da agitação das partículas que compões um certo material. Se considerarmos as moléculas um gás, quanto maior a sua temperatura mais energia cinética terão essas moléculas.

Equilíbrio térmico

Dois corpos em contato físico, estão em equilíbrio térmico quando param de trocar energia, quando o fluxo líquido de energia entre eles é nulo. Quando isso acontece, a temperatura dos dois corpos é a mesma.

Lei Zero da Termodinâmica

Se dois corpos A e B estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C (o termômetro) , eles também estarão em equilíbrio térmico entre si.

Medindo a Temperatura

Existem várias grandezas que variam as suas características quando varia a nossa percepção fisiológica de temperatura. Entre essas grandezas estão: - o volume de um líquido,

- o comprimento de uma barra

- a resistência elétrica de um material

- o volume de um gás mantido a pressão constante

Qualquer dessas pode ser usada para construir um termômetro, isto é: estabelecer uma determinada escala termométrica. Uma tal escala termométrica é estabelecida pela escolha de uma determinada substância termométrica e também uma propriedade termométrica desta substância.

Prof. Romero Tavares da Silva

Cap 19 w.fisica.ufpb.br/~romero 3

Deve-se entender que a cada escolha de uma substância, da sua respectiva propriedade termométrica, e da relação admitida entre essa propriedade e a temperatura, conduz a uma escala termométrica específica. As medidas obtidas nesta escala não devem coincidir necessariamente com as medidas realizadas em outra escala termométrica definida de forma independente. Justamente por essa liberdade na construção de uma escala termométrica, historicamente apareceram diversas escalas com leituras completamente diferentes de temperaturas.

Esse caos foi removido utilizando como padrão uma dada substância termométrica, e a dependência funcional entre a propriedade termométrica dessa substância e a temperatura T . Como exemplo, consideremos que exista uma relação linear entre uma propriedade termométrica X e a temperatura, de modo que:

T(X) = a X + b onde X é o comprimento da uma coluna de mercúrio em um termômetro e a e b são constantes a serem determindas. X

Analisando essa relação para duas temperaturas diferentes T1 e T2 , encontramos que:

X XTXXTXb baXXT baXXT usando os valores das constantes, temos que:

ou ainda:

1 XT X XXXT e finalmente

1 XTXT X

A escala Celsius

Para calibrar este termômetro na escala Celsius vamos considerar que as tempe- raturas T(X1)=00C e T(X2)=1000C são respectivamente o ponto de vapor e o ponto do gelo, e que X1 e X2 são os respectivos comprimentos da coluna de mercúrio. Desse modo, encontramos que:

XTC 0

Prof. Romero Tavares da Silva

Cap 19 w.fisica.ufpb.br/~romero 4

Isso equivale a dividir a escala entre X0 e X100 em cem partes iguais, cada subdivisão correspondendo a 10C , ou seja equivale a dizer que a dilatação da coluna de mercúrio é linear com T(X).

A escala Fahrenheit

A escala Fahrenheit é usada nos Estados Unidos e Inglaterra. Para calibrar este termômetro na escala Celsius vamos considerar que as temperaturas T(X1)=320C e

T(X2)=2120C são respectivamente o ponto de vapor e o ponto do gelo, e que X1 e X2 são os respectivos comprimentos da coluna de mercúrio. Desse modo, encontramos que:

FXTF 0

Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit

Se considerarmos dois termômetros de mesmo formato, feitos do mesmo material e calibrados nestas escalas, podemos dizer que quando estiverem medindo a mesma situação, a coluna terá um tamanho X , e portanto:

GeloVapor

GeloCF ou ainda:

A escala Kelvin

Se considerarmos o comportamento de um gás de N moléculas, constata-se experimentalmente que para uma dada temperatura:

constN pV = onde p é a pressão do gás e V é o volume ocupado por ele. Esta é a equação dos gases ideais é comprova-se que ela é válida sempre que a densidade N/V for pequena. A escala de temperaturas Kelvin é definida de modo que a relação entre a constante e a temperatura seja de proporcionalidade. Em outras palavras, a escala Kelvin é tal que:

TkNpV B= onde kB é a constante de Boltzmann. Usando o raciocínio anterior, relembramos que a substância termométrica nesse caso é um gás e a propriedade termométrica é a pressão desse gás a volume constante. Temos então que:

Prof. Romero Tavares da Silva

Cap 19 w.fisica.ufpb.br/~romero 5

Considerando o ponto triplo da água, escolhemos a temperatura de calibração na escala Kelvin.

Uma vez calibrada a escala obtemos o valor de kB = 1,38x10-23J/K . A correspondência entre as escalas Celsius e Kelvin é tal que:

(Parte 1 de 9)

Comentários