3 - Termodinâmica

Variáveis macroscópicas

Temperatura

Ficha de Aprendizagem

É comum associar a ideia de temperatura à sensação de quente ou frio que temos, quando tocamos num objecto. No entanto trata-se apenas de uma indicação qualitativa, e que é extremamente subjectiva pois provém unicamente dos nossos sentidos e da interpretação que deles temos.

Dois objectos constituídos por materiais diferentes que estejam à mesma temperatura, podem causar sensações distintas.

Por exemplo, um chão provoca normalmente uma sensação de frio, enquanto que uma alcatifa que esteja em contacto com esse mesmo chão e à mesma temperatura, parece-nos mais quente. Isto acontece porque a quantidade de energia sob a forma de calor trocada entre cada objecto e a pessoa é diferente.

Ao nível microscópico, a temperatura de um sistema é directamente proporcional à energia cinética média das partículas que o constituem. Macroscopicamente é possível medir a temperatura, usando um termómetro, possibilitando assim o conhecimento exacto desta grandeza física.

Proposta de actividade

Para exemplificar como a avaliação da temperatura feita pelos nossos sentidos é subjectiva e depende das circunstâncias, propõe-se a realização de uma simples actividade.

Material

  • Três recipientes
  • Água
  • Termómetro

Procedimento

  1. Encher três recipientes com água, um com água vinda do frigorífico (recipiente 1), o outro com água da torneira (recipiente 2), e o último com água aquecida (recipiente 3), por exemplo, por um esquentador.
  2. Com o termómetro, medir a temperatura da água contida em cada recipiente.
  3. Colocar uma mão na água aquecida, e depois colocá-la na água que saiu da torneira.
  4. Colocar a outra mão na água fria, e depois colocá-la na água que saiu da torneira.
  5. Em ambos os dois casos anteriores, registar a sensação de frio ou quente que se tem, ao colocar a mão na água que está no recipiente 2.

Depois de realizada a actividade vamos analisar os resultados.

Análise de resultados

De acordo com a actividade proposta anteriormente, verifica-se que, nos dois casos, a água no recipiente 2 estava à mesma temperatura, mas causou sensações diferentes conforme a situação.

Vamos analisar os resultados obtidos:

  1. Como sentimos a água contida no recipiente 2, depois de termos colocado a mão em água quente (recipiente 3)?:
  2. Como sentimos a água contida no recipiente 2, depois de termos colocado a mão em água fria (recipiente 1)?

Este é um caso simples onde se evidencia que:

A sensação de frio ou quente não é uma indicação segura da temperatura à qual se encontra um objecto.

Equilíbrio térmico: princípio zero da termodinâmica 

Ficha de Aprendizagem

É bastante vulgar a ideia de que dois objectos com diferentes temperaturas iniciais, quando postos em contacto, passado algum tempo atingem ambos uma temperatura intermédia.
Por exemplo, ao se misturar café quente com leite frio, a temperatura do leite aumenta, e consequentemente a temperatura do café diminui. Após algum tempo, a temperatura desta mistura estabiliza num valor inferior à sua temperatura do café, e obviamente superior à temperatura do leite.
Deste modo, diz-se que dois ou mais objectos estão em contacto térmico, quando energia sob a forma de calor pode ser trocada entre eles, como é o caso do exemplo anterior. O momento a partir do qual esses objectos em contacto térmico, deixam de trocar energia entre si designa-se por equilíbrio térmico, e no caso anterior ocorre quando a água estabiliza a sua temperatura num valor inferior ao inicial.

É possível determinar se dois objectos A e B que não estejam em contacto térmico, se encontram ou não em equilíbrio térmico.

Para tal, coloca-se um termómetro em contacto térmico com o objecto A, esperando que se atinja o equilíbrio térmico entre ambos, ou seja até que a temperatura no termómetro se mantenha constante. Realiza-se o mesmo procedimento para o objecto B e caso as duas medidas sejam iguais, os dois objectos estão em equilíbrio térmico. Nesta situação, se forem postos em contacto, não ocorrerá nenhuma troca de energia entre ambos.

Este resultado é conhecido como

Lei Zero da Termodinâmica

Se dois objectos A e B fora de contacto térmico entre si, estão cada um em equilíbrio térmico com um terceiro objecto, então os objectos A e B encontram-se mutuamente em equilíbrio térmico.

A lei zero da termodinâmica possibilita uma melhor compreensão do conceito de temperatura, a qual é uma grandeza física que indica se dois ou mais objectos, estão ou não em equilíbrio térmico.

Dois sistemas termodinâmicos com temperaturas diferentes são colocados em contacto térmico através de uma parede condutora térmica. Esta parede permite a troca do calor do sistema com uma temperatura superior para o sistema com uma temperatura inferior. As restantes paredes são isoladores térmicas, dado que não possibilitam a troca de calor.

Actividade de auto-avaliação

Dois objectos com dimensão, massa e temperatura diferente, são colocados em contacto térmico. Para se estabelecer o equilíbrio térmico entre os dois, a energia sob a forma de calor é transferida em que sentido?

  1. do objecto maior, para o mais pequeno;
  2. do objecto com mais massa, para o com menos massa;
  3. do objecto com maior temperatura, para o com menor temperatura.
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