FÍSICA TÉRMICA
Prof. Neemias Alves de Lima
Instituto de Pesquisa em Ciência dos Materiais
Universidade Federal do Vale do São Francisco
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Domínio da Física Térmica
• Como pode água aprisionada ser ejetada do cume de um vulcão em uma explosão gigante?
• O que faz uma calçada ou pista se quebrar espontaneamente quando a temperatura varia?
• Como pode a energia térmica ser usada para realizar trabalho, movendo máquinas que torna a vida moderna possível?
• Etc, etc,...
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A Lei Zero da Termodinâmica e a Temperatura
Se objetos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um
terceiro objeto C, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro.
Definição de Temperatura
Dois objetos em equilíbrio térmico um com o outro estão na mesma temperatura.
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Termômetros e Escalas de Temperatura
Termômetro de mercúrio e a escala Celsius
Termômetros são dispositivos usados para medir a temperatura
de um objeto ou um sistema. Quando um termômetro está em
contato térmico com um sistema, energia é trocada até o termômetro
e o sistema estarem em equilíbrio térmico um com o outro.
Para medidas precisas de temperatura, o termômetro deve ser
muito menor do que o sistema, tal que a energia ganha ou perdida
pelo termômetro não altere significadamente a energia contida no
sistema.
Usam alguma propriedade física que varia com a temperatura e
pode ser calibrada:
1) volume de um líquido,
2) comprimento de um sólido
3) pressão de um gás mantido a volume constante
4) volume de um gás mantido a pressão constrante
5) resistência elétrica de um condutor
6) cor de um objeto muito quente
Diagrama esquemático do termômetro de
mercúrio. Por causa da expansão térmica o
nível de mercúrio sobe quando a temperatura
do muda de 0 graus Celsius (ponto de gelo)
para 100 graus Celsius (ponto de vapor).
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Termômetro de gás a volume-constante e a Escala Kelvin
Amostra 1
Escala
Amostra 2
Reservatório de mercúrio
Banho a ser
medido
Mangueira
flexível
O termômetro de gás a volume-constante mede a
pressão do gás contida em um frasco imerso no
banho. O volume do gás no frasco é mantido
constante aumentando ou diminuindo o reservatório B
para manter o nível do mercúrio constante (na marca
zero da escala).
Amostra 3
Pressão versus temperatura para amostras experimentais de
gases com diferentes pressões em um termômetro a volumeconstante. Note que para todas três amostras a pressão extrapola
para zero na temperatura -273.15 graus Celsius!
Define-se a escala de temperatura Kelvin rotulando de zero
absoluto a temperatura mais baixa da escala Celsius, a relação
entre as duas escalas (omitindo as unidades) é:
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Figura: Temperatura absoluta em quais vários processos físicos selecionados tomam lugar. Note que a escala é logarítmica.
Temperatura
Bomba de hidrogênio
Interior do Sol
Coroa solar
Superfície do Sol
Cobre derretido
Água derretida
Nitrogênio líquido
Hidrogênio líquido
Hélio líquido
Temperatura mais baixa alcançada
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Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos
Para pequenas variações na temperatura:
ou
Tabela I
Coeficiente médio de expansão de alguns materiais próximo da temperatura ambiente
Coeficiente médio
de expansão linear
Coeficiente médio de
expansão volumétrica
Alumínio
Etanol
Latão e bronze
Benzeno
Cobre
Acetona
Vidro (comum)
Glicerina
Mercúrio
Vidro (pyrex)
Madeira
Aço
Gasolina
Aço (liga Ni-Fe)
Ar
Concreto
Hélio
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Expansão térmica: O calor extremo de um dia
de Julho em Asbury Park, New Jersey, causou
este desencarrilhamento das linhas de trem.
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Módulo de Young: Elasticidade no comprimento
Uma barra longa presa por uma de suas extremidades é esticada sob a ação de uma força.
Stress
Stress =
Limite Ponto de
elástico ruptura
Comportamento elástico
Módulo de Young
Dilatação térmica gera stress!!!
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Tabela II
Valores Típicos para o Módulo de Elasticidade
Substância
Módulo de Young
Alumínio
Osso
Latão
Cobre
Aço
Tugstênio
Vidro
Quartz
Cartilagem da costela
Borracha
Tendão
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O Comportamento Não-Usual da Água
A densidade da água em função da temperatura. O detalhe mostra que a
densidade máxima da água ocorre em 4 graus Celsius.
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Descrição Macroscópica de um Gás Ideal
Um gás consiste usualmente de um grande número de partículas, e este número é convenientemente expresso em
termos do número de moles, n.
O mesmo número de partículas é encontrado em um mol de hélio como em um mol de ferro ou alumínio. Este
número é igual a
partículas/mol
(número de Avogadro)
O número de moles de uma substância está relacionada com sua massa m por
massa molar
massa de um mol da substância
Gás ideal = gás com baixa densidade
Propriedades macroscópicas
Lei do gás ideal:
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Teoria Cinética dos Gases
• Modelo do gás ideal do ponto de vista microscópico, isto é, com base no que acontece em escala microscópica.
Teoria cinética para um gás ideal
1.
Número grande de moléculas no gás, e a separação média entre elas grande comparada com suas
dimensões => análise estatística
2.
Moléculas obedecem as leis de Newton do movimento, mas como um todo elas se movem aleatoriamente
3.
As moléculas interagem apenas através de forças de curto alcance durante colisões elásticas
4.
As moléculas fazem colisões elásticas com a parede
5.
Todas moléculas no gás são idênticas
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Modelo Molecular para a Pressão de um Gás Ideal
Caixa cúbica contendo um gás
ideal. A molécula mostrada move
com velocidade v.
Antes da colisão
Depois da colisão
Força média de uma colisão:
Força total exercida por todas moléculas:
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Velocidade média:
Pressão de um gás ideal:
Interpretação Molecular da Temperatura
Temperatura é proporcional à
média da energia cinética.
Energia cinética média por molécula é proporcional a temperatura do sistema
Velocidade raiz-média-quadrada (root-mean-square) ~ estimativa da velocidade média das móleculas:
Massa molar em kg/mol
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