Você provavelmente está familiarizado com termômetros e medição de temperatura, sensação de calor e frio e o que é necessário para ferver água. Agora é hora de expandir sua compreensão intuitiva de calor e temperatura e aprender como os físicos fazem isso.
Nesta introdução à física térmica, você aprenderá o que são calor e temperatura, bem como a quais fenômenos este ramo da física se aplica.
O Estudo de Calor e Temperatura
A física térmica é o estudo de calor e temperatura. O calor é definido como a energia que se transfere entre dois objetos de temperaturas diferentes - movendo-se do objeto mais quente para o objeto mais frio.
Aquecer é um tipo de energia térmica. A energia térmica é a energia associada ao movimento molecular dentro de um objeto. Dentro de qualquer objeto, as moléculas não ficam simplesmente paradas; mesmo que você não possa ver visivelmente o movimento, eles estão todos balançando e batendo uns nos outros.
Temperatura é uma medida da energia cinética média por molécula. Você pode estar familiarizado com a medição em graus Fahrenheit ou mesmo Celsius, mas a unidade SI que os cientistas preferem é Kelvin.
O total energia interna um objeto depende de sua massa, temperatura e capacidade de calor específica. A capacidade de calor específico é uma medida de quanta energia térmica é necessária para aumentar a temperatura de uma unidade de massa em 1 grau. Diferentes materiais têm diferentes capacidades de calor específicas, e a capacidade de calor de qualquer material em particular pode geralmente ser consultada em uma tabela.
Transferência de Calor
O calor pode ser transferido de um objeto para outro de três maneiras principais. Estes são:
- Condução
- Convecção
- Radiação
Na condução, os dois objetos estão em contato físico e a energia térmica se move do objeto mais quente para o objeto mais frio por colisões diretas entre as moléculas nos objetos.
Na convecção, o calor é transferido por correntes de convecção. Isso acontece quando você ferve água no fogão. A água no fundo da panela aquece primeiro e, à medida que aquece, expande-se, tornando-se menos densa. Sendo menos denso, ele sobe para o topo da panela conforme a água fria afunda e depois aquece.
Na radiação, a energia térmica é transferida por meio de radiação eletromagnética. É assim que você obtém energia do sol. Essa energia viaja pelo vácuo do espaço como radiação, que então aquece a Terra quando chega até nós.
Mudanças de fase
À medida que a energia térmica é adicionada aos materiais, eles aumentam de temperatura. Em certos pontos, chamados transições de fase, o material muda de fase. Os materiais podem mudar de sólido para líquido e de líquido para gasoso e até mesmo de gás para plasma.
As temperaturas nas quais ocorre uma mudança de fase dependem do próprio material e das condições de pressão. Isso é estudado usando um diagrama de fase.
A quantidade de energia necessária para mudar a fase de um material depende do calor latente desse material. O calor latente de fusão de um material é a quantidade de energia térmica necessária para transformar uma unidade de massa dessa substância de sólida em líquida. O calor latente de vaporização de um material é a quantidade de energia térmica necessária para transformá-lo de líquido em gás.
Termodinâmica
A física térmica eventualmente leva ao estudo da termodinâmica, que é o ramo da física que estuda a mudança dos sistemas térmicos usando a teoria cinética e a mecânica estatística.
Existem três leis da termodinâmica que governam os processos termodinâmicos. Essas são chamadas, simplesmente, de primeira lei da termodinâmica, segunda lei da termodinâmica e terceira lei da termodinâmica. Quando você aprender sobre essas leis, normalmente aprenderá como elas se aplicam a um gás ideal e como fazer uso da lei dos gases ideais.
A termodinâmica pode ajudá-lo a entender como funcionam os motores a vapor, geladeiras, bombas de calor e outros itens semelhantes.
