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Capítulo 5: Termodinamica
Definição
Termodinamica se define como a área da física que estuda a energia e a movimentação de particulas em um sistema. Quando se tem um objeto qualquer e este tem suas particulas agitadas estão produzindo energia cinética. A somatoria de toda energia cinetica de um sistema a nível atomico/molecular é chamado de energia térmica. Assim a termodinamica estida a relação entre energia e movimento (agitação) de particulas. A unidade que descreve essa relação entre energia e movimento é chamada de temperatura Ou seja, temperatura é a média da energia cinetica de cada particula em todas as direções, quando em equilíbrio térmico. Surge então o conceito de equilíbrio termico, que se descreve a partir da lei Zero da termodinamica: "Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo T, Então A e B estão em equilíbrio témico entre si"
Definição Conversão de temperatura Dilatação Térmica Dilatação Linear Dilatação em Área Dilatação Volumétrica Dilatação Anômala da água Calor e absorção de calor Ambiente x Sistema Mecanismos de transferência de calor Condução Convecção Radiação Primeira Lei da Termodinâmica Teoria Cinética dos Gases Entropia Segunda Lei da Termodinamica
Isso condiz que algo não "recebe frio" mas sim "perde calor", e como as coisas tendem a ficar em equilíbrio térmico, a troca de calor é quase sempre constante em situações comuns. Para descrever a temperatura temos: Kelvin K Graus Celsius (ºC Graus Fahrenheit (ºF
Conversão de temperatura
Para converter, vamos usar o ºC como base de comparação, já que é o mais comum no cotidiano De ºC para K
De ºC para ºF
Dilatação Térmica
Se define como a variação de volume de um corpo da acordo com a variação de temperatura.
T (^) k =T (^) c + 273
T F =1, 8 ⋅ T C + 32
: Variação da temperatura
Dilatação Anômala da água
A água apresenta um comportamento diferenciado conforme se aproxima do ponto de fusão. Por padrão: menor temperatura = menor agitação de partículas = menor volume = menor densidade. A água segue esse comportamento de 100º C a 4º C. Prém, entre 0º C e 4º C, ocorre aumento de volume, com consequentemente diminuição da densidade. Isso acontece pois suas moléculas se organizam de forma diferente, quando esta se torna gelo.
Calor e absorção de calor
Sabendo que, se colocarmos no ambiente um objeto frio e outro quente, o objeto frio esquenta e o quente, esfria. Ou seja, ambos os objetos alteram sua temperatura de forma a ficarem com a mesma temperatura do ambiente. Isso só é possível a partir da transferencia de energia témica do meio com maior temperatura para o meio com menor temperatura. Essa transferencia é o que chamamos de calor Q Calor é a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de temperatura. Definindo calor como a capacidade de aumentar a temperatura, defini-se também a sua unidade: caloria (cal). Sendo a transferencia de calor o mesmo de transferencia de energia, também usa-se a unidade joule J. Sendo assim:
Ambiente x Sistema
Δθ
γ = 3α
1 cal = 4, 2 J
Considerando o objeto como sistema. Temos: Se o objeto está mais quente que o ambiente, o calor é transferido do sistema para o ambiente. Assim, o objeto tem calor negativo. Se o objeto está mais frio que o ambiente, o calor é transferido do ambiente para o sistema. Assim, o objeto tem calor positivo. A soma de toda a quantidade de calor em um conjunto sistema-ambiente é sempre zero.
Em geral a relação entre a varação de temperatura e calor é dada por:
quantidade de calor massa Calor Específico ( )
💡 Na natureza a substaancia com maior calor específico é a água
Essa relação é descrita sempre que há a variação de temperatura de um sólido, líquido ou gás. Porém se analizarmos o grafico de fazes de substancias:
Q (^) sistema +Qambiente = 0 ∑ Q = 0
Q = m ⋅ c ⋅ Δθ Q : m : c : cal/g ⋅ ºC
Esses atomos colidem com atomos vizinho, transferindo energia da vibração entre eles. A temperatura varia apenas a partir da transferencia de energia. Este tipos de transferencia ocorre geralmente com solidos. A energia (calor) transferida no tempo é a potencia:
Ou também pela Lei de Fourier:
constante de condutividade térmica área da superfície do material temperatura nos extremos espessura do material
Convecção
Este tipo de transferencia acontece em geral com flúidos. Quando se fornece energia para um flúido este vibra mais e cria espaços entre as particulas. A grosso modo dizendo essse espaço entre as particulas cria um "vácuo parcial". Dessma maneira, há uma diminuíção da densidade do flúido com que faz com que este se desloque para posições mais elevadas. E assim torna-se um cíclo de convecção.
P (^) conduç a˜o = ΔQt
Pcondu (^) ç a˜o =kA θ^ Q^ −L^ θF k : (KW /m) A : θ (^) Q e θ (^) F : L :
💡 Convecção tem deslocamento de matéria
Radiação
Um sistema e um ambiente trocam vibrações por meio de ondas. Quando as ondas "passam" pelos atomos, influenciam a vibração dos mesmos. É semelhante á condução, porém não há necessariamente contato. Como são ondas, ocorrem em qualquer meio. Nesse caso, a potencia transferida pode ser dada pela Equação de Stefan- Boltzmann:
Constante de Stefan-Boltzmann = emisividade da superfície do objeto área da superfície do objeto temperatura do objeto ( )
Primeira Lei da Termodinâmica
P (^) radiaç a˜o =σ ⋅ ϵ ⋅ A ⋅ θ^4 σ : 5, 6704 ⋅ 10 −9^ K W^4 /m^2 ϵ : A : θ : K
Os gráficos dizem que o trabalho e o calor dependem de como a mudança de temperatura, pressão e volume ocorrem. Porém a diferença entre calor e trabalho se mantém. Essa diferença é chamada de energia interna ( ):
Essa é a Primeira Lei da Termodinâmica.
Teoria Cinética dos Gases
Para entender a teoria cinética dos gases, primeiro é preciso entender o conceito de Gas Ideal. Este conceito pode ser definido como um conjunto de partículas que estão em movimento constante e aleatório, cujas velocidades médias estão relacionadas com a temperatura. Este conceito não existe na natureza, porém os gases se aproximam deste comportamento. Este gás tem uma relação chamada de Função de Clayperom:
pressão absoluta volume Número de Mols constante dos gases ideais temperatura do gás
U
ΔU = U (^) f −U (^) i =Q − W
p ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T p : V : n : R : 8, 31 J /mol ⋅ k T :
Quando um gás ideal muda de estado, a pressão, o volume e a temperatura podem se alterar, mas o numero de mols permanece, assim como. Portanto se isolarmos os termos constantes temos:
Ou seja, a relação não muda para quaisquer estados do gás. Usa-se:
Variações de pressão, volume e temperatura podem realizar trabalho, mas esse só pode ser medido quando no máximo dois desses fatores varia.
Entropia
A entropia é basicamente o fenômeno dos processor irreversíveis e unidimensionais. Ou seja, a grosso modo, a entropia é a medida da desordem. Por exemplo, um baralho de cartas ordenado e organizado (ás, 2, 3, 4, etc). Se embaralharmos este, nós temos um estado desorganizado e aleatorio. Se tentarmos reembaralharmos afim de torna-lo na configuração inicial (organizado e ordenado), podemos tentar infinitas vezes que este nunca retornará a tal configuração. Outro exemplo é o estado da materia. Se pegarmos um volume de agua em um copo 1ª configuração), as moléculas estarão em movimento aleatorio e contínuo. Se congelarmos este volume 2ª configuração), as moléculas estarão em posições definidas aleatoriamente porém paradas. Se derretermos o gelo e congelarmos novamente a posição final da moléculas não será igual á 2ª configuração. Podemos dizer que tanto o baralho quanto o gelo tem uma coisa em comum. Ambos os processos estão sujeitos á ação do tempo, na verdade a única prova concreta que o tempo passa é a entropia pois se é algo irreversível, quanto mais algo se desorganiza mais tempo se passou. Com isso podemos dizer que "coisas ao tempo tendem ao caos". A variação da entropia é descrito por ( ). Como é irreversível este não segue nenhuma lei da conservação
R
nR = pVT
p V Ti (^) ii = p V Tf (^) ff
ΔS
