Energia térmica, também chamada deenergia termicaou simplesmenteaquecer, é um tipo deinternoenergia que um objeto possui devido à energia cinética de suas partículas constituintes.
A própria energia, embora seja fácil de definir em termos matemáticos, está entre as quantidades mais elusivas da física em termos do que é fundamentalmenteé. Existem muitas formas de energia e é mais fácil definir a energia em termos dos limites de seu comportamento aritmético do que enquadrá-la em uma linguagem precisa.
diferentetranslacionalourotacionalenergia cinética, que surge do movimento através de alguma distância linear ou em um círculo, respectivamente (e estes podem ocorrer juntos, como com um Frisbee), a energia térmica vem do movimento de um grande número de partículas minúsculas, movimento que pode ser pensado como vibração em torno de pontos fixos em espaço.
Em média, cada partícula é encontrada em um lugar particular dentro do sistema estendido à medida que vagueia freneticamente sobre esse ponto, mesmo que em nenhum momento a partícula seja estatisticamente provável encontrado lá. É mais ou menos como a posição média da Terra ao longo do tempo perto do centro do Sol, embora esse arranjo (felizmente!) Nunca ocorra.
Sempre que dois materiais entram em contato, incluindo ar,atritoresultados, e parte da energia total do sistema - que, como você verá, deve sempre permanecer constante - é transformada em energia térmica.
O objeto e seus arredores experimentam um aumento emtemperatura, qual é omanifestação quantificável de energia térmica e transferência de calor, medido em graus Celsius (° C), graus Fahrenheit (° F) ou Kelvin (K). Quando os objetos perdem calor, eles caem para uma temperatura mais baixa.
O que é energia?
A energia vem em várias formas, bem como em várias unidades, sendo a mais comum ojoule (J), nomeado em homenagem a James Prescott Joule. O próprio joule tem unidades de força vezes distância, ou newton-metros (N⋅m). Mais fundamentalmente, as unidades de energia são kg⋅m2/ s2.
Um conceito intimamente ligado à energia étrabalhos, que tem unidadesdeenergia, mas não é consideradacomoenergia pelos físicos. Pode-se dizer que o trabalho foi "feito" em umsistemaadicionando energia a ele, o que resulta em uma mudança física no sistema (por exemplo, ele move um pistão ou gira uma bobina magnética - isto é, faz um trabalho útil). Um sistema é qualquer configuração física com limites claramente definidos, que pode até ser a Terra como um todo.
Além da energia térmica (geralmente escrita Q) e energia cinética (o tipo linear ou rotacional "normal"), outros tipos de energia incluemenergia potencial, energia mecânicaeenergia elétrica. O aspecto crítico da energia é que, não importa como ela apareça em qualquer sistema, é sempreconservado.
Energia térmica: a forma menos útil de energia
Quando há transferência de energia térmica para o meio ambiente (ou seja, ela "se dissipa" ou "se perde"), de claro que nenhuma energia está realmente sendo destruída de forma alguma, pois isso violaria a conservação de energia.
Esse calor, no entanto, não pode ser totalmente recapturado e reutilizado, por isso é chamado de forma de energia menos útil. Sempre que você passa por um prédio ou ventilação subterrânea no inverno e uma nuvem infinita de vapor ou ar quente está fluindo, esse é um exemplo claro de energia térmica que é energia "inútil". Por outro lado, ummotor térmicocomo aquele em carros movidos a gasolina usa energia térmica para energia mecânica.
Energia térmica e temperatura
A temperatura de um objeto ou sistema é uma medida domédiaenergia cinética translacional por molécula desse objeto, enquanto a energia térmica é a energia interna total do sistema. Quando as partículas se movem, sempre há energia cinética. Mover o calor para cima contra um gradiente de temperatura requer trabalho, como o uso de bombas de calor.
Calor e o mundo cotidiano
A energia térmica pode estar aparecendo aqui como uma quantidade desonesta, mas pode ser e é colocada em excelente uso na culinária e em outras áreas. Ao digerir os alimentos, você converte a energia química das ligações em carboidratos, proteínas e gordura em calor ("calorias" em vez de joules em termos comuns).
Atritogera calor, muitas vezes com pressa. Se você esfregar as mãos rapidamente, elas se aquecerão rapidamente. Uma arma automática dispara balas para fora do cano tão rapidamente que o metal fica perigosamente quente ao toque quase imediatamente.
Energia Térmica e Conservação de Energia: Exemplo
Considere uma bola de gude rolando dentro de uma tigela. O "sistema" também inclui o meio ambiente (ou seja, a Terra como um todo). À medida que sobe lateralmente, mais de sua energia total é convertida em energia potencial gravitacional; à medida que acelera próximo ao fundo, mais dessa energia é transformada em energia cinética. Se essa fosse toda a história, a bola de gude continuaria subindo e descendo para sempre, atingindo as mesmas alturas e velocidades a cada ciclo.
Em vez disso, cada vez que a bola de gude sobe pela lateral, ela sobe um pouco menos alto, e sua velocidade na parte inferior é um pouco menor, até que eventualmente a bola de gude pare na parte inferior. Isso ocorre porque o tempo todo em que a bola de gude rolou, mais e mais da "torta" de energia total foi sendo convertida a uma "fatia" cada vez maior de energia térmica e dissipada no meio ambiente, não mais utilizável pelo mármore. No fundo, toda a energia do sistema "se tornou" energia térmica.
Equação de energia térmica: capacidade de calor
Uma das equações que você pode encontrar é aquela paracapacidade de calor:
Q = mC \ Delta T
OndeQé a energia térmica em joules,mé a massa do objeto sendo aquecido,Cé do objetocalor específico capacidadeedelta Té sua mudança de temperatura em Celsius. A capacidade térmica específica de uma substância é aquantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 grama dessa substância em 1 grau Celsius.
Capacidades de calor mais altas implicam, portanto, em uma maior resistência à mudança de temperatura para uma dada massa de uma substância, e mais massa por si só significa uma capacidade de calor mais alta. Isso faz sentido intuitivamente; se você expôs 10 mL de água a "alta" em um microondas por um minuto, a mudança de temperatura será muito maior do que se você aquecesse 1.000 mL de água começando na mesma temperatura pelo mesmo período de tempo.
As Leis da Termodinâmica
Termodinâmica é o estudo de como o trabalho, o calor e a energia interna interagem em um sistema. É importante ressaltar que ele está preocupado apenas com observações em grande escala que podem ser medidas; a teoria cinética dos gases trata das interações de nível vibracional.
A primeira lei da termodinâmicaafirma que as mudanças na energia interna podem ser explicadas por perdas de calor: ΔE = Q - W, ondeΔEé a mudança na energia interna (Δ é a letra grega "delta" e significa "diferença" aqui),Qé a quantidade de energia térmica transferidapara dentroo sistema eCo trabalho está feitodeo sistema nas redondezas.
A segunda lei da termodinâmicaafirma que sempre que o trabalho é feito, a quantidade deentropiana atmosfera aumenta. Assim, o fluxo de energia térmica está continuamente causando o aumento da entropia.
- Entropia (S) é uma variável de estado, uma propriedade termodinâmica de um sistema que significa vagamente "desordem", e seu movimento pode ser expresso como
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
A terceira lei da termodinâmicaafirma que a entropiaSde um sistema se aproxima de um valor constante conforme a temperaturaTpertozero absoluto(0 K, ou -273 C).
Quando um objeto está em uma temperatura mais alta do que um objeto próximo, essa diferença de temperatura favorece a transferência de energia na forma de calor para o objeto mais frio.
Existem três maneiras básicas de realizar a transferência de calor de um objeto para outro:Condução(contato direto),convecção(movimento através de um líquido ou gás) e térmicoradiação(movimento através do espaço).