Fundamentos de Física 9ª Edição Vol 2 - Halliday 2 ED 9 (em cores)

.. PARTE 2 :~ :
TEMPERATURA, CALOR E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 207
Dilatação T érmic~ Todos os obj~tos variam de trunanho quando
a temperatura varia. Para u1na vanação de temperatura t::.T. uma
variação t::.L de qualquer dimensão linear L é dada por
6.L = La 11T, (18-9)
onde a é o coeficiente de dilatação linear. A variação t::. V do volume
V de um sólido ou de um líquido é dada por
6. V= V/3 6.T, (18-10)
onde-,3 = 3a é o coeficiente dédilatação volumétrica.
Calor Calor (Q) é~ energia transferida de um sistema para O ambiente
ou vice-versa em virtude de uma diferença de temperatura. O
calor podttser medido em joules (J), calorias (cal), quilocalorias
(C~ ou kcal), o~ British thermal units (Btu), onde
1 cal
1
3,968 X 10- 3 Btu = 4,1868 J. (18-12)
Capacidade Térmica e Calor Est,ecífico
Se uma quantidade
de calor Q é absorvida por um objeto, a variação de temperatura do
objeto, T 1
- r;, está relacionada a Q através da equação
(18-13)
em que C é a capacidade térmica do objeto. Se o objeto tem massa
nz,
Q = cm(T 1 - T;), (18-14)
em que e é o calor específico do material de que é feito o objeto.
O calor específico molar de um material é a capacidade térmica
por mol. Um mol equivale a 6,02 X 10 23 unidades elementares do
material.
Calor de Transformação O calor absorvido por um material
pode mudar o estado físico do material, fazendo-o passar, por exemplo,
do estado sólido para o estado líquido ou do estado líquido para
o estado gasoso. A quantidade de energia por unidade de massa necessária
para mudar o estado (mas não a temperatura) de um material
é chamada de calor de transformação (L). Assim,
Q=Lm. (18-16)
O calor de vaporização L., é a quantidade de energia por unidade de
massa que deve ser fornecida para vaporizar um líquido ou que deve
ser removida para condensar um gás. O calor de fusão LF é a quantidade
de energia por unidade de massa que deve s_er_ fornecida ~ar~ fundir
um sólido ou que deve ser removida para solidificar um liquido.
Trabalho Associado a uma Variação de Volume Um gás
. · és do trabalho. O trabalho
pode trocar energia com o ambiente atrav .
. ndir ou se contrair de um
i\ 1 rcahzado por um gás quando ao se expa
,olume inicial V, para um volume final V1é dado por
•
("1
i,\I = dW == Jv, JJ dV .
f
(18-25)
A integração é necessru·ia porque a pressão p pode variar durante a
vruiação de volume.
Primeira Lei da Termodinâmica A lei de conservação da energia
para processos termodinâmicos é expressa através da primeira
lei da termodinâmica, que pode assumir duas formas:
ou
dEint = dQ - dW
(pri1neira lei),
(pàmeira lei)
(18-26)
(18-27)
em que Eini é a energia interna do material, que depende apenas
do estado do material (temperatura, pressão e volume), Q é a
energia trocada entre o sistema e o ambiente na forma de calor
(Q é positivo se o sistema absorve calor e negativo se o sistema
libera calor) e W é o trabalho realizado pelo sistema (W é positivo
se o sistema se expande contra uma força externa e negativo
se o sistema se contrai sob o efeito de uma força externa). Q e
W são grandezas dependentes da trajetória; ÂEint é independente
da trajetória.
Aplicações da Primeira Lei A primeira lei da termodinâmica
pode ser aplicada a vários casos especiais:
processos adiabáticos: Q = O, 6.Eint = - W
processos a volume constante: W = O, 6.Eint = Q
processos cíclicos: LlEint = O, Q = W
expansões livres: Q = W = 6.Eint = O
Condução, Convecção e Radiação A taxa Pcond com a qual a
energia é conduzida através de uma placa cujas faces são mantidas
nas temperaturas TQ e TF é dada pela equação
P, = -ª._ = kA TH - Te
cond t L
(18-32)
em que A e L são a área e a espessura da placa e k é a condutividade
térmica do material.
A convecção é uma transferência de energia associada ao
movimento em um fluido produzido por diferenças de temperatura.
A radiação é uma transferência de energia através de ondas
eletromagnéticas. A taxa P rnd com a qt1al um objeto emite energia
por radiação térmica é dada por
(18-38)
em que u (= 5,6704 X 10- s W/m 2 • K 4 ) é a constante de Stefan­
Boltzmann, s é a emissividade da superfície do objeto. A é a área
da superfície e Té a temperatura de sua superfície (em kelvins). A
taxa P abs com a qual um objeto absorve energia da radiação térmica
do ambie11te, qt1ando este se encontra a uma temperatura unif onne
T .unb (em kelvins), é dada por
{ 18-39)
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