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Física D - Aula 6

Termodinâmica

A Termodinâmica é a parte da Física Clássica que estuda os sistemas térmicos, os processos de transformações físicas que ocorrem em tais sistemas, bem como as trocas de energia, calor e o trabalho mecânico.

Temperatura

Temperatura e calor são grandezas básicas no estudo da termofísica e tanto a sua compreensão como a sua perfeita distinção são de importância vital para o entendimento de toda a termofísica. De maneira simplificada pode-se definir que temperatura como uma grandeza que permite avaliar o nível de agitação das moléculas de um corpo. De acordo com a teoria cinética dos gases, as moléculas de um gás movem-se livre e desordenadamente em seu interior, separadas umas das outras, e apenas interagindo entre si durante colisões eventuais. A medida que se aquece o gás, a velocidade com que suas moléculas se movem aumenta, caracterizando um aumento na energia cinética dessas moléculas, da mesma forma um resfriamento do gás provoca a diminuição da velocidade e da energia cinética de suas moléculas. Como a velocidade e conseqüentemente a energia cinética de cada átomo que constitue uma molécula não é a mesma, o estado térmico de um corpo é avaliado pela energia cinética média de seus átomos: quanto maior for a energia cinética média das partículas que compõem um corpo, maior será a sua temperatuta.

Calor

Colocando dois corpos de temperaturas diferentes em contato térmico, observamos o mais quente esfriar e o mais frio esquentar. O corpo mais quente perde calor e o corpo mais frio ganha calor. Os corpo trocarão calor até a atingirem a mesma temperatura, neste caso estarão em equilíbrio térmico. Essa é a chamada lei zero da Termodinâmica.

Portanto o calor é a energia em trânsito do corpo mais quente para o corpo mais frio por causa da diferença de temperatura dos corpos em contato térmico. Então, a unidade de medida de calor é a mesma unidade de energia.

No Sistema Internacional, a unidade de energia é o joule ou $J$, e na Química se usa a caloria ou $cal$. A equivalência entre as unidades é:


\begin{displaymath}1\; cal = 4,186\; J\end{displaymath}

Escalas Termométricas

Dentre os diversos tipos, estudaremos as escalas termométricas a partir do termômetro de mercúrio, o mais simples e comum. É constituído de uma haste oca de vidro, ligada a um bulbo contendo mercúrio. Ao ser colocado em contato com um corpo ou ambiente cuja temperatura se quer medir, o mercúrio se dilata ou contrai, de forma que cada comprimento de sua coluna corresponde a um valor de temperatura. A parede da haste é graduada convenientemente, para indicar a temperatura correspondente a cada comprimento da coluna de mercúrio.

As escalas termométricas mais importantes são a Celsius, a Fahrenheit e a Kelvin, e são atribuídos aos pontos fixos (ponto de fusão $P_F$ e ponto de ebulição da água $P_E$), os valores abaixo:

Figura 19.1: Os pontos de referência nas diferentes escalas.
\begin{figure}\begin{center}
\epsfig{file=fd/06/escalas.eps,width=150pt}
\end{center}
\end{figure}

Conversão de Temperaturas

Embora usualmente se empregue o grau celsius (${}^\circ C$) como unidade prática de temperatura, a conversão entre escalas é muito importante, pois o kelvin é a unidade de temperatura do SI, e o grau fahrenheit (${}^\circ F$) ainda é bastante utilizado em livros e filmes de língua inglesa. A relação entre as escalas termométricas pode ser obtida facilmente através de proporções matemáticas. Imagine-se três termômetros de construção idêntica, cada um graduado em uma das escalas (Celsius , Fahrenheit e Kelvin), em equilíbrio térmico com um mesmo corpo. Obviamente, os três termômetros estarão indicando o mesmo estado térmico e, portanto, apresentarão as colunas de mercúrio no mesmo nível. Observando-se os pontos fixos já definidos para cada escala, e chamando de $T_C$,$T_F$ e $T$, as temperaturas do corpo nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, respectivamente, podem-se estabelecer as proporções:


\begin{displaymath}\frac{T_C - 0\; {}^\circ C }{100 \; {}^\circ C - 0 \; {}^\cir...
...rc F - 32\; {}^\circ F} =
\frac{T-273\; K}{373\; K - 273\; K}\end{displaymath}

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\begin{displaymath}\frac{T_C}{5\; {}^\circ C} =
\frac{T_F - 32\; {}^\circ F}{9\; {}^\circ F} =
\frac{T-273\; K}{5\; K}\end{displaymath}

Observe que ambas as escalas Celsius e Kelvin são centígradas, pois o intervalo e calibração (do ponto de fusão do gelo ao de ebulição da água) é dividido em 100 graus, ou 100 partes. Na escala Fahrenheit, este intervalo é subdividido em 180 partes (graus frahrenheit).

Intervalos de Temperatura

Converter temperaturas de uma escala para a outra não é o mesmo que converter intervalos de temperatura entre as escalas. Exemplo, um intervalo de temperatura de $10\; {}^\circ C$ corresponde, na escala absoluta (ou Kelvin) a um intervalo de $10 \; K$, e na escala Fahrenheit, o intervalo correspondente será de $18\; {}^\circ F$, pois para cada grau celsius, temos 1,8 grau fahrenheit.

A menor temperatura que existe na natureza é o chamado zero absoluto ou seja, $0\; K$. Por isso a escala Kelvin é dita absoluta. Nas outras escalas, os zeros foram escolhidos arbitrariamente, não levando em conta a possibilidade de haver uma menor temperatura possível na natureza, o que só foi descoberto depois da criação das primeiras escalas térmicas.

Pense um Pouco!

Exercícios de Aplicação


1. Ao tomar a temperatura de um paciente, um médico só dispunha de um termômetro graduado na escala Fahrenheit. Se o paciente estava com febre de $42 \; {}^\circ C$, a leitura feita pelo médico no termômetro por ele utilizado foi de :
a) $104 \; {}^\circ F$
b) $107,6 \; {}^\circ F$
c) $72 \; {}^\circ F$
d) $40 \; {}^\circ F$
e) $106,2 \; {}^\circ F$


2. (URCAMP-SP) No interior de um forno, um termômetro Celsius marca $120 {}^\circ C$. Um termômetro Fahrenheit e um Kelvin marcariam na mesma situação, respectivamente:
a) $248 \;{}^\circ F$ e $393 \; K$
b) $198 \;{}^\circ F$ e $153 \; K$
c) $298 \;{}^\circ F$ e $153 \; K$
d) $393 \;{}^\circ F$ e $298 \; K$
e) nenhuma resposta é correta


3. (ACAFE) Uma determinada quantidade de água está a uma temperatura de $55\; {}^\circ C$. Essa temperatura corresponde a:
a) $55 \; {}^\circ F$
b) $328 \; {}^\circ F$
c) $459 \; {}^\circ K$
d) $131 \; {}^\circ F$
e) $383 \; {}^\circ K$

Exercícios Complementares


4. (UEL) Um termômetro foi graduado, em graus Celsius, incorretamente. Ele assinala $1\; {}^\circ C$ para o gelo em fusão e $97\; {}^\circ C$ para a água em ebulição, sob pressão normal. Pode-se afirmar que a única temperatura que esse termômetro assinala corretamente, em graus Celsius é:
a) 12
b) 49
c) 75
d) 25
e) 64


5. (CENTET-BA) Num termômetro de escala $X$, $20\; {}^\circ X$ correspondem a $25 \; {}^\circ C$, da escala Celsius, e $40\; {}^\circ X$ correspondem a $122\; {}^\circ F$, na escala Fahrenheit. Esse termômetro apresentará, para a fusão do gelo e a ebulição da água, os respectivos valores, em ${}^\circ X$:
a) 0 e 60
b) 0 e 80
c) 20 e 60
d) 20 e 80
e) 60 e 80


6. (PUC) Uma revista científica publicou certa vez um artigo sobre o planeta Plutão que, entre outras informações, dizia ``...sua temperatura atinge $-380\; {}^\circ$ ...''. Embora o autor não especificasse a escala termométrica utilizada, certamente se refere à escala:
a) Kelvin
b) Celsius
c) Fahrenheit
d) Kelvin ou Celsius
e) Fahrenheit ou Celsius


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Professor Luciano Camargo Martins
Grupo de Dinâmica Não Linear e Sistemas Dinâmicos Não Lineares
Departamento de Física
Joinville-SC, Brasil
e-mail: dfi2lcm@joinville.udesc.br
página pessoal: www.lccmmm.hpg.com.br