Temperatura e Calor
Temperatura
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O conceito de temperatura está intuitivamente ligado a ideia de “quente” e “frio”.
Para se medir a temperatura, é necessário uma escala.
Para determinar a temperatura de um objeto, usa-se o termômetro. A leitura deve ser
feita quanto o sistema atinge o equilíbrio térmico.
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A lei Zero da Termodinâmica
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Considere três sistemas, A, B e C, que inicialmente não estão em equilíbrio térmico.
A e B são colocados em contato com C, mas permanecem isolados entre si.
Experimentos mostram que, quando A e B são colocados em contato, não há nenhuma
mudança no estado de A ou de B.
Lei Zero da Termodinâmica
Se dois corpos A e B estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então, estão
em equilíbrio térmico um com o outro.
Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são iguais.
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Escalas de Temperatura
TF =
9
T C + 32 0
5
T K = T C + 273.15
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A Escala Kelvin
Geralmente, a definição de uma escala de temperatura depende das propriedades do
material utilizado.
➢ O termômetro mais próximo do ideal é o termômetro de gás. O princípio utilizado é de que
a pressão de um gás a volume constante aumenta com a temperatura.
➢ O termômetro foi calibrado usando os pontos de fusão e ebulição da água, para diferentes
gases.
➢
Para todos os gases, a pressão é zero quando a
temperatura é – 273,15 0C.
Atualmente, o ponto triplo da água é usada como referência para a escala kelvin. Por 5
definição, o ponto triplo da água ocorre a T = 273,16 K.
Dilatação Térmica I
➢A
➢A
maioria dos materiais se expande com o aumento da temperatura.
dilatação térmica é consequência da separação média entre os átomos
constituintes da matéria.
➢ Se a dilatação é pequena em comparação com as dimensões do objeto, a dilatação
é proporcional a temperatura.
Suponha que um objeto tenha um comprimento inicial L i a uma certa temperatura e
um comprimento Lf após uma mudança de temperatura de ΔT. O coeficiente de
expansão linear é definido como:
Δ L / Li
α =
ΔT
L f − Li = α Li (T f − T i )
A unidade de α é 0C -1.
A expressão acima é apenas aproximadamente correta para pequenas variações
de temperatura.
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Dilatação Térmica II
Se uma dimensão de um objeto muda com a temperatura, a área e o volume também
variam.
Se a temperatura de um sólido ou um líquido varia de ΔT, a variação volumétrica é
dada por
ΔV = VβΔT
onde é o coeficiente de expansão volumétrica do sólido ou do líquido, que é
diferente para diferentes materiais.
Exercício: Mostre que β = 3α.
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Quantidade de Calor
Calor é a energia transferia de um sistema para outro devida a uma diferença de
temperatura.
Calor não é uma propriedade intrínseca do sistema.
Como calor é energia, sua unidade no SI é o joule. Também à comum utilizar a
unidade caloria (cal), definida como a quantidade de calor necessária para aquecer 1g
de água de 14,5 0C 15,5 0C. Essas unidades estão relacionadas por
1 Cal = 4,187 J
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Absorção de Calor I
Capacidade Térmica
A capacidade térmica (ou capacidade calorífica) C de uma substância é definida como
a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura da substância em 1 0C.
Q = CΔT
Calor Específico
Calor específico c de uma substância é a capacidade térmica por unidade de massa.
Portanto, podemos escrever
Q = mcΔ T
O calor específico é uma medida da sensibilidade térmica de uma substância. Quanto
maior o calor específico do material, maior a quantidade de energia necessária para
provocar uma certa mudança de temperatura.
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Absorção de Calor II
Calor Específico Molar
O mol é definido como
1 mol = 6,02 x 1023 unidades elementares
A capacidade térmica por mol é chamada calor específico molar, dada em J/mol.K .
O calor específico molar dos sólidos é de
aproximadamente 25 J/mol.K (em altas
temperaturas).
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Absorção de Calor III
Calor Latente
A quantidade de calor, por unidade de massa, necessária para que uma amostra de
uma substância mude completamente de fase é chamada calor de transformação ou
calor latente L.
Q = Lm
Quando a mudança de fase é de líquida para gasosa, o calor latente é chamado calor
de vaporização LV. Quando a mudança é de sólida para líquida, o calor é chamado
calor de fusão LF.
Exemplo: energia
necessária
para
converter 1 kg de
gelo a – 30 0C em
vapor a 120 0C.
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Transmissão de Calor I
Existem três mecanismos de transmissão de calor
Condução
Considere uma placa de área A e largura L, cujas faces são
mantidas a temperaturas T1 e T2, com T2 > T1. Seja Q o calor
que é transferido através da placa, da face quente para a fria,
no tempo t. A taxa de transmissão do calor H (energia
transferida por unidade de tempo) é dada por
H = kA∣
dT
∣
dx
onde k é a condutividade térmica e dT/dx é o gradiente de temperatura. Para a situação descrita
acima, a taxa de transmissão é
T 2 −T 1
H = kA
L
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Transmissão de Calor II
Isolamento Térmico
Em aplicações de engenharia, a razão L/k para um dado material é chamada de
resistência térmica R. Quanto menor a condutividade, maior a resistência da placa de
uma dada largura L.
R =
L
k
Muitos materiais devem sua capacidade isolante à sua habilidade de prender pequenas
“bolsas” de ar em seu interior. Em climas frios, vidros duplos são colocados nas
janelas para reduzir o frio (reduzir a transferência de calor).
Se uma placa é composta por vários materiais de resistência R1, R2, R3,..., a taxa de
transmissão de calor é
H =
A( T 2 −T 1 )
∑ Ri
i
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Transmissão de Calor III
Convecção
Quando uma porção de fluido entra em contato com um objeto de maior temperatura,
o fluido se expande. Como se torna menos denso que a parte do fluido mais frio à sua
volta, essa parte quente do fluido sobe o a porção fria desce, formando uma corrente.
Esse tipo de transmissão de calor é chamado convecção.
Esse processo ocorre, por exemplo, quando uma sala é aquecida (ou resfriada) por um
aparelho.
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Transmissão de Calor IV
Radiação
Todos objetos emitem radiação eletromagnética produzida pela vibração térmica das
moléculas, assim como absorvem parte da radiação térmica que chega até eles.
A taxa com a qual um corpo emite radiação é proporcional a quarta potência da
temperatura absoluta:
4
H = σ ϵ AT
onde σ é uma constante chamada constante de Boltzamann, A é a área da superfície
do objeto, T é a temperatura em kelvin e ϵ é a emissividade, que pode variar ente zero
e um.
Se um corpo está a temperatura T e o meio a temperatura T 0, a energia líquida ganha
ou perdida por unidade de tempo, devido à radiação, é:
4
4
H = σ ϵ A(T −T 0 )
O corpo que absorve toda radiação incidente (ϵ = 1) é chamado de corpo negro.
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Transmissão de Calor V
A garrafa térmica
A garrafa térmica é um contêiner projetado para minimizar a transferência de energia
por condução, convecção e radiação
A garrafa consiste de vaso com paredes duplas
de vidro cobertas com prata. O espaço entre as
paredes é evacuado para minimizar a
transferência por condução e convecção. A
superfície de prata minimiza a perda por
radiação porque a prata é um bom refletor.
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