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Graciana Sousa

Profa. de Física, IFPA/Campus Santarém

graciana.sousa@ifpa.edu.br

Física II

Parte 1 - Termodinâmica

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Objetivos:

• Compreender a natureza da energia térmica.
• Identificar as propriedades da Termodinâmica.
• Reconhecer as aplicações da Termodinâmica no dia-a-dia.
• Executar experimentos (real ou virtual)
• Identificar e compreender as aplicações da Termodinâmica aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

Conteúdo: Termodinâmica

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Matemática da Física

Conhecimento prévio:

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Para bom andamento do conteúdo destas aulas, é necessário ter noção de:

• Trigonometria
• Radiciação
• Potenciação
• Frações
• Proporções
• Equações trigonométricas
• Equação do primeiro grau

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Ondas eletromagnéticas e termodinâmica

Espectro eletromagnético.

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Ondas eletromagnéticas e Termodinâmica

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Ondas eletromagnéticas e Termodinâmica

Inovações Recentes em Infravermelho

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Introdução à Termodinâmica

Ondas de calor: https://www.gov.br/saude/pt-br/assuntos/saude-de-a-a-z/o/ondas-de-calor

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• No estudo da Mecânica, define-se conceitos como massa, força e energia cinética para facilitar nossa abordagem quantitativa. Da mesma maneira, uma descrição quantitativa de fenômenos térmicos exige definições cuidadosas de termos importantes como temperatura, calor e energia interna.

Introdução à Termodinâmica

Os termos “temperatura” e “calor” costumam ser usados como sinônimos na linguagem cotidiana. Em física, contudo, esses dois termos têm significados bastante diferentes.

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A Termodinâmica é a parte da Física que estuda o armazenamento, a transformação e a transferência de energia térmica.

• A energia pode ser armazenada como energia interna

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• A energia interna é a soma total de todas as energias no interior de uma substância. Além da energia cinética translacional da agitação molecular em uma substância, existe energia em outras formas. Existe a energia cinética rotacional das moléculas e a energia cinética devido ao movimento interno dos átomos dentro das moléculas. Existe também a energia potencial devido às forças entre as moléculas. De modo que uma substância não contém calor – ela contém energia interna.

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• Todos estamos familiarizados com a idéia de temperatura. Você ouve esta palavra quase diariamente. Mas, afinal, a temperatura é exatamente a medida de quê?

Temperatura

Toda matéria – sólida, líquida ou gasosa – é composta por átomos ou moléculas em constante agitação. Em virtude desse movimento aleatório, os átomos ou moléculas da matéria possuem energia cinética. A energia cinética média dessas partículas individuais produz um efeito que podemos sentir – a sensação de quente.

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A quantidade que informa quão quente ou frio é um objeto em relação a algum padrão é chamada de temperatura.

Expressamos a temperatura da matéria por meio de um número que corresponde à quantidade de graus de aquecimento ou de esfriamento em alguma escala escolhida.

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Introdução à Termodinâmica - Escalas termométricas

Praticamente todos os materiais sofrem dilatação quando suas temperaturas se elevam, e contraem-se quando as temperaturas diminuem. De modo que a maioria dos termômetros medem a temperatura por meio da dilatação ou contração de um líquido, normalmente o mercúrio ou álcool colorido, dentro de um tubo de vidro dotado de uma escala.

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Diferentes escalas de temperatura foram desenvolvidas com base em diferentes pontos de referência e convenções históricas.

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• O primeiro “medidor térmico”, o termômetro, foi inventado por Galileu, em 1602 (a palavra térmico é o termo grego para “calor”).

Medição da Temperatura

Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei, mais conhecido como Galileu Galilei (Pisa, 15 de fevereiro de 1564, Florença, 8 de janeiro de 1642)

Termoscópio de Galileu.

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Medição da Temperatura - Termômetros

O termômetro

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Um termômetro pode ser qualquer sistema macroscópico que sofra uma alteração mensurável ao trocar energia térmica com o que está ao seu redor. Ele é posto em contato com um sistema maior cuja temperatura deverá medir.

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Em um termômetro comum com tubo de vidro, por exemplo, um pequeno volume de mercúrio ou álcool se expande ou se contrai quando colocado em contato com um objeto “quente” ou “frio”. A temperatura do objeto é determinada pelo comprimento da coluna de líquido associada a uma escala de temperatura.

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Termômetros - Escalas termométricas

Escala Celsius

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Nessa escala, o número 0 é assinalado à temperatura na qual a água congela, e o número 100, à temperatura na qual a água entra em ebulição (na pressão atmosférica normal). O espaço entre esses dois números é dividido em 100 partes iguais, chamadas de graus; daí um termômetro calibrado dessa maneira ter sido chamado de termômetro centígrado (de centi, que significa “centésimo”, e gradus, que significa “grau”). Entretanto, ele é atualmente chamado de termômetro Celsius, em homenagem ao homem que primeiro sugeriu tal escala, o astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744).

Anders Celsius (1701-1744).

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Escala Fahrenheit

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Escala de temperatura muito popular nos Estados Unidos.

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Nessa escala, o número 32 é assinalado como a temperatura na qual a água congela, e o número 212 como a temperatura na qual a água ferve. Essa é a escala que forma um termômetro Fahrenheit, assim denominado em homenagem a seu ilustre criador, o físico alemão Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736).

Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736).

Termômetros - Escalas termométricas

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Escala Kelvin

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A escala de temperatura escolhida pelos cientistas é a escala Kelvin, uma homenagem ao físico escocês William Thomson, Primeiro Barão Kelvin (1824-1907). Essa escala é calibrada não em termos dos pontos de congelamento e de ebulição da água, mas em termos de energia mesmo. O número zero é assinalado como a mais baixa temperatura possível – o zero absoluto, na qual qualquer substância não tem absolutamente qualquer energia cinética para fornecer.

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Não existem números negativos na escala Kelvin.

William Thomson, Primeiro Barão Kelvin (Lorde Kelvin) (1824 - 1907) foi um físico-matemático e engenheiro britânico.

Termômetros - Escalas termométricas

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Conversão entre as Escalas termométricas

Expressões aritméticas são usadas para fazer a conversão de Fahrenheit, Celsius e Kelvin, e são muito populares em exames escolares. Esses exercícios aritméticos não são realmente física.

T_K = 273,15+T_C

T_K: temperatura em Kelvin (K)

T_C: temperatura em Celsius (°C)

T_F: temperatura em Fahrenheit (°F)

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Introdução à Termodinâmica - Tipos de termômetros

Tipos de termômetro

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Digitais de infravermelho - permite que se faça a aferição da temperatura sem contato físico

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Termômetros digitais - exige contato. Ele é posicionado na axila do paciente e manuseado por quem vai fazer a leitura

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Termômetros líquidos

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Generalização das escalas termométricas

Representação esquemática de escalas termométricas (A e X) construídas com dois pontos fixos: o fusão do gelo e a água em ebulição sob pressão normal (1 atmosfera).

Relação de proporcionalidade entre as alturas da coluna de um líquido entre duas escalas termométricas quaisquer.

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O termômetro de gás a volume constante e a escala de temperatura absoluta

O estabelecimento, ou a criação, de escalas termométricas permite a medida da temperatura por meio da escolha de grandezas físicas que com ela variem e possibilitem a construção de diferentes tipos de termômetro.

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O termômetro de gás a volume constante e a escala de temperatura absoluta

a e b são constantes determinadas através de experimentos

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O termômetro de gás a volume constante e a escala de temperatura absoluta

Uma versão do termômetro de gás é o aparelho com volume constante mostrado na Figura ao lado.

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O termômetro de gás a volume constante e a escala de temperatura absoluta

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Exercício

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Termodinâmica

Alguns termos diferentes do nosso cotidiano podem aparecer durante as aulas. Fique atento!

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Glossário:

Sistema é tudo aquilo que desejamos estudar.

Tudo o que é externo ao sistema é considerado parte das vizinhanças do sistema.

O sistema é distinguido de suas vizinhanças por uma fronteira especificada, que pode estar em repouso ou em movimento.

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Vídeos recomendados

https://www.youtube.com/watch?v=_p2OpD238sw&list=PLijIUMs9xx0x9OKNOKBLLcxT6N4Ve4uzR

https://www.youtube.com/watch?v=ZbK7HtGdCjk

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Vídeos recomendados

https://www.youtube.com/watch?v=oI9GK_4PJO4

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Atividade: para casa

Leitura:

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Referências