Programação
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4300159 - Física do Calor
1o Semestre 2020 - Período Diurno
Profa. Kaline Coutinho
1) Objetivos
Apresentar os conceitos e leis da termodinâmica, tanto através de abordagem teórica quanto da demonstração qualitativa. Apresentar o modelo atômico-molecular da matéria, em particular para a descrição do gás ideal, através da teoria cinética, que permite identificar a temperatura como medida da energia cinética molecular e a energia interna como energia mecânica molecular.
2) Programa
* Estado termodinâmico e equilíbrio térmico (pressão, densidade e temperatura) – medida
* Calor – medida e conceito; conceito de mol* Calor como energia – visão macroscópica e microscópica
* Calor e transição de fase – visão macroscópica e microscópica
* 1ª lei da termodinâmica – conservação de energia no universo; aplicação para fluidos
* Ciclos térmicos e aplicações
* 2ª lei da termodinâmica.
* Funções de estado e função entropia
* Processos reversíveis e irreversíveis
* Gás ideal – relações empíricas e modelo cinético e conceito microscópico de temperatura
3) Homepage com informações: http://disciplinas.stoa.usp.br.
4) Professora: Kaline Coutinho. Email: kaline@if.usp.br
Área de Pesquisa: Física Molecular e Modelagem, Grupo Biofísica, http://fig.if.usp.br/~kaline/
sala 2056 (antiga 208 Ala I) do prédio principal do IFUSP, térreo, fone: 3091-6745.
5) Monitor: Julio Ortiz A de Barros. Email: julioortizbarros@gmail.com
6) Monitoria: Horário do plantão de dúvidas semanal: a definir.
7) Horário e local: Terças das 8:00h as 10:40h e sextas das 10:00h as 11:40h na sala 211, sala 2019 (antiga 207 Ala Central) do prédio principal do IFUSP.
8) Avaliação:
Serão feitas 4 provinhas, que valerá 2,5 pontos cada uma, a se realizar nas seguintes datas: Pi1 em 28/04 (terça), Pi2 em 22/05 (sexta), Pi3 em 12/06 (sexta) e Pi4 em 26/06 (sexta). As quatro notas das provinhas vão somar para compor a nota da P1. Uma prova geral (P2), com toda a matéria, valendo 10,0 pontos se realizará em 17/07 (sexta). A nota final será calculada como a média aritmética dessas duas notas (P1 e P2). A prova substitutiva, com toda a matéria, será no dia 24/07 (sexta) e a recuperação será dia 07/08 (sexta).
9) Datas que não teremos aulas: Carnaval (25/02), Semana Santa (07 e 10/04), Tiradentes (21/04), Dia do Trabalho (01/05) e Corpus Christi (12/06).
10) Bibliografia:
Livros texto:
P. Tipler e G. Mosca, Física para Cientistas e Engenheiros, vol. 1, 6ª. Edição, Cap.: 17 a 20
Sears, Zemansky, Young e Freedman, Física II, 12a Edição, Cap.: 17 a 20.
Livros para consulta:
D. Halliday e R. Resnick, Fundamentos de Física, Volume II
H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica, 4ª. Edição, Volume 2, Cap.: 7 a 11.
Sugestão de site com ilustrações moleculares de processos termodinâmicos:
https://youtu.be/ipk1vBHmESsSugestão de canal no Youtube com aulas de termodinâmica para o 2o. grau:"Chama o Físico" -
Aqui estão textos, notas de aula, slides, aulas virtuais, só audio e só anotações das aulas virtuais.
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Atenção: No segundo exercício resolvido em sala, usei erroneamente o n = 2 mol, quando deveria ter sido n = 4 mol. Sendo assim, a variação total de entropia no ciclo foi calculado errado. Mas corrigi nas anotações da aula que estão corretas agora.
Observação: Em qualquer ciclo termodinâmico a variação de entropia é nula, pois entropia é uma função de estado e só depende dos estados inicial e final. Como num ciclo termodinâmico, o estado inicial é igual ao final, então a variação da entropia será nula, independentemente dos processos serem na prática reversíveis ou irreversíveis.
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Questões discutidas em sala:
1) Dois cômodos de tamanhos idênticos estão ligados por uma porta aberta. Um dos cômodos está com o ar condicionado ligado e por isto está mais frio. Qual dos cômodos possui mais ar em seu interior?
2) Se a temperatura de um gás for diminuída com a pressão mantida constante, o que acontecerá com o volume? E no limite da temperatura ir para zero, o que acontecerá com o volume? Discuta se este resultado é razoável comparativamente aos sistemas reais.
3) Calcule da quantidade de massa de ar que temos numa sala de aula de tamanho 6m por 11m com 3m de altura, sabendo que a densidade é de 1,2kg/m3. Usando a equação de estado do gás ideal encontre a quantidades de moles de ar na sala de aula, sabendo que a temperatura é de 25oC e pressão de 1 atm. Determine a massa média das moléculas do ar e compare com a massa da molécula mais abundante do ar que é N2 que tem cerca de 14g/mol. Agora assumindo que as moléculas estão uniformemente distribuídas no volume da sala, determine a distância média entre as moléculas e compare com o tamanho atômico típico de 1 Å = 1x10-10m.
4) Se uma massa de 1 kg de água a 30oC absorve uma quantidade de calor Q, qual é a fase do sistema final e sua temperatura? (a) se Q = 10 kcal; (b) se Q = 500 kcal; e (c) se Q = 1000 kcal. Dados conhecidos nas tabelas do livro: cágua = 1 cal/g.K e cvapor = 0,48 cal/g.K; 1 cal= 4,18 J Fusão Lf = 333,5 J/g e Tf = 0oC; Vaporização Lv = 2257 J/g e Tv = 100oC. Respostas: (a) líquido a 40oC; (b) 260 g de líquido e 740g de gás a 100oC; (c) gás de 852,5oC. Solução: ver slides da aula de 31 de março.
5) Em temperaturas muito baixas, o calor específico molar do sal de rocha varia com a temperatura de acordo com a lei T3 de Debye: c = k (T/T0)3 onde k = 1940 J/mol.K e T0 = 281K. (a) Qual é a quantidade de calor Q necessária para elevar a temperatura de 1,5 mol de sal de rocha de 10 K até 40 K? (b) Que valor constante de c deveríamos ter para este sal sabendo que ele receber a quantidade de calor do item anterior para aquecer os mesmos 30 K ? (c) Qual é o calor específico molar à 40K? Respostas: (a) 83,6 J; (b) 1,86 J/mol.K; (c) 5,6 J/mol.K. Solução: ver slides da aula de 31 de março.
6) Considere 1 mol de um gás de N2 que está com uma temperatura de 20oC e pressão de 5atm inicialmente. Este gás passa por 4 processos termodinâmicos quase-estáticos e consecutivos: (i) expande-se adiabaticamente até que sua pressão seja igual a 1 atm; (ii) então é aquecido à pressão constante até que sua temperatura seja novamente 20oC; (iii) depois é aquecido a volume constante até que sua pressão seja novamente 5atm; e (iv) aseguir, é comprimido à pressão constante até voltar ao estado inicial. (a) Para cada um dos processos desenhe o diagrama PV, calcule a variação de energia interna, o calor e o trabalho. (b) Como o sistema começa e finaliza os 4 processos no mesmo estado termodinâmico isto caracteriza um ciclo termodinâmico, então determine o trabalho total e o calor realizado pelo gás durante o ciclo completo.
Diagrama PV do processo adiabático feito em aula
7) Um gás ideal sofre uma compressão adiabática. A temperatura aumenta, diminui ou permanece constante? Explique.
8) Num recipiente de 4 L encontram-se 2 mol de um gás ideal diatômico inicialmente em equilíbrio num estado A com pressão de 4 atm. De forma quase-estática, realizam-se os seguintes processos: (i) um aquecimento isobárico até o estado B com uma temperatura de 300 K; (ii) uma compressão isotérmica até o estado C; e (iii) regresso ao estado A num processo isocórico. (a) Indique no diagrama PV abaixo, os valores de P e V nos três estados, A, B e C, e as linhas dos processos; (b) Calcule para o gás: o calor trocado (Q), o trabalho realizado por ele (W) e sua variação de energia interna (ΔU) em todas as etapas do ciclo e os valores para o ciclo completo (coloque os valores numa tabela).
Resposta:
ΔU[J] W[J] Q[J] A→B 8300 3320 11620 B→C 0 -5530 -5530 C→A -8300 0 -8300 Total 0 -2210 -2210 Estes processos formam um ciclo termodinâmico, ou seja, uma máquina. Como o trabalho total é negativo esta máquina é um refrigerador e o coeficiente de desempenho é definido pelo calor recebido no ciclo sobre o trabalho sofrido = 11620/2210 = 5,26.
1ª Lista de exercícios sugeridos para estudar em casa
Escalas/Termômetro
- Tipler 17.39 – Relação temperatura/pressão para termômetro.
Resposta no livro
- Tipler 17.44 – Entender mudança de escala.
Resposta: Forma geral para passar da escala y para x em função de pontos de ebulição (E) e fusão (F): Tx=((Ex-Fx)/(Ey-Fy))*(Ty - Fy) + Fx
Gás Ideal
- Tipler 17.49 – Equação de Estado variando para escala genérica.
Resposta no livro
- Tipler 17.51 – Equação de Estado com variações.
Resposta no livro.
- Tipler 17.55 – Um pouco de pressão parcial e pensar na correspondência molecular.
Resposta no livro.
- Sears 18.15 – Equação de Estado.
Resposta: a) 70.3ºC b) Pequena temperatura para um metal
Cinética
- Tipler 17.61 – Fazer o cálculo de rms/energia cinética.
Resposta no livro
- Tipler 17.18 – Conceitual, relacionar aumento de cinética com aumento pressão
- Sears 18.30 – Diferença entre energia cinética e velocidade quadrática/dependência em relação à massa.
Resposta: a) é a mesma. b) Kr/Ne = 0.491; Rn/Nr = 0.301; Rn/Kr = 0.614
- Sears 18.39 – Calcular diferença de temperatura a partir de diferença de energia cinética.
Resposta: 3790ºC
Capacidade Térmica/Transição de Fase
- Tipler 18.33 – Transferência de calor/calor específico.
Resposta no livro.
- Tipler 18.35 – Calor específico/latente e relacionar potência com energia.
Resposta no livro.
- Tipler 18.59 – Capacidade térmica de mono/diatômico.
Resposta no livro.
- Sears 17.36 – Calor específico, relações de volume e energia.
Resposta: a) 38J b) 45600J
- Sears 17.44 – Analisar gráfico para obter calor específico e latente.
Resposta: a) 30000 J/kg b) líquido: 1000 J/(kg °C) sólido: 1300 J/(kg °C)
Joule/1ª lei/Diagramas
- Tipler 18.21 – Compressão adiabática, esboço de ciclo termodinâmico.
Resposta no livro.
- Tipler 18.45 – Básico de primeira lei.
Resposta no livro
- Tipler 18.53 – Outro de esboço de ciclo e cálculo de trabalho/calor trocado.
Resposta no livro.
- Sears 19.10 – Junta 1ª lei e calor específico de monoatômico.
Resposta: 113°C
- Sears 19.12 – Compressão com pressão constante, cálculo de trabalho, troca de calor, sentido do fluxo.
Resposta: a) -1.15x105 J b) -2.55x105 fluxo para fora do gás c) Não, primeira lei é válida para qualquer sistema
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Caros alunos,
A CoC-L está fazendo uma enquete para avaliar as disciplinas ministradas para os alunos da Licenciatura em Física neste 1o. sem/2020. Solicito que todos vocês respondam a enquete (acessível apenas aos alunos matriculados) até o dia 18/08 através do link: https://bit.ly/avalia-cocl2020-1
Contando com a colaboração de todos para a melhoria das disciplinas do IFUSP.
Abraço,
Kaline
Nova na data da prova SUB (24/07 as 10h) e REC (07/08 as 10h)por Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,Dada a solicitação de alguns de vocês vamos mudar na data da SUB para sexta dia 24/07 as 10h.
As médias foram fechadas ontem e estão disponíveis no Moodle. Aguardo até hoje no final do dia reclamações da correção para digitar a média no Jupiter.
Dos 27 alunos que acompanharam a disciplina e realizaram as provas, 8 estão com média abaixo de 5,0. Para estes alunos e aqueles que desejam melhorar a média recomendo fortemente estudar mais e realizar a SUB, farei a retificação das notas no Jupiter, após a correção.
Lembrando que a SUB será aberta para qualquer alunos fazer, mesmo aqueles que não faltaram nenhuma prova e estão com qualquer média. Para os alunos que faltaram provas anteriores a nota da SUB entrará no lugar da que faltou. Para aqueles que só fizerem a SUB para melhorar a nota, só vou considerar se a nota da SUB for igual ou maior que 5,0.
Média final = (P1+P2)/2, onde a P1 = Pi1 + Pi2 + Pi3 + Pi4
Abraço,
Kaline
Mudança na data da SUB para dia 21/07 (terça) as 8hpor Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
Dada a solicitação de vocês vamos mudar na data da SUB para terça dia 21/07 as 8h.
As médias serão fechadas dia 17/07 e digitados no Jupiter.
Para os alunos que fizerem a SUB, farei a retificação das notas, após a correção.
Lembrando que a SUB será aberta para qualquer alunos fazer, mesmo aqueles que não faltaram nenhuma prova. Para os alunos que faltaram provas anteriores a nota da SUB entrará no lugar da que faltou. Para aqueles que só fizerem a SUB para melhorar a nota, só vou considerar se a nota da SUB for igual ou maior que 5,0.
Média final = (P1+P2)/2, onde a P1 = Pi1 + Pi2 + Pi3 + Pi4
Abraço,
Kaline
Notas e provaspor Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
Todas as notas e provinhas estão disponíveis no Moodle para vocês conferirem.
Na semana passada finalizamos o conteúdo da disciplina de Física do Calor. Na próxima sexta teremos nossa última provinha Pi4 em 26/06 com o assunto de radiação e gás real com o modelo de van der Waals aplicado a cálculos de propriedades termodinâmicas, trabalho, calor, entropia, etc.
Considerando que a reitoria mudou o calendário acadêmico para a finalização do semestre em 18/07 e para termos mais tempo para resolver exercícios e tirar dúvidas estou adiando a prova geral (P2), com toda a matéria, valendo 10,0 pontos, para o dia 10/07 (sexta) e a prova substitutiva para o dia 17/07 (sexta). Nos horários das aulas até dia 17/07 estarei on-line no Zoom a disposição de vocês resolvendo exercícios, tirando dúvidas e fazendo revisão da matéria.
Abraço,
Kaline
Adiamento da Pi3 para a sexta seguinte (dia 12/06)por Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
vamos adiar a provinha Pi3 para a próxima semana, sexta dia 12/06, pois notei que ficou um tempo muito curto entre a aula sobre entropia e a provinha, não dando tempo suficiente para vocês estudarem e amadurecerem o conteúdo.
Sendo assim, informo que na sexta (dia 05/06) teremos aula normalmente.
Abraço,
Kaline
Provinha mantida na sexta (dia 22/05)por Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,independentente da antecipação de feriados, as datas das provinhas da disciplina de Física do Calor (Diurno) serão mantidas, pois estamos muito atrasados no cronograma original da disciplina e se não fizermos um esforço para dar continuidade as nossas atividades virtuais, não conseguiremos finalizar o semestre no período correto para que possamos realizar provas substitutivas e prova de recuperação antes do período de matrícula do próximo semestre.
Sendo assim, para não correr o risco de perdermos o semestre desta disciplina, vamos manter as datas das aulas e avaliações conforme nosso cronograma.
Se algum aluno tiver algum problema pontual, por favor, entre em contato comigo no email: kaline@if.usp.br.
Abraço,
Kaline
Questionário eletrônico sobre as disciplinas virtuaispor Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,Com o intuito de avaliar o andamento das disciplinas virtuais, o IFUSP formulou um questionário eletrônico (link https://forms.gle/xeEYUK2YSqEVbYYA9) que deve ser preenchido pelos alunos até o dia 22 de maio.
Solicito que todos vocês acessem este link e respondam as perguntas.
Abraço,
Kaline
Amanhã não teremos aula devido ao feriadopor Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
lembro a todos que amanhã não teremos aula devido ao feriado.
Desejo a todos bom final de semana e fiquem em casa.
Abraço e até terça,
Kaline
Novo Cronograma das avaliaçõespor Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
atualizei no Moodle o novo cronograma com as datas das avaliações.
Serão feitas 4 provinhas, que valerá 2,5 pontos cada uma, a se realizar nas seguintes datas: Pi1 em 28/04 (terça), Pi2 em 22/05 (sexta), Pi3 em 05/06 (sexta) e Pi4 em 26/06 (sexta). As quatro notas das provinhas vão somar para compor a nota da P1. Uma prova geral (P2), com toda a matéria, valendo 10,0 pontos se realizará em 03/07 (sexta). A nota final será calculada como a média aritmética dessas duas notas (P1 e P2). A prova substitutiva, com toda a matéria, será no dia 14/07 (terça) para os alunos que faltarem a P2 com justificativa.
Para estudar para a Pi1 estou mandando em anexo uma lista de exercícios para estudar (também está no Moodle).
Abraço,
Kaline
Caros alunos,o IFUSP implementou senhas nas salas de aula virtuais com o Zoom.
Para acessar as aulas da nossa disciplina, Fisica do Calor - Sala: 2019, a partir de amanhã será necessário utilizar a seguinte senha: ******* (vejam a senha no email)
Abraço a todos e até amanhã as 8h,
Kaline
Alunos,
lembro a todos que esta é a Semana Santa e de acordo com o calendário da USP, não teremos aula nesta semana. Na terça seguinte (dia 14/04) teremos aula virtual as 8h.
Abraço e boa Páscoa para todos,
Kaline
Provinha amanhãpor Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
amanhã teremos 30 min de aula para tirar dúvidas e após teremos um simulado de avaliação no Moodle das 10:30h as 12h como combinado com vocês durante a aula de ontem.
Esta avaliação será corrigida e atribuída nota só para auto-avaliação de vocês, pois será só um treino de como o sistema funciona e das dificuldades que possam ocorrer.
O conteúdo desta avaliação: capítulo 17 (seções 17-1, 17-2 e 17-3) e capítulo 18 (seções 18-1 e 18-2).
As questões conceituais devem ser respondidas na caixa de texto disponibilizada para resposta e as questões numéricas devem ser respondidas numa folha de papel, fotografada e carregada no Moodle.
Qualquer dúvida me mandem email.
Abraço,
Kaline
Aulas virtuais de Física do Calor: início amanhã 31/03 as 8hpor Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
amanhã vamos iniciar as aulas virtuais da disciplina de Física do Calor as 8h com a plataforma Zoom.
Visitem o link: https://agenda.if.usp.br/Web/view-schedule.php e selecionem a nossa sala de aula virtual no horário de terça das 8-10h sala 2019.
Para aqueles que ainda não utilizaram esta plataforma, sugiro que acessem o site https://zoom.us instalem o programa no micro, tablet ou celular e se registrem com o email @usp.br. Assim, amanhã vou explicar como serão nossas atividades virtuais, novo calendário e avaliações.
Abraço a todos e até amanhã,
Kaline
Suspensão das aulas na USP a partir de terça dia 17/03 (amanhã)por Kaline Rabelo Coutinho -Caros alunos,
a maioria de vocês já deve estar sabendo que a reitoria suspendeu todas as aulas presenciais na USP a partir de amanhã (terça dia 17/03). Vejam mais informações no site: coronavirus.usp.br
Então não teremos aulas nem avaliações presenciais por um tempo indeterminado. Com base na experiência dos outros países, 3 meses é o período previsto para o processo crítico da epidemia. Por isto, com o objetivo de não perdemos o semestre letivo, nas próximas duas semanas, o IFUSP estará disponibilizando uma plataforma para aulas virtuais. Isto significa que os professores poderão dar aulas (de suas casas ou IFUSP) e vocês poderão assistir online (em qualquer lugar). Assim poderemos continuar nossas atividades acadêmicas enquanto a suspensão das aulas presenciais continuar. Então gostaria que todos vocês verificassem se terão acesso a internet nos horários das aulas para continuarmos nossas atividades virtuais no dia 31/03 (terça as 8h). Solicito aos alunos que não conseguirão acesso a internet que me avisem no email: kaline@if.usp.br informando o nome e número USP para eu saber contabilizar a situação e buscar uma solução para o problema. Lembrando a todos que se não conseguirmos realizar as aulas virtuais possivelmente perderemos o semestre letivo, então é muito importante que todos façam esforços para desenvolvermos nossas atividades acadêmicas de forma não presencial.Então, sugiro que fiquem em casa, evitando aglomeração e aguardando mais informações que enviarei assim que possível.Abraço a todos,Kaline -
P1 = Pi1 + Pi2 + Pi3 + Pi4
Média = (P1 + P2)/2 Se igual ou maior que 5,0 APROVADO e se entre 3,0 e 4,9 deve fazer a SUB para tentar recuperar a nota. Se não conseguir precisará fazer a REC.
No USP Pi1 Pi2 Pi3 Pi4 P1 P2 Média SUB Média Final 5214032 0.6 0.8 1.4 5.5 3.5 5.5 5.5 8522921 1.9 0.5 1.9 4.3 6.4 5.4 5.4 9010133 0.6 0.8 2.0 1.5 4.9 3.6 4.3 6.5 5.7 10350299 1.1 1.7 0.8 4.9 3.6 4.7 5.0
=1.3 Pi24.7 10801127 2.4 2.3 2.4 2.3 9.4 8.8 9.1 9.1 10876413 0.3 1.0 1.5 1.6 4.4 4.6 4.5 5.4 5.0 11011782 1.0 2.2 2.2 1.3 6.7 4.5 5.6 5.6 11223628 0.8 1.7 1.5 1.1 5.1 4.2 4.7 5.6 5.4 11223701 1.2 0.6 1.5 2.4 5.7 3.7 4.7 6.0 5.9 11223715 1.8 1.6 1.6 1.4 6.4 5.6 6.0 6.0 11223722 1.0 0.6 1.9 2.4 5.9 8.1 7.0 7.0 11223736 2.2 2.0 2.1 2.3 8.6 8.0 8.3 8.3 11223799 2.1 2.5 2.1 2.5 9.2 5.2 7.2 6.4 7.8 11223952 1.7 1.3 1.6 1.6 6.2 5.4 5.8 5.8 11224060 0.6 2.0 1.7 1.8 6.1 7.8 7.0 7.0 11224077 1.4 2.0 1.7 2.4 7.5 6.2 6.9 6.9 11224098 1.3 1.7 2.1 2.2 7.3 8.1 7.7 7.7 11224101 2.1 1.9 1.9 2.4 8.3 8.2 8.3 8.3 11276833 0.8 1.9 1.4 1.6 5.7 3.8 4.8 5.0 5.4 11276937 1.4 1.4 1.9 2.3 7.0 8.0 7.5 7.5 11298302 1.4 2.0 1.0 2.4 6.8 6.1 6.5 6.5 11298452 1.6 2.1 1.6 1.6 6.9 6.1 6.5 6.5 11298507 1.6 1.1 1.7 2.1 6.5 3.3 5.7 6.1 11298553 0.8 2.4 1.9 2.1 7.2 6.7 7.0 6.9 7.1 11321350 2.0 2.2 2.1 2.2 8.5 6.6 7.6 7.7 8.1 11321364 1.6 2.1 2.0 2.4 8.1 5.6 6.9 6.9 11352484 2.2 2.4 1.9 2.2 8.7 8.2 8.5 8.5 -
Caros, aqui será colocado semanalmente o link das monitorias de terça-feira.
Hoje (02/07):
https://meet.google.com/vfc-cvha-fdx