Este documento discute os conceitos fundamentais da termodinâmica, incluindo temperatura, calor, dilatação térmica e a Primeira Lei da Termodinâmica. Fornece exemplos para ilustrar esses conceitos e discute os mecanismos de transferência de calor, como condução, convecção e radiação.

1. Física 2
Temperatura, Calor e a
Primeira Lei da
Termodinâmica
Prof. Dr. Walmor Cardoso Godoi
Departamento de Física - DAFIS
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR
URL: http://www.walmorgodoi.com/utfpr
E-mail: walmorgodoi@utfpr.edu.br

2. Referências
• Fundamentos de Física - Volume 2 : Autores
Halliday e Resnick, vol. 2, 9ª ed., Cap 18.
• Física II Termodinâmica e Ondas : Autores
Sears e Zemanski, vol. 2, 12ª ed., Cap 17

3. Introdução
Termodinâmica
Estudo das leis que regem a relação entre calor
e energia.

4. Temperatura
• Grandeza fundamental do S.I.
• Escala kelvin (K)
• Não existe limite superior para T, mas existe
limite inferior (0 K)
• Universo
– 1039 K há 13,7 bilhões de anos
– Hoje T = 3 K.

5. A Lei Zero da Termodinâmica
líquido
barra de metal
0463,35
gás
Termoscópio
resistência elétrica
infravermelho
Elemento sensível ao calor.
Qual tipo de sensor térmico você
utilizaria?

6. A Lei Zero da Termodinâmica

7. PRINCÍPIO ZERO DA TERMODINÂMICA
Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio
térmico com um terceiro corpo T, A e B estão em equilíbrio
térmico entre si.
a
c
a
b
c
b
Enquanto houver transferência de calor as propriedades de b
e de c modificam-se

8. Medindo a Temperatura
ou 0,01 oC

9. Medindo a Temperatura
da água

10. Comportamento anômalo da água
Ponto vapor-líquido crítico de um material,
a partir do qual a distinção entre fase a
líquida e gasosa não existe.
Em água, o ponto crítico ocorre em cerca
http://fge.if.usp.br/~oliveira/term082ed.pdf
de 647 K. (374 ° C; 705 ° F) e
22,064 MPa (218 atm)

13. O Termômetro de Gás a V = cte

14. O Termômetro de Gás a V = cte

15. Guillaume Amontons, 1663-1705
Tmin => p=0
Zero absoluto = -273,16 oC = 0 K
0 oC = 273,15 K

16. http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature

17. As Escalas Celsius e Fahrenheit
oC
K
oF
Celsius
Ponto Triplo
273,16 K
0,01 oC
32,02 oF
0K
-273,15 oC
- 459, 67 oF
Fahrenheit
Zero absoluto

18. Exemplo 1
Em uma escala linear de temperatura X, a
água evapora a -53,5 oX e congela a -170 oX.
Qual o valor da temperatura de 340 K na
escala de temperatura X?
Resposta: Tx=-92,1 oX

19. Dilatação Térmica

21. Dilatação Térmica
Dilatação Linear
Dilatação Superficial
Dilatação Volumétrica

22. Dilatação Térmica
• Dilatação da água
Fenômeno anômalo da água

23. Dilatação Linear

24. Dilatação volumétrica

25. Exemplo 2
T

26. Temperatura e Calor
“Calor é a energia trocada entre um sistema e o
ambiente devido a uma diferença de
temperatura”

27. Unidade de Quantidade de Calor
1 caloria (cal) é definida como
sendo o calor trocado quando a
massa de um grama de água
passa de 14,5 oC para 15,5 oC.
1 cal = 4,1868 J (exatamente)
1 Btu = 252,2 cal = 0,2522 kcal= 1055,05585 J
BTU (também pode ser escrito Btu) é um acrônimo para British Thermal Unit (ou
Unidade térmica Britânica)
Unidade no SI para calor : Joule

28. Temperatura e Calor

29. Temperatura e Calor

30. Temperatura e Calor

32. Absorção de Calor por Sólidos e
Líquidos
Capacidade Térmica ou capacidade Calorífica.
• A capacidade de perder ou absorver calor que um
determinado corpo tem, em razão da variação de temperatura
sofrida por ele, é definida como Capacidade Térmica ou
Capacidade Calorífera.
http://www.mundoeducacao.com/fisica/capacidade-termica.htm

33. Absorção de Calor por Sólidos e
Líquidos
• Capacidade Térmica
– C é a constante de proporcionalidade entre o calor
Q recebido ou cedido pelo objeto e a variação de
temperatura do objeto
• Exemplo:
Pedra de mármore C= 179 cal/oC (= 179 cal/K=749 J/K)

34. • Calor específico
c=C/m
Pedra de mármore C= 179 cal/oC (=749 J/K) , mas c =
0,21 cal/g oC (ou 880 J/Kg.K)
Calor específico da água= 1 cal/g oC ou 4190 J/kg K

36. Absorção de Calor por Sólidos e
Líquidos
• Calor específico molar
M: mol ou massa molar
n: número de moles
1 mol = 6,02 x 10 23 unidades elementares
Exemplo: 1 mol de Al,
1 mol de Al2O3 (Massa molar: 101,96 g/mol)
M(água) = 18,0 g/mol (1 mol de água possui massa igua a 18 g)

37. Calor de Transformação

38. Calor de Transformação
• Calor de transformação L – quantidade de
energia por unidade de massa que deve ser
transferida para que uma amostra mude de
fase
Q=Lm
Lv: calor de vaporização ( líquido ↔ gasoso)
Lf: calor de fusão (sólido ↔ líquido)
Exemplo: água (Lv= 539 cal/g, Lf=79,5 cal/g)

39. substituindo

40. Exemplo 4
• Um nutricionista aconselha as pessoas que
querem perder peso a beber água gelada,
alegando que o corpo precisa queimar
gordura para aumentar a temperatura da água
de 0,00 oC para a temperatura do corpo 37,0
oC. Quantos litros de água gelada uma pessoa
precisaria beber para queimar 0,5 kg de
gordura, supondo que ao ser queimada essa
quantidade de gordura, 3500 kcal são
transferidas para a água?
R: 96 litros

41. Calor e Trabalho
TRABALHO: Transferência de energia
CALOR: Transferência de energia devida
W=F.d
a uma diferença de temperatura entre
o sistema e as vizinhanças (Q).
UNIDADE: 1 J = 1 kg.m2.s-2

42. Calor e Trabalho

44. A Primeira Lei da Termodinâmica
Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se
sob diferentes formas como calor e trabalho.
A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas a quantidade
total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se.
A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE
Variação na energia
interna do sistema
Calor
trocado
pelo
sistema
Trabalho
realizado pelo
sistema

45. Casos especiais da 1ª Lei

46. Casos especiais da 1ª Lei

48. Exemplo 5
• Suponha que 1,00 kg de água a 100 oC seja
convertido em vapor a 100 oC à pressão
atmosférica padrão (1,00 atm=1,01 x105Pa). O
volume da água varia de um valor inicial de
1,00 x 10-3 como líquido para 1.671 m3 como
vapor.
• A) W?
• B) Energia transferida na forma de calor?

49. Mecanismos de Transferência de Calor
•
•
•
•
•
Condução
Resistência térmica
Condução através de uma placa composta
Convecção
Radiação