Termologia, Notas de aula de Engenharia Informática
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FÍSICA II Termodinâmica e Ondas Figuras Capítulo 15

TEMPERATURA

E EQUILÍBIRO TÉRMICO

©2004 by Pearson Education

Figuras 15-2

PARA USAR A TEMPERATURA COMO UMA MEDIDA PAR SABER SE UM CORPO ESTÁ QUENTE OU FRIO, PRECISAMOS CONSTRUIR UMA ESCALA DE TEMPERATURA. ASSIM , PODEMOS EMPREGAR:

CADA UMA DESSAS GRANDEZAS PODE SER USADA PARA FAZER UM TERMÔMETRO.

PARA MEDIR A TEMPERATURA DE UM CORPO, VOCÊ COLOCA O TERMÔMETRO EM CONTATO COM O CORPO. QUANDO O ESTADO ESTACIONÁRIO É ATINGIDO, VOCÊ PODE LER A TEMPERATURA. DIZEMOS QUE O SISTEMA ATINGIU O EQUILÍBRIO. CHAMAMOS ESTE ESTADO DE EQUILÍBRIO TÉRMICO.

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Figuras 15-3

SEJAM OS SISTEMAS A,B E C, QUE NÃO ESTÃO INICIALMENTE EM EQUILÍBRIO TÉRMICO. COLOCAMOS OS TRÊS SISTEMAS EM UMA CAIXA ISOLANTE IDEAL, DE MODO QUE A E B POSSAM INTERAGIR APENAS COM C. ESPERAMOS ATÉ QUE O EQUILÍBRIO TÉRMICO SEJA ATINGIDO; ENTÃO A E B ESTÃO SIMULTANEAMENTE EM EQUILÍBRIO COM C. PORÉM SERÁ QUE O SISTEMA A ESTÁ EM EQUILÍBRIO TÉRMICO COM O SISTEMA B? PARA RESPONDER A ESTA PERGUNTA, VAMOS PERMITIR A INTERAÇÃO ENTRE A E B, ISOLANDO-OS DE C. O QUE OCORRERÁ? A EXPERIÊNCIA MOSTRA QUE NADA OCOR_ RERÁ; NÃO HAVERÁ NENHUMA INTERAÇÃO ENTRE A E B. CONCLUÍMOS QUE QUANDO C ESTÁ EM EQUILÍBRIO TÉRMICO COM A E COM B, ENTÃO A TAMBÉM ESTÁ SIMULTANEA_ MENTE EM EQUILÍBRIO COM B. ESTE RESULTADO É CONHECIDO COMO LEI ZERO DA TERMODINÂMICA.

ENTÃO DOIS SISTEMAS ESTÃO EM EQUILÍBRIO TÉRMICO SOMENTE QUANDO ELES POSSUEM A MESMA TEMPERATURA.

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Figuras 15-4

TERMÔMETROS E ESCALAS TERMOMÉTRICAS

O DISPOSITIVO MOSTRADO NA FIGURA AO LADO, UTILIZA UMA LÂMINA BIMETÁLICA, OBTIDA FAZENDO-SE A JUNÇÃO ENTRE DOIS METAIS DIFERENTES, ISTO É, COM DIFERENTES COEFICIENTES DE DILATAÇÃO LINEAR.

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Figuras 15-5

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Figuras 15-6

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Figuras 15-7

TERMÔMETRO DE GÁS E ESCALA KELVIN

A ESCALA KELVIN POSSUI UMA TEMPERATURA ZERO OBTIDA POR EXTRAPOLAÇÃO DO VALOR DA PRESSÃO NULA DE UM TEMÔMETRO DE GÁS COM VOLUME CONSTANTE, EQUIVALENTE A - 273,15ºC.

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Figuras 15-8

A ESCALA KELVIN DENOMINA-SE ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA, E SEU PONTO ZERO DENOMINA-SE ZERO ABSOLUTO.

NO ZERO ABSOLUTO UM SISTEMA MOLECULAR POSSUI UM VALOR MÍNIMO PARA A ENERGIA TOTAL; CONTUDO, POR CAUSA DE EFEITOS QUÂNTICOS, NÃO É CORRETO DIZER QUE TODO MOVIMENTO MOLECULAR CESSA NO ZERO ABSOLUTO.

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Figuras 15-9

EXPANSÃO TÉRMICA OCORRE EXPANSÃO OU DILATAÇÃO TÉRMICA QUANDO QUASE TODOS OS MATERIAIS SÃO AQUECIDOS.

DILATAÇÃO LINEAR

SE UM CORPO POSSUI COMPRIMENTO Lo A UMA TEMPERA_ TURA To , ENTÃO SEU COMPRIMENTO L A UMA TEMPERATURA T = To + T É:

)1( TLTLLLLL oooo  

UNIDADES DE  : K-1 OU ºC-1.

ONDE  : É O COEFICIENTE DE DILATAÇÃO LINEAR DO MATERIAL.

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Figuras 15-10

DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

O AUMENTO DA TEMPERATURA GERALMENTE PRODUZ AUMENTO DE VOLUME TANTO PARA LÍQUIDOS QUANTO PARA SÓLIDOS. A EXPERIÊNCIA MOSTRA QUE QUANDO A VARIAÇÃO DE TEMPERATURA T NÃO É MUITO GRANDE (menor do que 100ºC), O AUMENTO DE VOLUME V É APROXIMADAMENTE PROPORCIONAL À VARIAÇÃO DE TEMPE_ RATURA T E AO VOLUME INICIAL Vo:

TVV o  ONDE : É O COEFICIENTE DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA.

UNIDADES DE  : K-1 OU ºC-1.

TEM-SE A RELAÇÃO ENTRE OS COEFICIENTES DE DILATAÇÃO TÉRMICA:

 3 EXEMPLOS:

MATERIAL  (K-1 OU ºC-1)  (K-1 OU ºC-1) ALUMÍNIO 2,4 x10-5 7,2 x10-5 COBRE 1,7 x10-5 5,1 x10-5 AÇO 1,2 x10-5 3,6 x10-5

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Figuras 15-11

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Figuras 15-12

DILATAÇÃO TÉRMICA DA ÁGUA

A ÁGUA, NO INTERVALO DE TEMPERATURAS ENTRE 0ºC E 4ºC, DIMINUI DE VOLUME QUANDO A TEMPERATURA AUMENTA. NESTE INTERVALO, A ÁGUA SE CONTRAI; AUMENTANDO A TEMPERATURA ALÉM DE 4ºC, Á ÁGUA VOLTA A DILATAR-SE.

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Figuras 15-13

TENSÃO TÉRMICA DOS SÓLIDOS QUANDO SE PRENDE RIGIDAMENTE AS EXTREMIDADES DE UMA BARRA DE MODO QUE IMPEÇA SUA DILATAÇÃO OU COMPRESSÃO E A SEGUIR PRODUZ-SE UMA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA, SURGEM TENSÕES DE DILATAÇÃO OU DE COMPRESSÃO CHAMADAS DE TENSÕES TÉRMICAS. AS TENSÕES RESULTANTES PODEM SE TORNAR SUFICIENTEMENTE ELEVADAS AO PONTO DE DEFORMAR A BARRA DE FORMA IRREVER_ SÍVEL OU ATÉ MESMO DESTRUÍ-LA.

PARA DETERMINAR A TENSÃO TÉRMICA EM UMA BARRA PRESA, CALCULAMOS A DILATA_ ÇÃO(OU CONTRAÇÃO) QUE OCORRERIA CASO ELA NÃO ESTIVESSE PRESA E A SEGUIR ACHAMOS A TENSÃO NECESSÁRIA PARA COMPRIMI-LA(OU ESTICÁ-LA) ATÉ QUE ELA ATINJA SEU COMPRIMENTO ORIGINAL. ENTÃO,

TY A F

 

• PARA UMA DIMINUIÇÃO DE TEMPERATURA, T NEGATIVA, CONCLUÍMOS QUE F E F/A SÃO GRANDEZAS POSITIVAS; ISTO SIGNIFICA QUE A TENSÃO E A DEFOR_ MAÇÃO DEVEM SER DE DILATAÇÃO PARA MANTER O COMPRIMENTO CONSTANTE.

• QUANDO T É POSITIVO (AUMENTO DE TEMPERATURA), F E F/A SÃO GRANDEZAS NEGATIVAS, E A DEFORMAÇÃO E A TENSÃO NECESSÁRIAS CORRESPONDEM A UMA COMPRESSÃO DO MATERIAL.

ONDE: Y É O MÓDULO DE YOUNG (COEFICIENTE DE COMPRESSIBILIDADE --> )

oLL AFY

/ /

 

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Figuras 15-14

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Figuras 15-15

EXERCÍCIOS:

1º) VOCÊ COLOCA UM PEDAÇO DE GELO EM SUA BOCA. EVENTUALMENTE, O GELO A UMA TEMPERATURA T1 = 32,00ºF É DERRETIDO E A TEMPERATURA FINAL É A TEMPERATURA DO CORPO T2 = 98,60ºF. EXPRESSE ESTAS TEMPERATURAS EM ºC E K E CALCULE T NAS DUAS ESCALAS.

2º) UM AGRIMENSOR USA UMA FITA DE AÇO QUE POSSUI UM COMPRIMENTO EXATAMENTE IGUAL A 50,000 m A UMA TEMPERATURA DE 20ºC. QUAL É O COMPRIMENTO DA FITA EM UM DIA DE VERÃO QUANDO A TEMPERATURA É IGUAL A 35ºC?

3º) UM FRASCO DE VIDRO COM VOLUME IGUAL A 200cm³ É ENCHIDO A 20ºC COM MERCÚRIO ATÉ A BORDA. QUAL É A QUANTIDADE DE MERCÚRIO QUE TRANSBORDA QUANDO A TEMPE_ RATURA DO SISTEMA SE ELEVA PARA 100ºC? O COEFICIENTE DE DILATAÇÃO LINEAR DO VIDRO É IGUAL A 0,40x10-5 K-1.

4º) UMA METALÚRGICA AJUSTA UM PISTÃO DE ALUMÍNIO DE 85 mm DE DIÂMETRO A UM MOTOR CUJO CILINDRO É DE FERRO E TEM UM DIÂMETRO INTERNO DE 85,065 mm A UMA TEMPERATURA DE 25ºC. DETERMINE A TEMPERATURA MÁXIMA DE REGIME DE TRABALHO DO MOTOR, PARA QUE SEU DESEMPENHO NÃO SEJA AFETADO.

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