DISCIPLINA AMB30093
TERMODINÂMICA - Aula 3
17/10/2013
Prof. Robson Alves de Oliveira
[email protected]
[email protected]
Ji-Paraná - 2013
AMB30093 – TERMODINÂMICA
Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
Porque a água atinge o seu ponto máximo em 3,98o?
Porque quando congelamos a água, quando ela volta
ao seu estado líquido ela não cabe no mesmo
recipiente?
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A massa específica da água líquida aumenta com a
redução da temperatura.
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
Quanto maior a temperatura da água líquida, maior o
movimento cinético das moléculas, e mais intensa a
agitação entre as moléculas.
Isso ocasiona a cisão das ligações de hidrogênio e o
afastamento das moléculas com o consequente
aumento de volume.
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
A massa específica do gelo também aumenta com a
redução da temperatura.
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
Por que o gelo flutua na água líquida?
A massa específica do gelo é de ≈ 0,9178 g/cm³ (-1oC).
O gelo é menos denso do que a água líquida porque as
ligações de hidrogênio nas moléculas do gelo são mais
espaçadas e organizadas, formando uma estrutura rígida
de forma hexagonal.
Isso faz com que as moléculas ocupem um espaço maior
do que ocupariam se estivessem no estado líquido.
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A medida que o gelo funde, há o “desmoronamento”
parcial” de sua estrutura, e em consequência há um
aumento da massa específica (as moléculas antes
mais afastadas se aproximam mais umas das outras),
e o espaço entre elas torna-se menor.
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Num primeiro momento, poderíamos pensar
(erroneamente) que a água atingiria sua massa
específica máxima a zero graus (fusão do gelo).
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Entretanto, a 3,98 °C a água atinge sua massa
específica máxima. Para valores menores ou maiores
o volume da água aumenta, e sua massa especifica
decresce.
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
Porque a água atinge o seu ponto máximo em 3,98o?
“... o gelo funde, há o “desmoronamento” parcial de
sua estrutura...”
Esse efeito continua acima da temperatura de 0oC.
Ou seja, mesmo na fase líquida, a água ainda
apresenta resquícios de sua formação cristalina com
espaços vazios.
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Á medida que a temperatura da água vai
aumentando, a destruição da estrutura molecular se
acentua, os espaços intermoleculares tornam-se cada
vez menores, e consequentemente a massa específica
continua aumentantando.
Esse efeito permanece até a temperatura de 3,98 oC,
na qual a água tem sua maior massa específica
(volume mínimo).
Mas por que isso ocorre?
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Isso é uma conseqüência direta do tipo de ligação que
forma a molécula de água (ligações de hidrogênio).
É apenas em temperaturas acima de 3,98oC (e não 0oC)
que o efeito do movimento cinético das moléculas
começa a prevalecer, enquanto que abaixo desta
temperatura o efeito de destruição da estrutura é o
mais importante.
Isso explica porque a água congela primeiro na
superfície dos lagos no inverno: quando a água atinge
a temperatura de 0 °C se torna menos densa que a água
a 3,98 °C, ficando consequentemente na superfície.
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
Isso é faz com que a água a 3,98 °C fique no fundo e
mantenha mais aquecidas as criaturas que ali vivem.
Porque quando congelamos a água, quando ela volta ao seu
estado líquido ela não cabe no mesmo recipiente?
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
EXERCÍCIOS
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA
Exemplo 2.4 – O recipiente mostrado na figura, com um
volume interno de 1m3, contém 0,12 m3 de granito
(ρgranito =2750 kg/m3), 0,15 m3 de areia (ρareia = 1500
kg/m3) e 0,2 m3 de água líquida a 25oC (ρágua = 997
kg/m3). O volume interno do recipiente é ocupado por
ar que apresenta massa específica = 1,15 kg/m3.
Determine o volume específico médio da mistura
contida no recipiente. Comente o resultado?
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA
Exemplo 2.5 – No Mar morto as pessoas flutuam mais
facilmente que em um lago comum. Porque isso ocorre?
Resposta: A massa específica da água depende da
quantidade de sais dissolvidos e da temperatura (massa
específica da água salgada e maior que a água doce).
O Mar Morto contém a água mais salgada do mundo, é
por isso que se chama mar morto, pois nenhum peixe ou
vegetação sobrevive nele. São cerca de 300 g/L (a
quantidade normal para os oceanos é de
aproximadamente 35 g/L).
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VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA
Exemplo 2.5 – No Mar morto as pessoas flutuam mais
facilmente que em um lago comum. Porque isso ocorre?
Resposta: Não é o material “mais pesado“, ou seja, o que
apresenta a maior massa que afunda, e sim o material de
maior massa específica.
Exemplo: o isopor apresenta uma massa específica de 0,1
g/cm3 (10 vezes menor que a água), assim, 10 kg de
isopor não afundariam numa piscina. Mas poucos gramas
de chumbo (massa específica 11,3 g/cm3) afundariam.
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VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA
Exemplo 2.8 – Um tanque apresenta duas partições
separadas por uma membrana. A partição A contém 1 kg
de ar e apresenta volume igual a 0,50 m3. O volume da
partição B é de 0,75 m3 e esta contém ar com massa
específica igual a 0,80 kg/m3. A membrana é rompida e
o ar atinge um estado uniforme. Determine a massa
específica do ar no final do processo.
Exemplo 2.9 – Um cilíndro de aço, com massa igual a
2Kg, contém 4 litros de água líquida a 25o C e 200 kpa.
Determine a massa total e o volume do sistema,
sabendo que ρaço = 7820 kg/m3.
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VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA
Exemplo 2.10 – A massa específica da água líquida
pode ser aproximada por ρ = 1008-T/2 (kg/m3) em
que T é a temperatura em oC.
Determine o crescimento de uma lâmina d’água, que
originalmente apresenta espessura igual a 1 m, se a
temperatura da água aumentar 10o C.
Adote que o aumento da massa específica para um
aumento de temperatura é dado por Δρ = - ΔT/2
(Kg/m3).
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
PRESSÃO
Exemplo 2.13 – A figura abaixo mostra um conjunto
cilindro-pistão utilizado num sistema hidráulico. O
diâmetro do cilindro (D) é igual a 0,10 m e a massa do
conjunto pistão-haste é de 25 kg. O diâmetro da haste é
0,01 m e a pressão atmosférica (p0) é 101 kPa. Sabendo
que o conjunto cilindro-pistão está em equilíbrio e que a
pressão do fluido hidráulico é de 250 kPa, determine o
módulo da força que é exercida, na direção vertical e no
sentido descendente, sobre a haste.
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PRESSÃO
Exemplo 2.14 – Um manômetro de mercúrio é utilizado
para medir a pressão no recipiente mostrado abaixo. O
mercúrio apresenta massa específica igual a 13590
kg/m3. A diferença entre as alturas das colunas foi
medida e é igual a 0,24m. Determine a pressão absoluta
no recipiente (admita que a pressão atmosférica é igual
a 750 mm Hg).
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PRESSÃO
Exemplo 2.15 – O fluido contido no manômetro
mostrado na figura abaixo tem uma densidade relativa
de 0,85 e a altura da coluna do manômetro é de 55 cm.
Se a pressão atmosférica local é de 96 kPa, determine a
pressão absoluta dentro do recipiente (admita que a
massa específica da água é igual a 1000 kg/m3).
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Aula 3 - Conceitos e definições - Parte III
PRESSÃO
Exemplo 2.16 – A água num recipiente é pressurizada com ar,
sendo a pressão medida por meio de um manômetro de vários
fluidos. O recipiente esta localizado numa montanha de 1400 m,
onde a pressão atmosférica é 85,6 kPa. Determine a pressão
absoluta do ar no recipiente se h1 = 0,1 m; h2 = 0,2 m e h3 =
0,35m. Sendo as massas específicas da água (ρwater = 1000
kg/m3); óleo (ρoil 850 kg/m3) e mercúrio (ρmercury = 13600 kg/m3).
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PRESSÃO
Exemplo 2.17 – O tanque esférico mostrado na figura abaixo
apresenta diâmetro igual a 7,5 m e é utilizado para
armazenar fluidos. Determine a pressão no fundo tanque
considerando que o tanque contém gasolina a 25o C e a
pressão na superfície livre do líquido é 101 kPa (ρgasolina =
750 kg/m3).
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PRESSÃO
Exemplo 2.18 – A metade inferior de um reservatório
cilíndrico de 10 m de altura contém água (ρ = 1000
kg/m3), e a metade superior está cheia de óleo, que
tem uma densidade relativa de 0,85. Determine a
diferença de pressão entre a parte superior e a parte
inferior do cilindro.
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Exemplo 2.19 – Uma coluna de mercúrio é usada
para medir uma diferença de pressão de 100 kPa
num aparelho colocado ao ar livre. Nesse local, a
temperatura mínima no inverno é - 15 oC e a máxima
no verão é 35 oC. Qual é a diferença entre a altura da
coluna de mercúrio no verão e àquela referente ao
inverno, quando estiver sendo medida a diferença de
pressão indicada. Admita aceleração da gravidade
“normal” e que a massa específica do mercúrio varia
com a temperatura de acordo com (T em oC):
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Aula 3 - Conceitos e definições - Exercícios
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Exemplo 2.20 – Os termômetros de mercúrio
indicam a temperatura pela medida da expansão
volumétrica de uma massa fixa de mercúrio líquido.
A expansão volumétrica é devida a variação da
massa específica do mercúrio com a temperatura.
Determine a variação percentual do volume ocupado
pelo mercúrio quando a temperatura varia de 10 oC
para 20 oC. Admita aceleração da gravidade “normal”
e que a massa específica do mercúrio varia com a
temperatura de acordo com (T em oC):
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Na próxima aula:
Propriedades de uma
substância pura