1.S: Temperatura e calor (resumo)
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Termos-chave
| escala de temperatura absoluta | escala, como Kelvin, com um ponto zero que é zero absoluto |
| zero absoluto | temperatura na qual a energia cinética média das moléculas é zero |
| caloria (cal) | energia necessária para alterar a temperatura de 1,00 g de água em 1,00°C |
| calorímetro | recipiente que impede a transferência de calor para dentro ou para fora |
| calorimetria | estudo da transferência de calor dentro de um recipiente impermeável ao calor |
| Escala Celsius | escala de temperatura na qual o ponto de congelamento da água é 0°C e o ponto de ebulição da água é 100°C |
| coeficiente de expansão linear | (\(α\)) propriedade do material que dá a mudança no comprimento, por unidade de comprimento, por\(1-°C\) mudança na temperatura; uma constante usada no cálculo da expansão linear; o coeficiente de expansão linear depende em algum grau da temperatura do material |
| coeficiente de expansão de volume | (\(β\)) semelhante a αα, mas fornece a mudança no volume, por unidade de volume, por\(1-°C\) mudança na temperatura |
| condução | transferência de calor através de matéria estacionária por contato físico |
| convecção | transferência de calor pelo movimento macroscópico do fluido |
| ponto crítico | para uma determinada substância, a combinação de temperatura e pressão acima da qual as fases líquida e gasosa são indistinguíveis |
| pressão crítica | pressão no ponto crítico |
| temperatura crítica | temperatura no ponto crítico |
| grau Celsius | unidade (°C) na escala de temperatura Celsius |
| grau Fahrenheit | Unidade (°F) na escala de temperatura Fahrenheit |
| emissividade | medida de quão bem um objeto irradia |
| Escala Fahrenheit | escala de temperatura na qual o ponto de congelamento da água é 32°F e o ponto de ebulição da água é 212°F |
| efeito estufa | aquecimento da Terra devido a gases como dióxido de carbono e metano que absorvem a radiação infravermelha da superfície da Terra e a irradiam em todas as direções, enviando parte dela de volta para a Terra |
| calor | energia transferida apenas devido a uma diferença de temperatura |
| calor da fusão | energia por unidade de massa necessária para mudar uma substância da fase sólida para a fase líquida, ou liberada quando a substância muda de líquida para sólida |
| calor de sublimação | energia por unidade de massa necessária para mudar uma substância da fase sólida para a fase de vapor |
| calor de vaporização | energia por unidade de massa necessária para mudar uma substância da fase líquida para a fase de vapor |
| transferência de calor | movimento de energia de um lugar ou material para outro como resultado de uma diferença de temperatura |
| Escala Kelvin (K) | escala de temperatura na qual 0 K é a temperatura mais baixa possível, representando zero absoluto |
| quilocaloria (kcal) | energia necessária para alterar a temperatura de 1,00 kg de água entre 14,5° C e 15,5° C |
| coeficiente de calor latente | termo geral para os calores de fusão, vaporização e sublimação |
| equivalente mecânico de calor | trabalho necessário para produzir os mesmos efeitos da transferência de calor |
| taxa líquida de transferência de calor por radiação | \(P_{net}=σeA(T_2^4−T_1^4)\) |
| diagrama de fase | gráfico de pressão versus temperatura de uma substância específica, mostrando em quais pressões e temperaturas as fases da substância ocorrem |
| radiação | energia transferida por ondas eletromagnéticas diretamente como resultado de uma diferença de temperatura |
| taxa de transferência de calor condutiva | taxa de transferência de calor de um material para outro |
| calor específico | quantidade de calor necessária para alterar a temperatura de 1,00 kg de uma substância em 1,00°C; também chamada de “capacidade térmica específica” |
| Lei de radiação de Stefan-Boltzmann | \(P=σAeT^4\), onde\(σ=5.67×10^{−8}J/s⋅m^2⋅K^4\) está a constante de Stefan-Boltzmann, A é a área da superfície do objeto, T é a temperatura absoluta e e é a emissividade |
| sublimação | mudança de fase de sólido para gás |
| temperatura | quantidade medida por um termômetro, que reflete a energia mecânica das moléculas em um sistema |
| condutividade térmica | propriedade de um material descrevendo sua capacidade de conduzir calor |
| equilíbrio térmico | condição na qual o calor não flui mais entre dois objetos que estão em contato; os dois objetos têm a mesma temperatura |
| expansão térmica | mudança no tamanho ou volume de um objeto com mudança na temperatura |
| estresse térmico | estresse causado pela expansão ou contração térmica |
| ponto triplo | pressão e temperatura nas quais uma substância existe em equilíbrio como sólido, líquido e gás |
| vapor | gás a uma temperatura abaixo da temperatura de ebulição |
| pressão de vapor | pressão na qual um gás coexiste com sua fase sólida ou líquida |
| lei zero da termodinâmica | lei que afirma que se dois objetos estão em equilíbrio térmico e um terceiro objeto está em equilíbrio térmico com um desses objetos, ele também está em equilíbrio térmico com o outro objeto |
Equações chave
| Expansão térmica linear | \(ΔL=αLΔT\) |
| Expansão térmica em duas dimensões | \(ΔA=2αAΔT\) |
| Expansão térmica em três dimensões | \(ΔV=βVΔT\) |
| Transferência de calor | \(Q=mcΔT\) |
| Transferência de calor em um calorímetro | \(Q_{cold}+Q_{hot}=0\) |
| Calor devido à mudança de fase (fusão e congelamento) | \(Q=mL_f\) |
| Calor devido à mudança de fase (evaporação e condensação) | \(Q=mLv\) |
| Taxa de transferência de calor condutiva | \(P=\frac{kA(T_h−T_c)}{d}\) |
| Taxa líquida de transferência de calor por radiação | \(P_{net}=σeA(T_2^4−T_1^4)\) |
Resumo
1.2 Temperatura e equilíbrio térmico
- A temperatura é definida operacionalmente como a quantidade medida por um termômetro. É proporcional à energia cinética média dos átomos e moléculas em um sistema.
- O equilíbrio térmico ocorre quando dois corpos estão em contato um com o outro e podem trocar energia livremente. Os sistemas estão em equilíbrio térmico quando têm a mesma temperatura.
- A lei zero da termodinâmica afirma que quando dois sistemas, A e B, estão em equilíbrio térmico um com o outro, e B está em equilíbrio térmico com um terceiro sistema C, então A também está em equilíbrio térmico com C.
1.3 Termômetros e escalas de temperatura
- Três tipos de termômetros são álcool, cristal líquido e radiação infravermelha (pirômetro).
- As três principais escalas de temperatura são Celsius, Fahrenheit e Kelvin. As temperaturas podem ser convertidas de uma escala para outra usando equações de conversão de temperatura.
- As três fases da água (gelo, água líquida e vapor de água) podem coexistir em uma única pressão e temperatura conhecidas como ponto triplo.
1.4 Expansão térmica
- A expansão térmica é o aumento do tamanho (comprimento, área ou volume) de um corpo devido a uma mudança na temperatura, geralmente um aumento. A contração térmica é a diminuição do tamanho devido a uma mudança na temperatura, geralmente uma queda na temperatura.
- O estresse térmico é criado quando a expansão ou contração térmica é restrita.
1.5 Transferência de calor, calor específico e calorimetria
- Calor e trabalho são os dois métodos distintos de transferência de energia.
- A transferência de calor para um objeto quando sua temperatura muda geralmente é bem aproximada por\(Q=mcΔT\),, onde m é a massa do objeto e cis o calor específico da substância.
1.6 Mudanças de fase
- A maioria das substâncias tem três fases distintas (em condições normais na Terra) e dependem da temperatura e da pressão.
- Duas fases coexistem (ou seja, elas estão em equilíbrio térmico) em um conjunto de pressões e temperaturas.
- As mudanças de fase ocorrem em temperaturas fixas para uma determinada substância a uma determinada pressão, e essas temperaturas são chamadas de pontos de ebulição, congelamento (ou fusão) e sublimação.
1.7 Mecanismos de transferência de calor
- O calor é transferido por três métodos diferentes: condução, convecção e radiação.
- A condução de calor é a transferência de calor entre dois objetos em contato direto um com o outro.
- A taxa de transferência de calor P (energia por unidade de tempo) é proporcional à diferença de temperatura\(T_h−T_c\) e à área de contato A e inversamente proporcional à distância d entre os objetos.
- A convecção é a transferência de calor pelo movimento macroscópico da massa. A convecção pode ser natural ou forçada e geralmente transfere energia térmica mais rapidamente do que a condução. A convecção que ocorre junto com uma mudança de fase pode transferir energia de regiões frias para regiões quentes.
- A radiação é a transferência de calor através da emissão ou absorção de ondas eletromagnéticas.
- A taxa de transferência de calor radiativo é proporcional à emissividade e. Para um corpo negro perfeito,\(e=1\), enquanto um corpo perfeitamente branco, claro ou refletivo tem\(e=0\), com objetos reais tendo valores de e entre 1 e 0.
- A taxa de transferência de calor depende da área da superfície e da quarta potência da temperatura absoluta:
\(P=σeAT^4\),
onde\(σ=5.67×10^{−8}J/s⋅m^2⋅K^4\) está a constante de Stefan-Boltzmann e e é a emissividade do corpo. A taxa líquida de transferência de calor de um objeto por radiação é
\(\frac{Q_{net}}{t}=σeA(T_2^4−T_1^4)\),
onde\(T_1\) é a temperatura do objeto cercado por um ambiente com temperatura uniforme\(T_2\) e e é a emissividade do objeto.