Termodinâmica

Objetivo de Aprendizagem 9.1.A: Descrever a pressão que um gás exerce sobre seu recipiente em termos do movimento atômico dentro desse gás.

• 9.1.A.1 Átomos em um gás colidem entre si e exercem forças uns sobre os outros e sobre o recipiente no qual o gás está contido.
  • 9.1.A.1.i Colisões envolvendo pares de átomos ou um átomo e um objeto fixo podem ser descritas e analisadas usando princípios de conservação do momento.
  • 9.1.A.1.ii A pressão exercida por um gás sobre uma superfície é a razão entre a soma das magnitudes dos componentes perpendiculares das forças exercidas pelos átomos do gás sobre a superfície e a área da superfície.
    • Equação: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
  • 9.1.A.1.iii A pressão existe em todo o próprio gás, não apenas na fronteira entre o gás e o recipiente.

Objetivo de Aprendizagem 9.1.B: Descrever a temperatura de um sistema em termos do movimento atômico dentro desse sistema.

• 9.1.B.1 A temperatura de um sistema é caracterizada pela energia cinética média dos átomos dentro desse sistema.
  • 9.1.B.1.i A distribuição de Maxwell–Boltzmann fornece uma representação gráfica das energias e velocidades dos átomos a uma temperatura dada.
  • 9.1.B.1.ii A velocidade quadrática média correspondente à energia cinética média para um gás ideal está relacionada à temperatura do gás por
    • Equação: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

Declaração de escopo: O AP Physics 2 apenas espera que os alunos realizem análise qualitativa e quantitativa de colisões em uma e duas dimensões. Os alunos não são esperados a conhecer a forma funcional da distribuição de Maxwell-Boltzmann, mas são esperados a estar familiarizados com como as características da distribuição estão relacionadas à temperatura do gás.

Objetivo de Aprendizagem 9.2.A: Descrever as propriedades de um gás ideal.

• 9.2.A.1 O modelo clássico de um gás ideal assume que as velocidades instantâneas dos átomos são aleatórias, os volumes dos átomos são desprezíveis em comparação com o volume total ocupado pelo gás, os átomos colidem elasticamente e as únicas forças apreciáveis sobre os átomos são aquelas que ocorrem durante colisões.
• 9.2.A.2 Um gás ideal é aquele em que as relações entre pressão, volume, número de mols ou número de átomos e temperatura de um gás podem ser modeladas usando a equação
  • Equação: $PV = nRT = N k_B T$
• 9.2.A.3 Gráficos que modelam a pressão, temperatura e volume de gases podem ser usados para descrever ou determinar propriedades desse gás.
• 9.2.A.4 Uma temperatura na qual um gás ideal tem pressão zero pode ser extrapolada de um gráfico de pressão em função da temperatura.

Objetivo de Aprendizagem 9.3.A: Descrever a transferência de energia entre dois sistemas em contato térmico devido às diferenças de temperatura desses dois sistemas.

• 9.3.A.1 Dois sistemas estão em contato térmico se puderem transferir energia por processos térmicos.
  • 9.3.A.1.i Aconchego é a transferência de energia para um sistema por processos térmicos.
  • 9.3.A.1.ii Resfriamento é a transferência de energia para fora de um sistema por processos térmicos.
• 9.3.A.2 Os processos térmicos pelos quais a energia pode ser transferida entre sistemas a temperaturas diferentes são condução, convecção e radiação.
• 9.3.A.3 A energia é transferida através de processos térmicos espontaneamente de um sistema de temperatura mais alta para um sistema de temperatura mais baixa.
  • 9.3.A.3.i Em colisões entre átomos de sistemas diferentes, a energia é mais provavelmente transferida de átomos de maior energia para átomos de menor energia.
  • 9.3.A.3.ii Após muitas colisões de átomos de sistemas diferentes, o estado mais provável é aquele em que ambos os sistemas têm a mesma temperatura.
• 9.3.A.4 O equilíbrio térmico resulta quando não há transferência líquida de energia por processos térmicos entre dois sistemas em contato térmico entre si.

Objetivo de Aprendizagem 9.4.A: Descrever a energia interna de um sistema.

• 9.4.A.1 A energia interna de um sistema é a soma da energia cinética dos objetos que compõem o sistema e da energia potencial da configuração desses objetos.
  • 9.4.A.1.i Os átomos em um gás ideal não interagem entre si através de forças conservativas, e a estrutura interna não é considerada. Portanto, um gás ideal não possui energia potencial interna.
  • 9.4.A.1.ii A energia interna de um gás monoatômico ideal é a soma das energias cinéticas dos átomos constituintes no gás.
    • Equação: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
• 9.4.A.2 Alterações na energia interna de um sistema podem resultar em mudanças na estrutura interna e no comportamento interno desse sistema sem alterar o movimento do centro de massa do sistema.

Objetivo de Aprendizagem 9.4.B: Descrever o comportamento de um sistema usando processos termodinâmicos.

• 9.4.B.1 A primeira lei da termodinâmica é uma reformulação da conservação de energia que leva em conta a energia transferida para ou para fora de um sistema por trabalho, aquecimento ou resfriamento.
  • 9.4.B.1.i Para um sistema isolado, a energia total é constante.
  • 9.4.B.1.ii Para um sistema fechado, a mudança na energia interna é a soma da energia transferida para ou para fora do sistema por aquecimento, ou trabalho realizado sobre o sistema.
    • Equação: $\Delta U = Q + W$
  • 9.4.B.1.iii O trabalho realizado sobre um sistema por uma pressão externa constante ou média que altera o volume desse sistema (por exemplo, um êmbolo comprimindo um gás em um recipiente) é definido como
    • Equação: $W = -P \Delta V$
• 9.4.B.2 Gráficos de pressão-volume (também conhecidos como diagramas PV) são representações usadas para representar processos termodinâmicos.
  • 9.4.B.2.i Linhas de temperatura constante em um diagrama PV são chamadas isotermas.
  • 9.4.B.2.ii O valor absoluto do trabalho realizado sobre um gás quando o gás expande ou se comprime é igual à área sob a curva de um gráfico de pressão vs. volume para o gás.
• 9.4.B.3 Casos especiais de processos térmicos dependem da relação entre a configuração do sistema, a natureza do trabalho realizado sobre o sistema e as surroundings do sistema. Estes incluem volume constante (isovolumétrico), temperatura constante (isotérmico) e pressão constante (isobárico), bem como processos onde nenhuma energia é transferida para ou para fora do sistema através de processos térmicos (adiabático).

Objetivo de Aprendizagem 9.5.A: Descrever a energia necessária para alterar a temperatura de um objeto em uma certa quantidade.

• 9.5.A.1 A quantidade de energia necessária para alterar a temperatura de um material está relacionada ao calor específico do material.
  • Equação: $Q = mc\Delta T$
• 9.5.A.2 O calor específico de um material é uma propriedade intrínseca desse material que depende do arranjo e das interações dos átomos que o compõem.

Objetivo de Aprendizagem 9.5.B: Descrever a taxa na qual a energia é transferida por condução através de um dado material.

• 9.5.B.1 A taxa na qual a energia é transferida por condução através de um dado material está relacionada à condutividade térmica, às dimensões físicas do material e à diferença de temperatura através do material.
  • Equação: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
• 9.5.B.2 A condutividade térmica de um material é uma propriedade intrínseca desse material que depende do arranjo e das interações dos átomos que o compõem.

Declaração de escopo: AP Physics 2 modelará o calor específico como independente da temperatura.

Objetivo de Aprendizagem 9.6.A: Descrever a mudança na entropia para um dado sistema ao longo do tempo.

• 9.6.A.1 A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir e permanece constante apenas quando todos os processos que o sistema sofre são reversíveis.
• 9.6.A.2 A entropia pode ser descrita qualitativamente como a tendência da energia de se espalhar ou a indisponibilidade de parte da energia do sistema para realizar trabalho.
  • 9.6.A.2.i A energia localizada tenderá a dispersar-se e espalhar-se.
  • 9.6.A.2.ii A entropia é uma função de estado e, portanto, depende apenas do estado atual ou configuração de um sistema, não de como o sistema chegou a esse estado.
  • 9.6.A.2.iii A entropia máxima ocorre quando um sistema está em equilíbrio termodinâmico.
• 9.6.A.3 A mudança na entropia de um sistema é determinada pelas interações do sistema com suas vizinhanças.
  • 9.6.A.3.i Sistemas isolados movem-se espontaneamente em direção ao equilíbrio termodinâmico.
  • 9.6.A.3.ii A entropia de um sistema isolado nunca diminui, mas a entropia de um sistema fechado pode diminuir porque energia pode ser transferida para dentro ou para fora do sistema.

Declaração de escopo: Apenas o tratamento qualitativo da segunda lei da termodinâmica está dentro do escopo do AP Physics 2.