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Termologia - I-Termometria

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Aula sobre os conteúdos de Termometria, temperatura, termômetros e dilatação térmica do Ensino Médio.

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Termologia - I-Termometria

  1. 1. Professor MarcoAntonio
  2. 2. • observações macroscópicas • interpretações microscópicas
  3. 3. Termologia Quente ou frio?
  4. 4. Termologia Temperatura é uma grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de um corpo ou sistema físico.
  5. 5. Termologia Portanto, a temperatura indica o nível de energia térmica média das partículas. Energia térmica é a soma das energias cinéticas decorrentes da agitação das partículas que constituem a matéria. Mas cuidado!! Dois corpos podem apresentar temperaturas iguais (mesmo grau de agitação térmica), mas possuir energias térmicas totais diferentes.
  6. 6. Calor:aquecimentoeresfriamento Calor é a energia térmica em trânsito transferida de um corpo a outro devido à diferença de temperatura existente entre eles. Quando as temperaturas dos corpos se igualam, dizemos que eles atingiram o equilíbrio térmico!
  7. 7. Calor:aquecimentoeresfriamento Assim, vamos definir a lei zero da Termodinâmica: Portanto, o equilíbrio térmico é caracterizado pela igualdade das temperaturas dos corpos. Uma vez alcançada essa situação, não há mais transferência de calor entre eles. Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico entre si. Testes Propostos: Página 24-25 (T1 a T7)
  8. 8. Estadosdeagregaçãodamatéria Como sabemos, a água pode se apresentar como líquido, sólido ou vapor, podendo passar de uma situação para outra, como mostra a figura 2.
  9. 9. Estadosdeagregaçãodamatéria Sólido, líquido e gasoso são os estados de agregação da matéria: • No estado sólido, as forças de coesão são muito intensas, restringindo o movimento das moléculas a uma ligeira vibração em torno de uma posição média. As moléculas, fortemente coesas, dispõem- se com regularidade, geralmente formando uma rede cristalina. Assim, os sólidos apresentam forma e volume definidos.
  10. 10. Estadosdeagregaçãodamatéria Sólido, líquido e gasoso são os estados de agregação da matéria: • No estado líquido, as distâncias entre as moléculas são, em média, maiores que no estado sólido As forças de coesão ainda são consideráveis, e há pouca movimentação das moléculas. Assim, os líquidos apresentam volume definido, mas sua forma é variável, adaptando-se à forma do recipiente que o contém. • No estado gasoso, as forças de coesão entre as moléculas têm intensidade muito pequena, possibilitando uma movimentação bem mais intensa. Assim, os gases e vapores não apresentam forma ou volume definidos.
  11. 11. Estadosdeagregaçãodamatéria
  12. 12. Termometria A temperatura é medida por meio de aparelhos chamados de termômetros.
  13. 13. Termômetroseescalastermométricas A experiência mostra que algumas características físicas dos corpos variam com a mudança de temperatura, tais como: • o comprimento de uma barra de metal • o volume de um líquido • a pressão de um gás a volume constante • a cor de um corpo Tais característica, denominadas propriedades termométricas são utilizadas no funcionamento dos TERMÔMETROS
  14. 14. Termômetroseescalastermométricas A maneira como se gradua uma escala termométrica é arbitrária, mas nela sempre são indicados dois pontos fixos de estados térmicos bem definidos, sob uma pressão atmosférica normal. São eles: • o ponto do gelo (1º ponto fixo) • o ponto do vapor (2º ponto fixo)
  15. 15. Termômetroseescalastermométricas As principais escalas termométricas que iremos estudar são: • Escala Celsius: atribui o valor de 0°C para o ponto do gelo e 100°C para o ponto do vapor. É dividido em cem partes iguais de 1°C cada. • Escala Fahrenheit: atribui os valores de 32° F e 212°F para os pontos do gelo e do vapor. Assim, o termômetro Fahrenheit pode ser dividido, entre esses dois pontos fixos, em 180 partes (212 menos 32) de 1°F cada. • Escala Kelvin: é conhecida como escala absoluta, é a única em que o zero significa total ausência de agitação térmica.
  16. 16. Termômetroseescalastermométricas Na escala Celsius sobre Kelvin, verificamos que a temperatura do gelo fundente, 0o C, equivale a 273 K e, a ebulição da água a 100°C corresponde ao valor de 373 K. Portanto, a escala Kelvin está igualmente dividida em cem partes de 1 K (um Kelvin) cada uma. Ainda, o zero absoluto, temperatura na qual cessa toda a agitação molecular, mede -273,15o C.
  17. 17. Termômetroseescalastermométricas 𝑇𝐶 5 = 𝑇𝐹 − 32 9 = 𝑇𝑘 − 273 5
  18. 18. Termômetroseescalastermométricas 1- Um termômetro indica que a temperatura de uma porção de água é 10ºC. Se fosse usado um termômetro graduado na escala Fahrenheit, qual seria a temperatura indicada? 2- Numa cidade da Europa, no decorrer de um ano, a temperatura mais alta no verão foi 86ºF. Determine a temperatura, em graus Celsius, ocorrida naquela cidade. 3- No ser humano, a temperatura corpórea pode variar no intervalo de 35ºC a 42ºC. a) Qual é a variação de temperatura do corpo humano? b) Qual seria a variação dessa temperatura na escala Fahrenheit? 4- Num termômetro digital europeu, lê- se 14 ºF. Qual será essa temperatura na escala Celsius? 5- Uma estudante de enfermagem observa que a temperatura de certo paciente variou, num período, de 5ºC. Qual será variação corresponde na escala Fahrenheit?
  19. 19. Variaçãodetemperatura Considere que a temperatura de um sistema varie de um valor inicial para outro final. Definimos variação de temperatura Δϴ como sendo a diferença entre a temperatura final e a inicial: Agora, considerando que as escala Celsius e Fahreinheit possuem diferentes divisões, podemos estabelecer uma relação entre a variação de temperatura nas duas escalas: ΔΘ=Θf−Θi ou
  20. 20. Termômetroseescalastermométricas R.1 A temperatura média do corpo humano é 36 °C. Determine o valor dessa temperatura na escala Fahrenheit. R.2 Dois termômetros, um graduado na escala Celsius e o outro na escala Fahrenheit, fornecem a mesma leitura para a temperatura de um gás. Determine o valor dessa temperatura. R.3 Certa escala termométrica adota os valores -20 e 580, respectivamente, para os pontos do gelo e do vapor. Determine: a) a fórmula de conversão entre essa escala e a escala Celsius; b) a indicação que nessa escala corresponde a 20 °C.
  21. 21. Termômetroseescalastermométricas R.4 Uma escala termométrica X relaciona-se com a escala Celsius, segundo o gráfico apresentado a seguir, no qual as ordenadas representam os valores de ϴX (temperaturas expressas na escala X) e as abscissas os valores de ϴC (temperaturas expressas na escala Celsius). a) Estabeleça a fórmula de conversão entre as escalas X e Celsius. b) Determine a temperatura registrada por um termômetro graduado na escala X quando a temperatura for 50 °C. c) Determine que temperatura registra um termômetro graduado na escala Celsius para um sistema em que o termômetro graduado na escala X registra 10 °X. d) Há uma temperatura em que os dois termômetros (graduados na escala X e na escala Celsius, respectivamente) registram valores que coincidem numericamente. Qual é essa temperatura?
  22. 22. R.5 Em certo dia, na cidade de Salvador, o serviço de meteorologia anunciou a temperatura máxima de 40 °C e a mínima de 25 °C. a) Qual é a variação de temperatura entre os instantes em que foram assinaladas as temperaturas máxima e mínima? b) Qual é o valor dessa variação de temperatura expresso na escala Fahrenheit? R.5 Num termômetro de mercúrio, a coluna líquida apresenta 0,4 cm quando em presença do gelo em fusão (0 °C) e 20,4 cm em presença de vapores de água em ebulição (100 °C). Determine: a) a função termométrica desse termômetro na escala Celsius; b) a temperatura indicada por esse termômetro quando sua coluna líquida apresenta 8,4 cm de altura. Termômetroseescalastermométricas
  23. 23. EscalaabsolutaKelvin A origem da escala Kelvin é o zero absoluto e a unidade adotada é o kelvin (símbolo K), cuja extensão é igual à do grau Celsius (°C). Assim, uma variação de temperatura de 1 °C corresponde a uma variação de temperatura de 1 K.
  24. 24. EscalaabsolutaKelvin R.8 A temperatura corporal humana pode variar entre 35 °C e 42 °C na escala Celsius. a) Determine os valores desses limites na escala absoluta Kelvin. b) Calcule a variação de temperatura (nas escalas Celsius e Kelvin) quando a temperatura de uma pessoa se altera do menor para o maior dos valores citados acima.
  25. 25. Dilataçãotérmicanossólidos
  26. 26. Dilataçãotérmicanossólidos
  27. 27. Dilataçãotérmicanossólidos
  28. 28. Dilataçãotérmicanossólidos Todos os corpos existentes na natureza, sólidos, líquidos ou gasosos, quando em processo de aquecimento ou resfriamento, ficam sujeitos à dilatação ou contração térmica.
  29. 29. Dilataçãotérmicanossólidos Esse processo de contração e dilatação dos corpos ocorre em virtude do aumento ou diminuição do grau de agitação das moléculas que constituem os corpos.
  30. 30. Dilataçãotérmicanossólidos Apesar da dilatação térmica ser sempre uma dilatação volumétrica, pois as moléculas afastam-se umas das outras em qualquer direção, podemos analisar a dilatação: • dilatação linear – aumento de uma das dimensões do corpo, como o comprimento de uma barra (fig. A);
  31. 31. Dilataçãotérmicanossólidos Apesar da dilatação térmica ser sempre uma dilatação volumétrica, pois as moléculas afastam-se umas das outras em qualquer direção, podemos analisar a dilatação: • dilatação superficial – aumento da área de uma superfície, como a de uma placa (fig. B);
  32. 32. Dilataçãotérmicanossólidos Apesar da dilatação térmica ser sempre uma dilatação volumétrica, pois as moléculas afastam-se umas das outras em qualquer direção, podemos analisar a dilatação: • dilatação volumétrica – aumento do volume do corpo (fig. C).
  33. 33. Dilataçãotérmicanossólidos Dilatação Linear: é a dilatação que se caracteriza pela variação no comprimento do corpo. Onde: • α é o coeficiente de dilatação térmica linear, cuja unidade é o °C-1, que depende da natureza do material que constitui o corpo; • Lo é o comprimento inicial do corpo; • ΔL é a variação do comprimento (dilatação) do corpo; • Δθ é a variação da temperatura do corpo. ∆𝐿 = 𝐿 𝑜. 𝛼. Δ𝜃 Essa variação pode ser calculada a partir da seguinte equação matemática:
  34. 34. Dilataçãotérmicanossólidos R.9 Uma barra apresenta, a 10 °C, comprimento de 90 m, sendo feita de um material cujo coeficiente de dilatação linear médio vale 19.10 -6 ºC -1 . A barra é aquecida até 20 °C. Determine: a) a dilatação ocorrida; b) a dilatação relativa, expressa em porcentagem; c) o comprimento final da barra. R.11 O gráfico mostra como varia o comprimento de uma barra metálica em função da temperatura. a) Determine o coeficiente de dilatação linear médio do metal, no intervalo de temperatura considerado. b) Considerando que o gráfico continue com as mesmas características para θ > 40ºC, determine o comprimento da barra a 70 °C. Exercícios página 54: 22-23 e 25
  35. 35. Dilataçãotérmicanossólidos Dilatação superficial: é a dilatação que se caracteriza pela variação na do corpo. Onde: • β é o coeficiente de dilatação térmica superficial, cuja unidade é o °C-1, que depende da natureza do material que constitui o corpo; • So é a superfície (área) inicial do corpo; • ΔS é a variação da superfície (dilatação) do corpo; • Δθ é a variação da temperatura do corpo. ∆𝑆 = 𝑆 𝑜. 𝛽. Δ𝜃 Essa variação pode ser calculada a partir da seguinte equação matemática: 𝛽 = 2𝛼
  36. 36. Dilataçãotérmicanossólidos Dilatação superficial
  37. 37. Dilataçãotérmicanossólidos R.13 Uma placa apresenta inicialmente área de 1 m2 a 0 °C. Ao ser aquecida até 50 °C, sua área aumenta de 0,8 cm². Determine o coeficiente de dilatação superficial β e o coeficiente de dilatação linear médio α do material que constitui a placa. Exercícios página 57: 29 e 30
  38. 38. Dilataçãotérmicanossólidos Dilatação volumétrica: é a dilatação que se caracteriza pela variação no volume do corpo. Onde: • γ é o coeficiente de dilatação térmica superficial, cuja unidade é o °C-1, que depende da natureza do material que constitui o corpo; • Vo é o volume inicial do corpo; • ΔV é a variação do volume (dilatação) do corpo; • Δθ é a variação da temperatura do corpo. ∆𝑉 = 𝑉𝑜. 𝛾. Δ𝜃 Essa variação pode ser calculada a partir da seguinte equação matemática: γ = 3𝛼
  39. 39. Dilataçãotérmicanossólidos R.15 O coeficiente de dilatação linear médio de um sólido homogêneo é 12,2.10 -6 ºC -1 . Um cubo desse material tem volume de 20 cm³ a 10 °C. Determine: a) o aumento de volume sofrido pelo cubo quando sua temperatura se eleva para 40 °C; b) a dilatação relativa correspondente, expressa em porcentagem. R.16 Um tubo de ensaio apresenta, a 0 °C, um volume interno (limitado pelas paredes) de 20 cm³. Determine o volume interno desse tubo a 50 °C. O coeficiente de dilatação volumétrica médio do vidro é 25.10 -6 ºC -1 para o intervalo de temperatura considerado. Exercícios página 59: 33 e 34
  40. 40. Dilataçãotérmicanossólidos
  41. 41. Dilataçãotérmicanoslíquidos A dilatação volumétrica de um líquido segue uma lei idêntica à da dilatação dos sólidos, válida quando o intervalo de temperatura considerado não é muito grande. Assim, a variação ΔV do volume líquido é diretamente proporcional ao volume inicial V0 e à variação de temperatura ocorrida: ∆𝑉 = 𝑉𝑜. 𝛾. Δ𝜃
  42. 42. Dilataçãotérmicanoslíquidos Como o líquido está contido em um recipiente sólido, que também se dilata, a medida da dilatação do líquido é calculada indiretamente. Assim, a parte do líquido que extravasa é chamada de dilatação aparente do líquido. Observe que, o coeficiente de dilatação aparente de um líquido é dado pela diferença entre o coeficiente de dilatação real do líquido e o coeficiente de dilatação volumétrica do recipiente. 𝛾𝑎𝑝 = 𝛾𝑙í𝑞- 𝛾 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝
  43. 43. R.17 Um recipiente de vidro de coeficiente de dilatação linear médio 9.10 -6 ºC -1 tem volume de 100 cm³ a 0 °C, estando completamente cheio com um líquido. Ao aquecer esse recipiente até 200 °C, extravasam 5 cm³ de líquido. Determine: a) o coeficiente de dilatação aparente do líquido; b) o coeficiente de dilatação real do líquido. Exercícios página 62: 36 e 37 Dilataçãotérmicanoslíquidos
  44. 44. Dilataçãoanômaladaágua • A maioria das substâncias, durante a fusão, aumenta de volume e, na solidificação, diminui de volume. • A água é uma das exceções: ela diminui de volume na fusão e aumenta de volume na solidificação. • Essa dilatação irregular é o que permite ao gelo flutuar na água líquida.
  45. 45. Dilataçãoanômaladaágua Situação 1: volume do gelo aumenta com o aumento de temperatura abaixo de 0 °C, valendo a dilatação térmica. Situação 2: volume diminui na fusão à temperatura constante de 0 °C. Situação 3: volume da água diminui com o aumento de temperatura de 0 °C a 4 °C. Situação 4: o volume da água aumenta com o aumento de temperatura acima de 4 °C, valendo a dilatação térmica. Gráfico do volume em função da temperatura, sob pressão de 1 atm
  46. 46. Dilataçãoanômaladaágua O comportamento particular da água explica por que certos lagos congelam apenas na superfície, e a água no fundo permanece líquida. Observe a figura abaixo:
  47. 47. 1. Com a finalidade de compensar a dilatação que ocorre nos trilhos de uma estrada de ferro, é deixado um vão ou folga de 0,036% do comprimento de cada barra, à temperatura de 20°C. Calcule o coeficiente de dilatação linear do ferro, se aos 50°C as extremidades dos trilhos se tocam. 2. Uma placa retangular, de vidro comum, de 50 cm de comprimento e 20 cm de largura, tem a temperatura elevada de 10 °C até 30 °C. Então, qual será a área final da superfície dessa placa? Dado: α = 8.10-6 ºC-1 3. Um bloco cúbico, de vidro comum, de 5 cm de aresta, tem sua temperatura elevada de 27 °C até 57 °C. Calcule o volume final desse cubo. Dado: α = 8.10-6 ºC-1 4. Um objeto tem uma cavidade cuja capacidade é de 8 mL, a 20 °C. Ele é aquecido até 120 °C. O material homogéneo e isótropo desse objeto tem coeficiente de dilatação linear igual a 2.10-5 °C-1. Qual é, nessas condições, a variação da capacidade volu- métrica da cavidade?
  48. 48. 1. (PUC-RJ) Uma porca está muito apertada no parafuso. O que você deve fazer para afrouxá-la? a) É indiferente esfriar ou esquentar a porca. b) Esfriar a porca. c) Esquentar a porca. d) É indiferente esfriar ou esquentar o parafuso. e) Esquentar o parafuso. 2. Muitas vezes, quando colocamos dois copos de vidro idênticos um dentro do outro, eles acabam por ficar “presos”, dificultando a separação deles. Pense em um procedimento que permita separá-los, sem que se quebrem, utilizando água quente e/ou água fria.
  49. 49. 3. (Ufmg) João, chefe de uma oficina mecânica, precisa encaixar um eixo de aço em um anel de latão, como mostrado nesta figura: À temperatura ambiente, o diâmetro do eixo é maior que o do orifício do anel. Sabe-se que o coeficiente de dilatação térmica do latão é maior que o do aço. Diante disso, são sugeridos a João alguns procedimentos, descritos nas alternativas a seguir, para encaixar o eixo no anel. Assinale a alternativa que apresenta um procedimento que NÃO permite esse encaixe. a) Resfriar apenas o eixo. b) Aquecer apenas o anel. c) Resfriar o eixo e o anel. d) Aquecer o eixo e o anel. e) Aquecer ambos ao mesmo tempo.

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