Curso de Formação do Físico Educador - Agosto de 2004 Disciplina: Calor e Termodinâmica

1. 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 • Conceituação, Lei Zero da Termodinâmica, Medidas Termométricas e Dilatação Térmica • 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, 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 • Pontos Fixos de Fusão e Ebulição da água • Determinação do coeficiente de dilatação • Calor • Determinação da Capacidade Térmica de um Calorímetro • Calor Específico de uma substância • Irradiação Térmica • Lei de Boyle • Motor de Stirling

2. 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.

3. 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.

4. Unidade 1- Temperatura Dilatação (Contração e Expansão): • Definição do Coeficiente de Dilatação Volumétrica: Dilatação Volumétrica Média: Dilatação anômala da água: • contrai entre 0º e 4º • densidade máxima:  < 0 Tensões Térmicas:

5. 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 onde: M = massa molecular e n = número de moles Equação da Calorimetria – Quantidade de Calor:

6. Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica Mudança de Fase: • Calor de Transformação - temperatura constante (Ponto Fixos). onde: Lt = Calor de Transformação Transmissão do Calor - Fluxo de Calor: 1- Condução - Sólidos Corrente Térmica

7. Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica 2- Convecção - Líquidos e Gases 3- Radiação - Onda Eletromagnética • Bom absorvedor é bom emissor • Mau absorvedor é mau emissor • Mau absorvedor é bom refletor • Bom Refletor é mau emissor

8. Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica 1ª Lei da Termodinâmica -Trabalho e Variação de Volume 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.

9. 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

10. P A (Estado Inicial) Po Pf B (Estado Final) V Vo Vf Unidade 2- Calor e 1ª Lei da Termodinâmica • Diagrama PV Trabalho é igual a área sombreada sob a curva

11. 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 = 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)

12. 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

13. Unidade 3- Estudos dos Gases • 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

14. P A (Estado Inicial) Po Isoterma Pf V Vo Vf Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas • Processos Termodinâmicos • Transformação Isotérmica - Temperatura Constante (Lei de Boyle) B (Estado Final)

15. Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas • Processos Termodinâmicos • Transformação Isobárica - Pressão Constante (Lei de Gay-Lussac) P A (Estado Inicial) B (Estado Final) Pf V Vo Vf

16. Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas • Processos Termodinâmicos • Transformação Isométrica - Volume Constante (Lei de Charles) P A (Estado Inicial) Pi Pf B (Estado Final) V V

17. C A B B A C Isotérmica Isobárica Isovolumétrica Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas • Processos Cíclicos • Transformação Cíclica – Sequência de Operações com retorno ao estado inicial P A (Estado Inicial) = (Estado Final) Po Área no ciclo = trabalho Pf B C V Vo Vf Q + W = 0

18. Unidade 4- 2ª Lei da Termodinâmica- Máquinas Térmicas • Aplicações da 1ª Lei da Termodinâmica

19. 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”.