Curso de Formação do Físico Educador - Agosto de 2004
Disciplina: Calor e Termodinâmica
Ementa:
“Temperatura, Equilíbrio térmico, Calor como energia, Transferência de calor (condução, convecção e
radiação), 1ª Lei da Termodinâmica, Equivalente mecânico do calor, Teoria cinética dos gases, Máquinas
térmicas, 2ª Lei da Termodinâmica e Entropia”
Unidades de Estudo:

Unidade 1 – Temperatura


Unidade 2 – Calor e a 1ª Lei da Termodinâmica


Conceituação, equivalente mecânico do calor, transferência de calor, 1ª Lei da Termodinâmica
Unidade 3 – O Estudo dos Gases


Conceituação, Lei Zero da Termodinâmica, Medidas Termométricas e Dilatação Térmica
Conceituação, número de Avogadro, O gás ideal, Temperatura e Pressão visão molecular
Unidade 4 – 2ª Lei da Termodinâmica, Máquinas Térmicas e Entropia

2ª Lei da Termodinâmica, Transformações Termodinâmicas, Ciclo de Carnot, Processo Irreversível e Entropia
Laboratório:

Temperatura e Expansão Térmica



Calor





Pontos Fixos de Fusão e Ebulição da água
Determinação do coeficiente de dilatação
Determinação da Capacidade Térmica de um Calorímetro
Calor Específico de uma substância
Irradiação Térmica
Lei de Boyle
Motor de Stirling
1
Curso de Formação do Físico Educador - Agosto de 2004
Disciplina: Calor e Termodinâmica
Avaliação:





1ª Prova Teórica: 20 pontos
2ª Prova Teórica: 20 pontos
Laboratório: 20 pontos
Trabalho Multidisciplinar: 10 pontos
Avaliação Global: 30 Pontos
Referência Bibliográfica:







Fundamentos de Física - Volume 2 - Halliday, David e Resnick, Robert – LTC Editora.
Física 2 – Movimento Ondulatório e Termodinâmica - Serway, Raymond - LTC Editora.
Física Conceitual - Hewitt, Paul – Editora Bookman.
Física – Volume 2 - Sears, Mark e W. Zemansky - Ao Livro Técnico.
Imagens da Física - Amaldi, Hugo
Física – Volume 2 - Raymond, Serway - LTC Editora.
Curso de Física – Volume 2 – Alvarenga, Beatriz e Máximo, Antônio – Editora SCIPIONE.
2
Unidade 1- Temperatura
Definição:

Macroscópica:


Propriedade de um sistema físico que determina se ele estará ou não em equilíbrio térmico
com outros sistemas.
Microscópica:

A temperatura de um sistema físico esta associada ao grau de agitação molecular (Energia
Cinética das partículas que constituem o sistema).
Termômetro:


Um dispositivo que nos permite determinar as temperaturas de vários sistemas.
Características:



1) SENSIBILIDADE
2) PRECISÃO
3) REPRODUTIBILIDADE
Escalas:

Pontos Fixos:




PNF - Ponto Normal de Fusão: A substância coexiste nos estados sólido e líquido.
PNE - Ponto Normal de Ebulição: Substância coexiste nos estados líquido e Gasoso.
PNS - Ponto Normal de Sublimação: Substância coexiste nos estados sólido e Gasoso.
PT - Ponto Triplo: Substância coexiste nos estados sólido, líquido e Gasoso.
3
Unidade 1- Temperatura
Dilatação (Contração e Expansão):

Definição do Coeficiente de Dilatação Volumétrica:

dV 1
.
V0 dt
Dilatação Volumétrica Média:
V  V0. .t
Dilatação anômala da água:


contrai entre 0º e 4º
densidade máxima:  < 0
Tensões Térmicas:
F
 Y . .t
A
4
Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
Calor:

Energia térmica em trânsito devido exclusivamente a diferença de temperatura entre os
sistemas.
Capacidade Térmica - Calor Específico:
Capacidade Calorífica Molar
Mc 
c
dQ 1
.
m dt
dQ 1
.
n dt
onde: M = massa molecular e n = número de moles
n
m
M
Equação da Calorimetria – Quantidade de Calor:
dQ  m.c(t ).t
5
Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
Mudança de Fase:

Calor de Transformação - temperatura constante (Ponto Fixos).
Q  m.Lt
onde: Lt = Calor de Transformação
Transmissão do Calor - Fluxo de Calor:
1- Condução - Sólidos
Gradiente 
dt
dx
Corrente Térmica
H   k . A.
dt
dx
6
Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
2- Convecção - Líquidos e Gases
H  h. A.t
3- Radiação - Onda Eletromagnética
R  e. .T 4




Bom absorvedor é bom emissor
Mau absorvedor é mau emissor
Mau absorvedor é bom refletor
Bom Refletor é mau emissor
7
Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica -Trabalho e Variação de Volume
W   F ( x).dx
F(x)
A
B
dV
V0






V0 = Volume Inicial ocupado pelo gás.
dV = Variação de volume
W = Trabalho realizado para deslocar o pistão.
F(x) = Força exercida pelo pistão.
dx = Deslocamento do pistão dentro do cilindro.
A = Área da secção transversal do pistão.
8
Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica

Sistemas Mecânicos
F(x) tem o mesmo sinal de dx
Trabalho(W) > 0
Realizado sobre o sistema
Energia aumenta
F(x) tem sinal contrário a dx
Trabalho(W) < 0
Realizado pelo sistema
Energia diminui

Sistemas Termodinâmicos
F(x) tem o mesmo sinal de dx
Trabalho(W) > 0 - Expansão (Vo < Vf)
Realizado pelo sistema
Energia diminui
F(x) tem sinal contrário a dx
Trabalho(W) < 0 - Compressão (Vo > Vf)
Realizado sobre sistema
Energia aumenta
9
Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica

Diagrama PV
Trabalho é igual a área sombreada sob a curva
P
Po
A (Estado Inicial)
Pf
B (Estado Final)
V
Vo
Vf
10
Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica

1ª Lei da Termodinâmica
“A variação de energia interna de um sistema é igual a um valor definido pela diferença
Q - W e independe de como o sistema foi levado do estado inicial para o estado
final”.
U  Q  W



U = Uf - Ui (Variação de Energia Interna)
Q = Calor Absorvido ou Cedido pelo Sistema
W = Trabalho Realizado pelo ou sobre o Sistema




Q > 0 - fornecido ao sistema
Q < 0 - cedido pelo sistema
W > 0 - realizado pelo sistema (expansão)
W < 0 - realizado sobre o sistema (compressão)
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Unidade 3- Estudos dos Gases

Estados Físicos da Matéria





Sólido
Líquido
Gasoso
Plasma
Mudanças de Estado



Fusão
Solidificação
Vaporização





Evaporação
Ebulição
Condensação
Sublimação
Diagrama de Fases
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Unidade 3- Estudos dos Gases
PV  nRT

Grandezas Termodinâmicas – Variáveis de Estado





P =Pressão
V = Volume
T = Temperatura Absoluta
n = número de moles
R = Constante dos Gases



R=0,082 atm.l/mol.K
R=8,31 J/mol.K
Equação Geral dos Gases
P1 .V1 P2 .V2

T1
T2
13
Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas

Processos Termodinâmicos

Transformação Isotérmica - Temperatura Constante (Lei de Boyle)
P1V1  P2V2
P
Po
A (Estado Inicial)
Isoterma
B (Estado Final)
Pf
Vo
Vf
V
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Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas

Processos Termodinâmicos

Transformação Isobárica - Pressão Constante (Lei de Gay-Lussac)
V1 V2

T1 T2
P
A (Estado Inicial)
B (Estado Final)
Pf
Vo
Vf
V
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Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas

Processos Termodinâmicos

Transformação Isométrica - Volume Constante (Lei de Charles)
P1 P2

T1 T2
P
Pi
A (Estado Inicial)
Pf
B (Estado Final)
V
V
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Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas

Processos Cíclicos

Transformação Cíclica – Sequência de Operações com retorno ao estado inicial
P
Po
A (Estado Inicial) =
(Estado Final)
Pf
B
Vo
B Isovolumétrica
B
C Isobárica
C
A Isotérmica
Área no ciclo = trabalho
C
Vf
A
V
Q+W=0
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Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas

Aplicações da 1ª Lei da Termodinâmica
Processo
Restrição
1ª Lei
Todos
Nenhuma
U = Q - W
Adiabático
Q=0
U = - W
Isovolumétrico
V=Cte,W = 0
U = Q
Isobárico
P = Cte
U = Q - W
Isotérmico
T = Cte
Q=W
Cíclico
U = 0
Q=W
Expansão
Livre
Q=W=0
U = 0
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Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica
2ª Lei da Termodinâmica e Calor
“Nenhum calor flui espontaneamente de um corpo de
temperatura mais baixa para um de temperatura mais
alta”.
2ª Lei da Termodinâmica e Ciclo de Carnot
“O rendimento de qualquer máquina térmica, que opere
entre duas temperaturas específicas, nunca excederá uma
máquina de Carnot que opere nessas mesmas
temperaturas”.
2ª Lei da Termodinâmica e Entropia
“Em qualquer processo termodinâmico que ocorra de um
estado de equilíbrio para outro, a entropia do sistema +
vizinha permanece constante ou aumenta”.
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