Temperatura, Calor e Primeira Lei da TermodinÃ¢mica

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Prof. Romero Tavares da Silva rapidamente que o sistema chega ao seu estado final antes que possa trocar calos com a vizinhança. Num processo adiabático, Q = 0 e de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica: ∆E Int = - W Processos a volume constante São os chamados processos isométricos. Usando a definição de trabalho executado pelo sistema entre os estados inicial e final, encontramos que: f ∫ W = p dV = 0 if i porque não aconteceu variação de volume. Através da Primeira Lei da Termodinâmica encontramos que: ∆E Int = Q p p i p f f i V i = V f V Processos cíclicos Num processo cíclico o sistema passa por várias transformações, mas ao final do processo ele retorna ao estado inicial. Desse modo, temos que E I = E F e portanto não existe variação de energia interna, logo: Q = W Mecanismos de transferência de Calor A transferência de calor de um ponto a outro de um meio se dá através de três processos diferentes: convecção, radiação e condução. A convecção ocorre tipicamente num fluido, e se caracteriza pelo fato de que o calor é transferido pelo movimento do próprio fluido, que constitui uma corrente de convecção. Um fluido aquecido localmente em geral diminui de densidade e por conseguinte tende a subir sob o efeito gravitacional, sendo substituído por um fluido mais frio, o que gera naturalmente correntes de convecção. O borbulhar da água fervente em uma panela é o resultado de correntes de convecção. A radiação transfere calor de um ponto a outro através da radiação eletromagnética. A radiação térmica é emitida de um corpo aquecido e ao ser absorvida por outro corpo pode aquecê-lo, convertendo-se em calor. O aquecimento solar é uma forma de aproveitamento da radiação solar para a produção de calor. Um ferro em brasa emite radiação térmica e aquece a região que o rodeia. A condução de calor só pode acontecer através de um meio material, sem que haja movimento do próprio meio. Ocorre tanto em fluidos quanto em meios sólidos sob o efeito de diferenças de temperatura. H. Moysés Nussenzveig Curso de Física Básica – Vol2 – 4 a . edição Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo – 2002 Cap 19 www.fisica.ufpb.br/~romero 10
Prof. Romero Tavares da Silva Quando colocamos uma panela com água no fogo, ele começa a aquecer a água. Esse processo inicial de aquecimento se dá por condução de calor, e a parte na superfície da água vai sendo aquecida paulatinamente. No entanto a taxa de aquecimento da água no fundo da panela é maior do que a taxa de aquecimento da água na superfície. A água entre o fundo e a superfície não dá conta da condução do calor que é comunicado através do fogo. Começam a se formar no fundo bolsões de água mais quentes que a vizinhança, e esses bolsões começam a subir para a superfície. Nesse instante a convecção passa a ser o processo principal de condução de calor na panela. E isso acontece por causa da incapacidade da água conduzir calor de maneira adequada nesta panela sobre o fogo. Condução Consideremos dois reservatórios térmicos que estão a temperaturas diferentes L T Q e T F , tais que T Q > T F . Estes dois reservatórios serão conectados por uma placa de área transversal A e comprimento L , conforme mostra a figura ao lado. Vamos supor que a placa está isolada das vizinhanças, de modo que através dela passa apenas o fluxo de calor entre os reservatórios. x Intuitivamente pode-se perceber que a taxa de transferência de calor dQ/dt que flui através da placa é proporcional à sua Reservatório quente Reservatório frio área e a diferença de temperatura entre os T Q T F reservatórios de calor, e inversamente proporcional T Q > T F ao seu comprimento. Ou seja: dQ TQ TF = kA dt L onde a constante de proporcionalidade k é conhecida como condutividade térmica da barra. Se considerarmos uma placa de comprimento ∆x , que una dois reservatórios que têm uma diferença de temperatura ∆T , encontraremos que: dQ dt ∆T = −kA ∆x onde o sinal negativo exprime o fato que o calor flui de temperaturas mais quentes para temperaturas mais frias. Quando tivermos ∆x → 0 , encontraremos que: dQ dt = − kA No estado estacionário, a temperatura na barra não depende mais do tempo t , e o fluxo de calor é o mesmo em qualquer parte da barra. Desse modo dQ/dt é uma constante, e a equação anterior toma a forma: dT dx Ρ = −kA dT dx ⇒ dT Ρ = − dx kA ∴ T F −T Q Ρ = − kA ( x − x ) F Q Cap 19 www.fisica.ufpb.br/~romero 11
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