quinta-feira, 13 de maio de 2010


Escala Kelvin

Como a temperatura de um corpo está relacionada com o grau de agitação de suas moléculas, podemos dizer que as escalas Celsius e Fahrenheit são relativas, uma vez que elas não atribuem o valor zero ao estado de agitação molecular mais baixo.

A temperatura está relacionada à energia de movimento das moléculas de um corpo; assim, ao diminuirmos sua temperatura, suas moléculas ficam mais lentas. Podemos imaginar um estado em que todas as moléculas estão paradas, ou seja, agitação térmica nula correspondendo à temperatura zero, a qual denominamos zero absoluto.

O físico irlandês, Willian Thomson, que recebeu o título de nobreza lorde Kelvin, estabeleceu, em 1848, uma escala absoluta, a chamada Escala Kelvin.

Kelvin verificou experimentalmente que a pressão de um gás diminuía 1/273 do valor inicial, quando resfriado a volume constante de 0 °C para – 1 °C. Como a pressão do gás está relacionada com o choque de suas partículas com as paredes do recipiente, quando a pressão fosse nula, as moléculas estariam em repouso, a agitação térmica seria nula e a sua temperatura também. Conclui, entáo, que isso aconteceria se transformássemos o gás até – 273 °C.

Assim, Kelvin atribuiu o valor zero para este estado térmico e o valor de 1 kelvin a uma extensão igual à do grau Celsius, de modo que o ponto de fusão do gelo corresponde a 273 K e o ponto de ebulição da água corresponde a 373 K (o nome e o símbolo grau kelvin foram abolidos em convenção científica internacional e substituídos simplesmente por kelvin; portanto, ao invés de 10 °K, escreve-se 10 K e lê-se: dez kelvin).

Posteriormente, descobriu-se impossível atingir o estado de agitação molecular nulo; as moléculas têm uma energia mínima denominada energia do ponto zero e o zero absoluto é inatingível na prática. O zero absoluto é obtido por extra.



Convecção
A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é transmitido de átomo a átomo sucessivamente, na convecção a propagação do calor se dá através do movimento do fluido envolvendo transporte de matéria. A descrição e explicação desse processo é simples: quando uma certa massa de um fluido é aquecida suas moléculas passam a mover-se mais rapidamente, afastando-se, em média, uma das outras. Como o volume ocupado por essa massa fluida aumenta, a mesma torna-se menos densa. A tendência dessa massa menos densa no interior do fluido como um todo é sofrer um movimento de ascensão ocupando o lugar das massas do fluidoque estão a uma temperatura inferior. A parte do fluido mais fria (mais densa) move-se para baixo tomando o lugar que antes era ocupado pela parte do fluido anteriormente aquecido. Esse processo se repete inúmeras vezes enquanto o aquecimento é mantido dando origem as chamadas correntes de convecção. São as correntes de convecção que mantêm o fluido em circulação. Este processo está ilustrado na figura abaixo. Para o aquecimento ou resfriamento do ar este é o processo de propagação do calor mais eficiente. Em uma residência, qual seria a melhor posição para se colocar um ar condicionado para que fosse mais eficiente no inverno? E, no verão? Na figura ao lado, temos o aquecimento de uma sala por uma lareira. O ambiente é aquecido, basicamente, tanto pelo processo de radiação quanto por convecção.

Você Sabia? Num ambiente de microgravidade, não há convecção: os gases e líquidos quando são aquecidos não sobem e ao serem resfriados não descem. Quando se acende uma vela, a chama tem uma forma hemisférica, com um núcleo amarelo brilhante. A falta de um fluxo ascendente de ar faz com que a propagação do calor para baixo seja maior ocorrendo unicamente por condução. Após poucos minutos toda a vela derrete. A chama não desaparece e a cera derretida forma uma bola líquida que rodopia em torno do pavio, depositando-se sobre o suporte.



Física Térmica
“A Física Térmica trata do estudo do calor, que é uma forma de energia, bem como de sua transferência, e também da relação dada pela Termodinâmica entre o calor e o trabalho realizado.
O Calor tem papel fundamental para o ser humano. Ele necessita ter seu corpo mantido em temperaturas próximas a 360C, assim necessita de ambientes que sejam refrigerados, com o uso de ar-condicionado, ou aquecidos, com o uso de aquecedores ambientais. É importante para sua alimentação, visto que alguns alimentos devem ser refrigerados, para se manterem frescos, ou cozidos para que possam ser ingeridos.
Esse mesmo calor é importante para que diversas máquinas estejam a seu dispor, como por exemplo, refrigerador, freezer, ar-condicionado, aquecedores, caldeiras, Termógrafo, Aquecedor Solar, Garrafa Térmica, entre outros.
No estudo da Física Térmica é importante que se conheça os processos de transformação de calor, bem como a relação existente entre o calor e o trabalho realizado, estudado através da Termodinâmica que está fundamentada nas Leis da Termodinâmica.”


Lei zero da termodinâmica

"Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si." Por definição, dois corpos possuem a mesma temperatura se estiverem em equilíbrio térmico entre si. A Lei Zero da termodinâmica, permite, também, definir uma escala de temperatura, como por exemplo, as escalas de temperatura Celsius e Fahrenheit. A escala de temperatura Celsius define a temperatura solidificação da água, formando gelo, como sendo zero graus Celsius (0°C) e a de ebulição da água a partir do estado líquido como sendo 100°C. Já a escala Fahrenheit, define a temperatura do gelo como 32°F e a do vapor como 212°F.

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica é a lei de conservação da energia. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor. Esta lei enuncia que a energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna.

A expressão matemática que traduz esta lei para um sistema não-isolado é:

\boldsymbol{\Delta U}=\boldsymbol{\ Q} + \boldsymbol{\ W} + \boldsymbol{\ R}

Podemos dizer que existe uma função U (energia interna) cuja variação durante uma transformação depende unicamente de dois estados, o inicial e o final. Num sistema fechado a indicação desta variação é dada como:

\boldsymbol{\Delta U}=\boldsymbol{\ Q} - \boldsymbol{\ W}

Onde Q e W são, respectivamente, o calor e o trabalho trocados entre o sistema e a sua vizinhança. As quantidades W e Q são expressas algebricamente, sendo positivas quando expressam energia recebida pelo sistema. A quantidade R é nula pois, em sistema fechado, não se verificam absorções nem emissões de radiação.

A energia interna é definida como a soma das energias cinéticas e de interacção de seus constituintes. Este princípio enuncia, então, a conservação de energia.

Sendo K uma constante característica do material denominada condutividade térmica.

Lei de Fourier
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Consideremos um elemento da barra de comprimento dx e secção S. A energia que entra no elemento de volume na unidade de tempo é JS, e a que sai é J’S. A energia do elemento varia, na unidade de tempo, de uma quantidade igual a diferença entre o fluxo entra e o fluxo que sai.

Esta energia, é empregada para mudar a temperatura do elemento. A quantidade de energia absorvida ou cedida (na unidade de tempo) pelo elemento é igual ao produto da massa deste elemento pelo calor específico e pela variação de temperatura.

Igualando ambas as expressões, e tendo em conta a lei de Fourier, obtemos a equação diferencial que descreve a condução térmica


Solução analítica

Suponhamos uma barra metálica de comprimento L, conectada por seus extremos a duas fontes de calor a temperaturas Ta e Tb respectivamente. Seja T0 a temperatura inicial da barra quando conectamos as fontes aos extremos da barra.

Ao cabo de certo tempo, teoricamente infinito, que na prática depende do tipo de material que empregamos, é estabelecido o estado estacionário no qual a temperatura de cada ponto da barra não varia com o tempo. Este estado é caracterizado por um fluxo J constante de energia. A lei de Fourier estabelece que a temperatura variará linearmente com a distância x a origem da barra.

Para descrever o estado transitório buscamos uma solução da forma T(x, t)=F(x)·G(t), variáveis separadas

O sinal negativo assegura o caráter transitório.

Integramos a primeira equação diferencial

Integramos a segunda equação diferencial

É uma equação diferencial similar a de um MHS, cuja solução é a·sen(ωr+δ)

A temperatura em qualquer ponto x ao longo da barra, em um instante determinado, T(x, t) é a solução da equação diferencial, que é uma combinação de dois termos, o que corresponde ao regime permanente mais o do regime transitório.

Condições de contorno

Em x=0, T(0, t)=Ta, temperatura fixa do extremo esquerdo da barra

Em x=L, T(L, t)=Tb, temperatura fixa do extremo direito da barra

O regime variável geral de temperaturas da barra é

Distribuição inicial de temperaturas

Somente, resta por determinar os coeficientes an, identificando esta solução com a distribuição inicial de temperaturas na barra T(x, 0)=T0 no instante t=0.

Mais abaixo, são proporcionados os detalhes do cálculo dos coeficientes an do desenvolvimento em série ao leitor interessado.

A temperatura em qualquer ponto da barra x, em um instante t, é composta da soma de um termo proporcional a x, e de uma série rapidamente convergente que descreve o estado transitório.

O valor de α=K/(ρc) nos da uma medida da rapidez com a qual o sistema alcança o estado estacionário. Quanto maior seja α mais rápido é alcançado o estado estacionário
Atividades

Neste programa, estudaremos a condução do calor ao longo de uma barra metálica cujos extremos estão conectados a duas fontes de calor que tem distintas temperaturas. Observaremos a evolução da temperatura de cada ponto da barra a medida que transcorre o tempo.

Examinaremos os fatores que determinam a condução do calor ao longo de uma barra metálica, provando barras de distintos materiais, com distintas temperaturas fixas dos extremos e inicial da barra.

* Selecione no controle de seleção o Metal da barra. As unidades das grandezas estão expressas no Sistema Internacional de Unidades de Medida.

Metal Densidade Calor específico Condutividade térmica

α
Alumínio 2700 880 209.3 8.81·10-5
Aço 7800 460 45 1.25·10-5
Cobre 8900 390 389.6 11.22·10-5
Latão 8500 380 85.5 2.65·10-5
Prata 10500 230 418.7 17.34·10-5
Chumbo 11300 130 34.6 2.35·10-5

Foente: Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física Elemental. Editorial Mir 1975. págs 36, 74-75, 85-86

Introduza, movendo as flechas de cor azul com o ponteiro do mouse

* A temperatura fixa no extremo esquerdo da barra Ta.
* A temperatura fixa no extremo direito da barra Tb.
* A temperatura inicial da barra T0.
* O comprimento da barra metálica foi fixado no valor de L=0.5 m.


Desenvolver habilidades para relacionar aspectos do entorno social à fenomenologia da Física, vencendo expectativas meramente propedêuticas; desenvolver a capacidade para delinear o contorno de problemas e buscar, por via investigativa, suas possíveis soluções; elaborar intelectualmente a modelagem do conhecimento, ou sua produção, à medida que ao serem apresentados problemas, de forma contextualizada, o usuário é convidado/desafiado a resolvê-los; oportunizar uma maior abrangência dos aspectos tecnológicos relacionados ao desenvolvimento da Física, sem perder de vista sua historicidade. Quanto aos objetivos específicos, esta plataforma de aprendizagem permite explorar uma animação que mostra a emissão de gás carbônico pelo escape dos carros, pela queima de carvão e petróleo e pela fumaça das fábricas, além da emissão de metano por fontes diversas. Assim, os fatores que mais colaboram para a ampliação do efeito estufa poderão ser analisados do ponto de vista físico de seus efeitos na atmosfera da Terra. Um botão permite acesso a um gráfico do histórico de concentração do CO2 na atmosfera da Terra. Na Teoria e no Mapa interativo, será possível consultar os seguintes assuntos: temperatura, calor, atmosfera, radiação solar, efeito estufa, além de um panorama histórico dos temas e algumas de suas aplicações. O conjunto inclui um processo de avaliação interativa a respeito dos assuntos teórico-experimentais abordados.

Sistema de Refrigeração do Carro

O Ciclo de Refrigeração

Os ciclos de refrigeração, isto é, ciclos termodinâmicos de fluidos refrigerantes em equipamentos frigoríficos por compressão de vapor, são adequadamente representados em diagramas P x h (pressão-entalpia, diagrama de Mollier) e diagrama T x s (temperatura-entropia).


Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 22 (Freon 22)

Observe, no diagrama de Mollier, as regiões de líquido sub-resfriado, à esquerda de x = 0, de vapor úmido, 0 < x =" 1.

O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado em equipamentos frigoríficos para produção de frio: para conforto térmico ambiente e para resfriamento e congelamento de produtos.


Frigorífico de produtos por compressão de vapor por expansão direta

O esquema acima representar um sistema frigorífico para produtos: os ovos estão na câmara frigorífica, que é mantida à temperatura baixa pela troca de calor que ocorre no evaporador. O evaporador é um trocador de calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na câmara, movimentado pela ação do ventilador. No evaporador ocorre a evaporação do fluido refrigerante, idealmente um processo isobárico (na realidade, com pequena variação de pressão). Ainda no interior da câmara, próximo do evaporador, está o dispositivo de expansão (a válvula termostática). Este então é um dispositivo frigorífico de expansão direta: a expansão ocorre no ambiente a ser resfriado. No exterior da câmara estão o compressor e o condensador (e outros dispositivos auxuliares, como o vaso acumulador e o filtro). Esse é exatamente o esquema de uma geladeira comum, por compressão de vapor.

Outras possibilidades de sistemas frigoríficos (geladeiras, condicionadores de ar, resfriadores diretos e indiretos, etc) são as de ciclo de gás (não há mudança de fase), absorção (veremos rapidamente mais à frente) e a de efeito Peltier (há alguma informação sobre o efeito Peltier no texto de temperatura em


Veja um sistema indireto: o ambiente (ou processo) será resfriado ou condicionado for um fluido secundário, isto é, um fluido de transferência que não é o refrigerante com o qual opera o ciclo. No caso, figura abaixo, o fluido de trabalho é resfriado pelo refrigerante no evaporador e “transporta o frio” para o ambiente adequado. Um tal sistema é conhecido no meio técnico como “chiller”, do inglês, isto é, um resfriador.

Fisica Termica "Escalas Termométricas"

Temperatura e Dilatação

Será considerada, de acordo com SEARS, ZEMANSKY, YOUNG (1997), a classe dos fenômenos térmicos ou de calor, que necessita da grandeza fundamental: temperatura, sendo que para os estudos de sistemas mecânicos, eram necessários apenas grandezas fundamentais: comprimento, tempo e massa, uma vez que as outras grandezas mecânicas, como força, energia e momento, são expressas em termos dessas três.

Temperatura é uma das sete grandezas fundamentais do SI. Os físicos costumam medir a temperatura usando a escala Kelvin. Embora, aparentemente, a temperatura de um corpo possa ser aumentada indefinidamente, está sujeita a um limite inferior, que tomamos como sendo zero da escala Kelvin. A temperatura ambiente está em torno de 290 Kelvins ou 290 K, acima deste zero absoluto (HALLIDAY, RESNICK, WALKER 1996).

Segundo HALLIDAY, RESNICK, WALKER (1996), o valor de temperatura mais próximos obtido em laboratório do zero absoluto até 1992, foram: temperatura mais baixa – 0,000000002 K. Por todo o mundo existem pesquisadores querendo descobrir como atingir temperaturas o mais próximo possível do zero absoluto.

Lei Zero da Termodinâmica

As propriedades de um material são alteradas quando mudamos o seu ambiente térmico, por exemplo, levando- o de um forno quente para um refrigerador. Nesse caso, a medida que a temperatura diminui, o volume do material também diminui.

Numa linguagem menos formal, a mensagem da lei zero é: "Todo corpo tem uma propriedade chamada temperatura. Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são iguais" (HALLIDAY, RESNICK, WALKER 1996).

A lei zero é constantemente usada no laboratório. Ela só surgiu apenas na década de 1930, muito depois da descoberta da primeira e da segunda leis da termodinâmica. Devido o fato do conceito de temperatura ser fundamental para estas duas leis, uma outra lei que torna válido o conceito de temperatura, deveria ter precedência, por isso foi denominada de lei zero.

A Escala Internacional de Temperatura

De acordo com HALLIDAY, RESNICK, WALKER (1996) ,foi adotada a Escala Internacional de Temperatura, para uso prático, como na calibração de termômetros. Consistindo em um conjunto de instruções para se obter na prática um valor aproximado para a escala Kelvin. Adota- se um conjunto de pontos fixos, especifica- se um conjunto de instrumentos para serem usados na interpolação entre estas temperaturas de ponto fixo, e para extrapolar acima da temperatura máxima ou abaixo da mínima.

As Escala Celsius e Fahrenheit

Usada na pesquisa científica básica, a escala Kelvin, foi discutida até então. A escala Celsius (centígrada) é utilizada em quase todos os países do mundo para aplicações comerciais, domiciliares e algumas aplicações científicas. A diferença para a escala Kelvin é que o zero desta é deslocado para um valor mais conveniente, já o tamanho do intervalo de um grau é o mesmo nas duas escalas.

A escala utilizada nos Estados Unidos, é a escala Fahrenheit, e tem um intervalo de um grau menor que o da escala Celsius e também do ponto zero de temperatura deslocado.