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Termodinâmica - 1
Alexandre Diehl
Departamento de Física - UFPel
TERMO 2
A ideia de uma temperatura
Hipócrates (460 – 370 AC)
Os temperamentos, ou o conjunto de fatores constituintes de uma personalidade, estão ligados aos 4 humores (fluidos) corporais:
Sangue
Fleuma (secreção mucosa)
Bílis amarela
Bílis negra
TERMO 3
A ideia de uma temperatura
Aristóteles (384 – 322 AC)
Temperatura como um conceito associado ao “temperamento” ou estado assumido pelos corpos.
O temperamento de um corpo é medida pelo grau de mistura de qualidades opostas: o quente e o frio.
Os 4 elementos (ar, água, terra, fogo) têm qualidades específicas.
TERMO 4
A ideia de uma temperatura
Teoria dos 4 humores
Sangue: é armazenado no fígado e levado ao coração, onde se aquece, sendo considerado quente e úmido.
Fleuma: compreende todas as secreções mucosas, provém do cérebro e é fria e úmida.
Bílis amarela: é secretada pelo fígado e é quente e seca.
Bílis negra: é produzida no baço e no estômago e é de natureza fria e seca.
TERMO 5
A ideia de uma temperatura
Teoria dos 4 humores
Sangue: otimismo, resistência, confiança, felicidade.
Fleuma: indiferença, passividade.
Bílis amarela: irritabilidade, raiva, maldade.
Bílis negra: melancolia, tristeza, depressão
TERMO 6
A ideia de uma temperatura
Claudius Galenus (130 – 201)
Existem 4 graus de calor (“temperamento”), medidos a partir de um ponto neutro, obtido pela mistura de quantidades iguais de gelo e água fervente.
Cada pessoa tem uma temperamento próprio:
Uma doença altera este temperamento..
O papel do médico é restabelecer o temperamento ideal do corpo, ou seja, o grau apropriado de calor ou de frio.
TERMO 7
A ideia de uma temperatura
A questão que se coloca:
como podemos medir o “temperamento” ou o “grau de calor” de uma pessoa?
… ou, de forma mais atual, como podemos medir a temperatura de um corpo?
TERMO 8
A ideia de uma temperatura
Galileu Galilei (1564 – 1642)
1593: construção do primeiro termoscópio.
“Galileu tomou um vaso de vidro aproximadamente do tamanho de um ovo de galinha e ajustou-o a um tubo de largura de um canudo com cerca de 18 polegadas de comprimento; ele aqueceu o bulbo de vidro em suas mãos e inverteu o tubo mergulhando-o num outro vaso com água. Tão logo o vaso resfriou-se a água subiu no tubo até a altura de 9 polegadas acima do nível do segundo vaso. Ele usou este instrumento para investigar os graus de calor e frio.”Castelli (1578-1643)
TERMO 9
A ideia de uma temperatura
Sanctorio Sanctorius (1561 – 1638)
1612: construção do primeiro termoscópio clínico.
Uso de uma escala graduada, definida usando dois pontos de referência: neve e chama de uma vela.
Os graus de calor associados aos estados de saúde do corpo humano eram marcados na escala.
Interesse pelo trabalho de Galenus.
TERMO 10
A ideia de uma temperatura
Jean Rey (1582 – 1645)
1632: propôs a inversão do termoscópio de Galileu.
“Para fazer uso dele, eu o coloquei ao Sol e algumas vezes nas mãos de um paciente com febre, tendo enchido-o completamente, exceto o tubo; o calor expandindo a água faz com que ela suba mais ou menos, de acordo com o maior ou menor calor.”
A dilatação da coluna de água passa a ser a medida.
Pouco preciso em função da pressão atmosférica (proposta por Torricelli em 1643).
TERMO 11
A ideia de uma temperatura
Ferdinand II de Medici (1610 – 1670)
1654: construção do primeiro termoscópio selado.
Uso de álcool (líquido de -114oC até 76oC) como substância do termoscópio.
É mais expansivo do que a água.
A dilatação é aproximadamente linear (não percebido na época).
A selagem evita a evaporação do álcool e reduz a influência da pressão atmosférica.
TERMO 12
A ideia de uma temperatura
Accademia del Cimento (1657 – 1667)
Fundada por Ferdinand II em Florença.
Publicação do primeiro manual de experimentação.
Refinamento do termoscópio de álcool.
Introdução do mercúrio como substância do termoscópico, sem muitos resultados:
Menos expansivo que o álcool.
Pouco confiável em função da presença de impurezas.
TERMO 13
A ideia de uma temperatura
Accademia del Cimento (1657 – 1667)
Fundada por Ferdinand II em Florença.
Publicação do primeiro manual de experimentação.
Refinamento do termoscópio de álcool.
Introdução do mercúrio como substância do termoscópico, sem muitos resultados:
Menos expansivo que o álcool.
Pouco confiável em função da presença de impurezas.
TERMO 14
A ideia de uma temperatura
Accademia del Cimento (1657 – 1667)
Fundada por Ferdinand II em Florença.
Publicação do primeiro manual de experimentação.
Refinamento do termoscópio de álcool.
Introdução do mercúrio como substância do termoscópico, sem muitos resultados práticos:
Menos expansivo que o álcool.
Pouco confiável em função da presença de impurezas.
TERMO 15
A ideia de uma temperatura
Accademia del Cimento (1657 – 1667)
Adoção de dois pontos fixos para a definição de pontos de referência do termoscópio:
Ponto inferior: dia mais frio em Florença.
Ponto superior: corpo humano.
Produção de termoscópios de grande beleza artesanal, mas com pouca confiabilidade.
TERMO 16
A ideia de uma temperatura
Carlo Renaldini (1615 – 1698)
1694: sugestão de usar como pontos fixos o ponto de fusão do gelo e o ponto de ebulição da água.
A constância das temperaturas nesses dois pontos não era conhecida na época.
Somente no século XVIII isto viria a ser um fato científico, a partir dos estudos de Joseph Black sobre o calor latente em 1761.
TERMO 17
A ideia de uma temperatura
Ole Christensen Roemer (1644 – 1710)
1676: primeira medida quantitativa da velocidade da luz.
1701: criação da escala Roemer:
Dia mais frio em Copenhage vale 0 graus.
Ponto de fusão do gelo vale 7.5 graus (posteriormente aumentado para 8 graus).
Ponto de ebulição da água vale 60 graus.
TERMO 18
A ideia de uma temperatura
Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736)
1714: construção do primeiro termômetro com mercúrio purificado como substância termométrica.
Maior precisão na medida.
1724: criação da escala Fahrenheit, influenciado por Ole Roemer, com dois pontos fixos:
32 graus: ponto de fusão do gelo
96 graus: corpo humano.
Ponto de ebulição da água vale 212 graus e tomado como ponto fixo mais tarde.
TERMO 19
A ideia de uma temperatura
Anders Celsius (1701 – 1744)
Uso de termômetro de tubo aberto no estudo dos pontos de ebulição de ceras.
1742: criação da escala centígrada:
Ponto de ebulição da água vale 0 graus.
Ponto de fusão do gelo vale 100 graus.
Existe alguma controvérsia histórica sobre esta versão do experimento e da construção da escala.
TERMO 20
A ideia de uma temperatura
Carolus Linnaeus (1707 – 1778)
1745: inverte a escala centígrada:
Ponto de fusão do gelo vale 0 graus.
Ponto de ebulição da água vale 100 graus.
1794: escala centígrada é adotada na França, a partir da definição do sistema métrico.
1948: graus Celsius são adotados como padrão, ao invés de graus centígrados, definindo assim a escala Celsius.
TERMO 21
A ideia de uma temperatura
TERMO 22
A ideia de uma temperatura
Primeira conclusão:
… a temperatura é uma grandeza que não se mede diretamente.
… medimos a temperatura associando sua variação com as propriedades dos corpos usados como substâncias termométricas, como a dilatação de uma coluna de mercúrio, a variação do volume de um gás, etc.
TERMO 23
A ideia de uma temperatura
Segunda conclusão:
… precisamos admitir que existe uma relação funcional entre a variação da temperatura e a variação da propriedade da substância termométrica.
… esta relação funcional deve ser a mais simples possível, para assim admitirmos que a temperatura seja a do instrumento.
… nada é dito sobre o modelo microscópico que define esta relação funcional.
TERMO 24
A ideia de uma temperatura
Terceira conclusão:
… não é obvio que a temperatura do termômetro seja a mesma do ambiente em que ele está inserido.
… precisamos admitir que o objeto em contato com o termômetro tenha a mesma temperatura.
… dizemos que os dois corpos (termômetro e objeto) estão em equilíbrio térmico entre si.
… nada é dito sobre as condições microscópicas que definem este equilíbrio térmico.
TERMO 25
A ideia de uma temperatura
Quarta conclusão:
… não é obvio que dois corpos, cujas temperaturas tenham sido medidas separadamente com um termômetro, possam ter a mesma temperatura.
… nada é dito sobre o que é transferido de um corpo para o outro, enquanto o equilíbrio térmico entre eles não é atingido.
… equilíbrio térmico e temperatura devem, portanto, estar relacionados com uma visão macroscópica do sistema em estudo.
TERMO 26
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
Natureza temporal:
A duração típica de uma medida macroscópica impede que o movimento complexo e rápido dos átomos seja caracterizado de forma apropriada.
Uma medida macroscópica é extremamente lenta na escala de tempo atômico (10-15 s) e de baixa resolução na escala de distâncias atômicas (10-10 m).
Natureza espacial:
A medida macroscópica sofre de limitações de precisão, uma vez que é incapaz de caracterizar individualmente os átomos do sistema.
TERMO 27
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
Devido à natureza da observação macroscópica, a termodinâmica descreve apenas os estados do sistema que são independentes do tempo.
A descrição é feita a partir de conjunto de coordenadas ou variáveis macroscópicas:
Poucas coordenadas são necessárias.
Não dependem de condições microscópicas para sua definição.
Usamos nossa intuição sobre o sistema para a sua definição.
De preferência podem ser medidas diretamente num experimento.
TERMO 28
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
A caracterização dos estados do sistema que são independentes do tempo é feita a partir de um número pequeno de coordenadas termodinâmicas independentes, como por exemplo X e Y.
Quando os valores assumidos pelas variáveis X e Y não variam mais no tempo, dizemos que o sistema em estudo está num estado de equilíbrio termodinâmico .
Exemplo: X e Y podem ser as medidas da pressão e do volume do sistema em estudo.
TERMO 29
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
O estado de equilíbrio termodinâmico deve ser definido para um sistema simples ou para a junção de sistemas simples, definindo o chamado sistema composto.
Sistemas simples
Definidos como sistemas que são macroscopicamente homogêneos, isotrópicos, não carregados, que são grandes o suficiente para que efeitos de superfície sejam desprezíveis. Além disso, não estão sujeitos à campos elétricos, magnéticos ou campos gravitacionais.
Um sistema simples pode conter uma mistura de diferentes espécies químicas.
TERMO 30
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
A análise macroscópica é feita separando os sistemas em estudo de suas vizinhanças através de paredes ou vínculos.
Sistema isolado: o sistema não é influenciado por sua vizinhança.
Sistema aberto: o sistema troca informação (interação) com sua vizinhança através das paredes ou vínculos.
A junção do sistema e sua vizinhança define o chamado universo termodinâmico. Nada além dele deve existir.
TERMO 31
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
Parede adiabática
Um estado Y e X para o sistema A e um estado Y' e X' para o sistema B podem coexistir como estados de equilíbrio, para quaisquer valores possíveis das quatro coordenadas.
A análise macroscópica é feita separando o sistema em estudo de sua vizinhança através de paredes ou vínculos.
TERMO 32
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
Parede diatérmica
Os valores de Y, X, Y' e X' mudarão de forma espontânea até que seja obtido um estado de equilíbrio do sistema composto, ou seja, dizemos que os sistemas A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
A análise macroscópica é feita separando o sistema em estudo de sua vizinhança através de paredes ou vínculos.
TERMO 33
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
Equilíbrio térmico
É o estado adquirido por dois ou mais sistemas simples, caracterizado por valores restritos de coordenadas termodinâmicas dos sistemas, após eles terem sido colocados em contato através de paredes diatérmicas.
A análise macroscópica é feita separando o sistema em estudo de sua vizinhança através de paredes ou vínculos.
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A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
Lei zero da Termodinâmica (Ralph H. Fowler, 1931)
Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro, no caso o termômetro, estão em equilíbrio térmico entre si, ou seja, têm a mesma temperatura.
Corolário: Temperatura de um sistema é uma propriedade que determina se um sistema se encontra ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas.
TERMO 35
A ideia de uma temperatura
Ponto de vista macroscópico
Lei zero da Termodinâmica (Ralph H. Fowler, 1931)
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