Você sabe por experiência que quando o valor em um termômetro indica temperatura aumenta, as condições ambientais tornam-se mais quentes. Quando esse valor cai, as condições ambientais tornam-se mais frias. Você também deve estar ciente de que existem várias escalas de temperatura comuns em uso para quantificar esse fenômeno com precisão.
Se as mudanças na temperatura de alguma forma indicarem um ganho ou perda de aquecer nas proximidades, há alguma maneira de capturar a correlação? Ou seja, pode uma dada mudança na temperatura (digamos, em graus Celsius ou ° C) ser correlacionada com um dado ganho ou perda de calor - assumindo que "calor" é algo que pode ser medido com precisão na física?
De fato, correlacionar mudanças de temperatura com ganhos ou perdas de calor, em unidades úteis de calor como kilojoules (kJ), é possível - desde que você saiba literalmente com o que está lidando.
Temperatura e suas escalas
A temperatura é uma quantidade medida por um dispositivo chamado termômetro. É matematicamente derivado da energia cinética média das partículas (átomos e moléculas) em um sistema, como um recipiente fechado ou sala.
Energia cinética é energia de movimento. Quando minúsculas partículas voam pelo ar, elas colidem umas com as outras e as colisões liberam calor. Quanto mais rápida a velocidade média das partículas no sistema, mais elas irão colidir e mais calor será liberado, elevando a temperatura medida.
A unidade SI de temperatura é o Kelvin (K). Este não é um grau e, portanto, não tem nenhum símbolo associado, ao contrário do caso dos graus Celsius e Fahrenheit. No entanto, K e ° C têm a mesma magnitude no sentido de que um aumento de 1 K e um aumento de 1 ° C representam a mesma mudança física. Mas as escalas são deslocadas de modo que ° C = -273,15 K, e o valor teórico mínimo de K é 0.
Além disso, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Energia, calor e suas unidades
Você sem dúvida está familiarizado com o termo caloria como uma das muitas maneiras de medir o que o alimento que você ingere entrega à maquinaria celular do seu sistema. Algumas fontes afirmam que a caloria tem unidades de energia; outros dizem que leva unidades de calor. Na verdade, ambas as afirmações são verdadeiras, já que o calor é um dos vários subtipos da quantidade "oficial" - embora difícil de definir - na física, conhecida como energia.
Embora a caloria (cal) seja a base para a maioria das conversas públicas nos EUA sobre a energia fornecida pelos alimentos, esta não é a unidade usada em livros e periódicos de física. A unidade padrão internacional (SI) de energia e, portanto, de calor, é o joule (J).
1 caloria = 4,18 J, mas a "caloria" que você vê nos rótulos dos alimentos é na verdade uma quilocaloria (kcal) ou 1.000 calorias verdadeiras. Assim, 1 "caloria" por rotulagem nutricional é na verdade 4.180 joules, ou 4,18 kJ.
Como o calor e a temperatura estão relacionados?
Você viu como a temperatura se relaciona com o calor. Mas como o tamanho de "um grau" foi determinado em primeiro lugar? As pessoas precisavam ter uma maneira de marcar os pontos na escala de temperatura entre "congelado" e "fervido" e atribuir números a esses intervalos.
Acontece que se você adicionar uma determinada quantidade de calor (Q) em joules para um sistema, ou remover calor desse sistema, você pode determinar o quanto a temperatura do sistema mudará (∆T) em Celsius, contanto que você saiba a massa do sistema (geralmente uma amostra de água) m em gramas e seu calor específico c, que varia de substância para substância:
Q = mc (∆T)
Para água, c = 1 cal / (g) (° C) = 4,186 J / (g) (° C).
Exemplo: Se você tiver uma amostra de 1 litro de água, que tem uma massa de 1.000 g, quanta energia em kJ é necessária para aquecer a amostra em 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1.000 g) (4.186 J / g ° C) (1 ° C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Lembre-se de que essa é a quantidade de energia em uma única "caloria" do alimento. Isso é estranho quando você considera que, digamos, 1 litro de refrigerante adoçado tem cerca de 400 vezes essa quantidade, mas o corpo lida com "calorias" de maneira muito diferente de um simples jarro de água.