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TM 103/MI 208 – Termodinâmica Básica

TM 103/MI 208 – TERMODINÂMICA BÁSICA

O estudo da energia na forma de calor (energia calorífica) é chamado de termologia.

A termologia possui vários aspectos importantes, tais como a termometria, a calorimetria e a termodinâmica.

A termometria e calorimetria referem-se às medições de temperatura e calor, respectivamente.

No caso específico da termodinâmica, ela pode ser definida como o estudo das leis que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas de energia, mais especificamente a transformação de um tipo de energia em outra, a disponibilidade de energia para a realização de trabalho e a direção das trocas de calor.

A termodinâmica nasceu no século XIX, como resultado das preocupações relativas às máquinas a vapor, dos laços entre os fenômenos mecânicos e os térmicos assim como da evolução da calorimetria.

Sem dúvida alguma, ela permitiu a revolução industrial e, na atualidade, as máquinas térmicas se baseiam em seus princípios, bem como uma infinidade de processos.

Desta forma, o conhecimento dos conceitos de termologia e suas divisões são extremamente importantes.

Considerando-se tais fatos, este texto foi estruturado para que eles sejam facilmente assimilados da seguinte maneira:

No Capítulo 1 são explanados alguns conceitos básicos e definições da termologia.

O objetivo do Capítulo 2 é o de apresentar os diversos conceitos, termos e definições relacionadas com a termometria.

No Capítulo 3 estudam-se as várias possibilidades de medição de temperatura empregandose dispositivos sensores apropriados.

O Capítulo 4, por sua vez, apresenta os diversos conceitos, termos e definições relacionadas com a calorimetria.

O Capítulo 5 se dedica a avaliar os aspectos relativos à transmissão de calor, ou seja, à passagem de energia térmica de um local para outro.

Por outro lado, o Capítulo 6 aborda o conceito de gás ideal, enfatizando a relação entre a sua pressão, volume e temperatura, bem como, as várias transformações possíveis.

Finalmente, o Capítulo 7 apresenta as leis da termodinâmica, as quais se constituem no princípio de funcionamento todas as máquinas térmicas.

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CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO À TERMOLOGIA1
2.0 – CALOR E TEMPERATURA1
3.0 – SISTEMAS1
CAPÍTULO 2: TEMPERATURA E SEUS EFEITOS3
2.0 - ESCALAS DE TEMPERATURA3
3.0 - ITPS–90 - ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURAS3
4.0 - NORMAS E PADRÕES INTERNACIONAIS4
5.0 - DILATAÇÃO TÉRMICA4
5.1 – Dilatação Linear4
2.0 – TERMÔMETROS DE CONTATO6
2.1 - Termômetro de Líquido em Vidro6
2.2 – Termômetro de Máxima e de Mínima6

CAPÍTULO 3: TERMOMETRIA _ 6 RESUMO _ 6 1.0 - INTRODUÇÃO _ 6 2.3 - Termômetro Bimetálico _ 7

3.0 – TERMOPARES7
3.1 - Leis da Termoeletricidade8
3.1.1 - Lei do circuito homogêneo8
3.1.2 - Lei dos metais intermediários8
3.1.3 - Lei das temperaturas intermediárias8
3.2 - Compensação da Temperatura Ambiente (TR)8
3.3 - Tipos e Características dos Termopares8
3.4 - Conversão de Tensão Para Temperatura9
3.5 - Limites de Erros dos Termopares9
3.6 - Termopares de Classe Especial10
4.0 - TERMORESISTÊNCIAS10
4.1 - Construção Física do Sensor10

4.2 - Características das Termoresistências de Platina_____________________________________________10

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4.3 - Limites de Erros11
4.5 - Princípio de Medição a 2, 3 e 4 Fios11
4.6 – Comparações entre Termoresistências e Termopares12
4.7 - Termistores12
4.8 – Classificação dos Termistores NTC13
5.0 - TERMÔMETROS INFRAVERMELHOS13
5.1 – Tipos14
5.3 - Emissividade15
5.4 – Ângulo e Campo de Visão15
5.5 – Procedimentos Para Medições15

4.4 - Auto-Aquecimento _ 1 5.2 – Aspectos Conceituais _ 14

2.0 - CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE16
3.0 – UNIDADE DA QUANTIDADE DE CALOR16
3.0 - CÁLCULO DA QUANTIDADE DE CALOR SENSÍVEL16
5.0 - CAPACIDADE TÉRMICA (C)17
7.0 – MUDANÇA DE ESTADO17
8.0 - TIPOS DE VAPORIZAÇÃO18
9.0 - TEMPERATURA DE MUDANÇA DE ESTADO18
10.0 – DIAGRAMAS DE FASE OU DE ESTADO18
1.0 - CÁLCULO DA QUANTIDADE DE CALOR LATENTE20
13.0 - EQUIVALENTE EM ÁGUA21
CAPÍTULO 5: TRANSMISSÃO DE CALOR22

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CAPÍTULO 6: ESTUDO DOS GASES25
2.0 - PRESSÃO25
2.1 - Conceituação25
2.3 - Escalas de Pressão26
3.0 – VARIÁVEIS DE ESTADO DE UM GÁS26
4.0 – GASES PERFEITOS OU IDEAIS26
4.0 - TRANSFORMAÇÃO DE UM GÁS26
5.0 - LEI DOS GASES27
5.1 – Lei das Transformações Isobáricas27
5.2 – Lei das Transformações Isotérmicas27
5.3 - Lei das Transformações Isométricas28
CAPÍTULO 7: LEIS (PRINCÍPIOS) DA TERMODINÂMICA29
2.0 – CALOR E TRABALHO29
3.0 – ENERGIA INTERNA30
4.0 – PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA31
5.0 – TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA31
8.0 – CICLO DE CARNOT32
9.0 – SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA33

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“O fogo tem A mania de queimar O que é bom e o ruim Meu fogo vem Do meu modo de esfregar Todas as partes de mim

Gilberto Gil

Cantor e compositor. Ministro da Cultura durante o governo do Presidente Lula.

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CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO À TERMOLOGIA

Neste capítulo são explanados alguns conceitos básicos e definições da termologia.

1.0 - INTRODUÇÃO

Uma das leis fundamentais da natureza é o princípio da conservação da energia, ou seja, em qualquer processo, a energia nunca é criada ou destruída, apenas transformada de uma modalidade para outra ou outras.

Observa-se que não é fácil definir o que é energia de maneira simples e precisa, porque ela é um conceito muito abstrato, que abrange fenômenos extremamente diferentes entre si. Intuitivamente, entretanto, pode-se pensar em energia como algo que se transforma continuamente e pode ser utilizado para realizar trabalho.

A energia se manifesta sob as mais variadas formas e, por isso, recebe diferentes nomes, tais como: luz (energia luminosa), som (energia sonora), calor (energia calorífica), movimento (energia cinética), entre outras.

O estudo da energia na forma de calor (energia calorífica) é chamado de termologia.

A termologia possui vários aspectos importantes, tais como a termometria, a calorimetria e a termodinâmica.

A termometria e calorimetria referem-se às medições de temperatura e calor, respectivamente.

No caso específico da termodinâmica, ela pode ser definida como o estudo das leis que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas de energia, mais especificamente a transformação de um tipo de energia em outra, a disponibilidade de energia para a realização de trabalho e a direção das trocas de calor. Observa-se que este termo foi empregado pela primeira vez em uma publicação de Lorde Kelvin (William Thomson) em 1849. Mas, em termos práticos, ela surgiu com a construção da primeira máquina a vapor.

2.0 – CALOR E TEMPERATURA

De forma qualitativa, pode-se descrever a temperatura de um objeto como aquela que determina a sensação de quanto ele está quente ou frio quando se entra em contato com ele.

Todas as substâncias são constituídas de moléculas, as quais se encontram em movimento contínuo. Quanto mais rápido o seu movimento, mais quente se apresenta o objeto e, naturalmente, quanto mais lento, mais frio.

Então, define-se temperatura como o grau de agitação térmica destas moléculas.

Calor, por outro lado, é a energia em trânsito ou a forma de energia que flui espontaneamente de um corpo mais quente para o corpo mais frio ou a energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.

3.0 – SISTEMAS

Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região escolhida no espaço.

A superfície real ou imaginária que separa o sistema dos arredores ou vizinhança é designada por fronteira, a qual pode ser fixa ou móvel.

Figura 1 – Sistema e fronteira.

Os sistemas podem ser considerados fechados ou abertos

Capítulo 1: Introdução à Termologia - 1

Um sistema fechado, também designado por massa de controle, consiste numa quantidade fixa de massa, e não há transferência de massa através da fronteira. Isto quer dizer que em um sistema fechado não entra nem sai massa do sistema. No entanto, pode haver troca de energia e o volume não tem que, necessariamente, ser fixo.

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