Calor (Física): Definição, Fórmula e Exemplos

Todo mundo está familiarizado com o conceito de estar muito quente ou muito frio ou sentir o calor do sol em um dia quente, mas o que significa especificamente a palavra "calor"? É uma propriedade de algo "quente"? É a mesma coisa que temperatura? Acontece que o calor é uma quantidade mensurável que os físicos definiram com precisão.

Calor é o que os cientistas chamam de forma de energia que é transferida entre dois materiais de diferentes temperaturas. Essa transferência de energia ocorre devido às diferenças na energia cinética translacional média por molécula nos dois materiais. O calor flui do material com temperatura mais alta para o material com temperatura mais baixa até que o equilíbrio térmico seja alcançado. A unidade SI de calor é o joule, onde 1 joule = 1 newton × metro.

Para entender melhor o que está acontecendo quando essa transferência de energia ocorre, imagine o seguinte cenário: Dois recipientes diferentes são preenchidos com pequenas bolas de borracha quicando ao redor. Em um dos recipientes, a velocidade média das bolas (e, portanto, sua energia cinética média) é muito maior do que a velocidade média das bolas no segundo recipiente (embora a velocidade de qualquer bola individual possa ser qualquer coisa em qualquer ponto no tempo, já que tantas colisões causam uma transferência contínua de energia entre os bolas.)

Se você colocar esses recipientes de modo que seus lados se toquem e, em seguida, remover as paredes que separam seu conteúdo, o que você espera que aconteça?

As bolas do primeiro recipiente começarão a interagir com as bolas do segundo recipiente. À medida que mais e mais colisões ocorrem entre as bolas, gradualmente as velocidades médias das bolas de ambos os recipientes se tornam as mesmas. Parte da energia das bolas do primeiro recipiente é transferida para as bolas do segundo recipiente até que esse novo equilíbrio seja alcançado.

Isso é essencialmente o que está acontecendo em um nível microscópico quando dois objetos de temperatura diferente entram em contato um com o outro. A energia do objeto em temperatura mais alta é transferida na forma de calor para o objeto de temperatura mais baixa.

Temperatura é uma medida da energia cinética translacional média por molécula em uma substância. Na analogia das bolas no contêiner, é uma medida da energia cinética média por bola em um determinado contêiner. No nível molecular, todos os átomos e moléculas vibram e balançam. Você não pode ver esse movimento porque acontece em uma escala muito pequena.

As escalas de temperatura comuns são Fahrenheit, Celsius e Kelvin, com Kelvin sendo o padrão científico. A escala Fahrenheit é mais comum nos Estados Unidos. Nessa escala, a água congela a 32 graus e ferve a 212 graus. Na escala Celsius, comum na maioria dos outros lugares do mundo, a água congela a 0 graus e ferve a 100 graus.

O padrão científico, entretanto, é a escala Kelvin. Embora o tamanho de um incremento na escala Kelvin seja igual ao tamanho de um grau na escala Celsius, seu valor 0 é definido em um local diferente. 0 Kelvin é igual a -273,15 graus Celsius.

Por que uma escolha tão estranha para 0? Acontece que esta é uma escolha muito menos estranha do que o valor zero da escala Celsius. 0 Kelvin é a temperatura na qual todo o movimento molecular pára. É a temperatura mais fria absoluta teoricamente possível.

Sob essa luz, a escala Kelvin faz muito mais sentido do que a escala Celsius. Pense em como a distância é medida, por exemplo. Seria estranho criar uma escala de distâncias onde o valor 0 fosse equivalente à marca de 1 m. Nessa escala, o que significaria algo ter o dobro do comprimento de outra coisa?

A energia interna total de uma substância é o total das energias cinéticas de todas as suas moléculas. Depende da temperatura da substância (a energia cinética média por molécula) e da quantidade total da substância (o número de moléculas).

É possível que dois objetos tenham a mesma energia interna total, embora tenham temperaturas totalmente diferentes. Por exemplo, um objeto mais frio terá uma energia cinética média mais baixa por molécula, mas se o número de moléculas são grandes, então ele ainda pode acabar com a mesma energia interna total de um objeto mais quente com menos moléculas.

Um resultado surpreendente desta relação entre a energia interna total e a temperatura é o fato de que um grande bloco de gelo pode acabar com mais energia do que uma cabeça de fósforo acesa, mesmo que a cabeça de fósforo esteja tão quente que está ligada incêndio!

Existem três métodos principais pelos quais a energia térmica é transferida de um objeto para outro. Eles são condução, convecção e radiação.

​Conduçãoocorre quando a energia é transferida diretamente entre dois materiais em contato térmico um com o outro. Esse é o tipo de transferência que ocorre na analogia da bola de borracha descrita anteriormente neste artigo. Quando dois objetos estão em contato direto, a energia é transferida por meio de colisões entre suas moléculas. Essa energia lentamente faz seu caminho do ponto de contato para o resto do objeto inicialmente mais frio, até que o equilíbrio térmico seja alcançado.

No entanto, nem todos os objetos ou substâncias conduzem energia igualmente bem. Alguns materiais, chamados de bons condutores térmicos, podem transferir energia térmica mais prontamente do que outros materiais, chamados de bons isolantes térmicos.

Você provavelmente já teve experiência com esses condutores e isolantes em sua vida diária. Em uma manhã fria de inverno, como pisar descalço em um piso de cerâmica se compara a pisar descalço em um carpete? Provavelmente parece que o tapete está mais quente, mas não é o caso. Ambos os pisos provavelmente têm a mesma temperatura, mas o ladrilho é um condutor térmico muito melhor. Por causa disso, faz com que a energia térmica deixe seu corpo muito mais rapidamente.

​Convecçãoé uma forma de transferência de calor que ocorre em gases ou fluidos. Os gases e, em menor grau, os fluidos, sofrem mudanças em sua densidade com a temperatura. Normalmente, quanto mais quentes, menos densos são. Por causa disso, e porque as moléculas nos gases e fluidos são livres para se mover, se a parte inferior ficar quente, ela se expandirá e, portanto, subirá para o topo devido à sua densidade mais baixa.

Se você colocar uma panela com água no fogão, por exemplo, a água do fundo da panela aquece, se expande e sobe para o topo à medida que a água fria vai baixando. A água mais fria então aquece, se expande e sobe e assim por diante, criando correntes de convecção que fazem com que a energia térmica se disperse através do sistema por meio da mistura das moléculas dentro do sistema (ao contrário de todas as moléculas permanecerem aproximadamente no mesmo lugar enquanto balançam para frente e para trás, saltando em cada outro.)

A convecção é a razão pela qual os aquecedores funcionam melhor para aquecer uma casa se forem colocados perto do chão. Um aquecedor colocado perto do teto aqueceria o ar próximo ao teto, mas esse ar permaneceria parado.

A terceira forma de transferência de calor éradiação. A radiação é a transferência de energia por meio de ondas eletromagnéticas. Objetos quentes podem emitir energia na forma de radiação eletromagnética. É assim que a energia térmica do sol chega à Terra, por exemplo. Uma vez que a radiação entra em contato com outro objeto, os átomos desse objeto podem ganhar energia ao absorvê-la.

Dois materiais diferentes da mesma massa sofrerão mudanças de temperatura diferentes, apesar de terem a mesma energia total adicionada devido a diferenças em uma quantidade chamadacapacidade de calor específica. A capacidade de calor específico depende do material em questão. Normalmente, você procura o valor da capacidade de calor específica de um material em uma tabela.

Mais formalmente, a capacidade térmica específica é definida como a quantidade de energia térmica que deve ser adicionada por unidade de massa para aumentar a temperatura em um grau Celsius. As unidades SI para capacidade de calor específica, geralmente denotadas porc, são J / kgK.

Pense nisso assim: suponha que você tenha duas substâncias diferentes que pesam exatamente o mesmo e estão exatamente na mesma temperatura. A primeira substância tem uma alta capacidade de calor específico, e a segunda substância tem uma baixa capacidade de calor específico. Agora, suponha que você adicione exatamente a mesma quantidade de energia térmica a ambos. A primeira substância - aquela com maior capacidade de calor - não aumentará tanto em temperatura quanto a segunda substância.

Existem muitos fatores que afetam como a temperatura de uma substância muda quando uma determinada quantidade de energia térmica é transferida para ela. Esses fatores incluem a massa do material (uma massa menor sofrerá uma maior mudança de temperatura para uma determinada quantidade de calor adicionado) e a capacidade de calor específicac​.

Se houver uma fonte de calor fornecendo energiaP, então o calor total adicionado depende dePe tempot. Ou seja, a energia térmicaQserá igual aP​ × ​t​.

A taxa de mudança de temperatura é outro fator interessante a considerar. Os objetos mudam suas temperaturas a uma taxa constante? Acontece que a taxa de mudança depende da diferença de temperatura entre o objeto e seus arredores. A lei de resfriamento de Newton descreve essa mudança. Quanto mais próximo um objeto estiver da temperatura ambiente, mais devagar ele se aproxima do equilíbrio.

A fórmula que relaciona a mudança de temperatura à massa de um objeto, capacidade de calor específica e energia térmica adicionada ou removida é a seguinte:

Esta fórmula só se aplica, entretanto, se a substância não estiver passando por uma mudança de fase. Quando uma substância muda de sólida para líquida ou de líquida para gasosa, o calor adicionado a ela é colocado para usar causando esta mudança de fase e não resultará em uma mudança de temperatura até que a mudança de fase seja completo.

Uma quantidade chamada de calor latente de fusão, denotadaeu_f, descreve a quantidade de energia térmica por unidade de massa necessária para transformar uma substância sólida em líquida. Assim como com a capacidade térmica específica, seu valor depende das propriedades físicas do material em questão e é frequentemente consultado em tabelas. A equação que relaciona a energia térmicaQpara a massa de um materialme o calor latente de fusão é:

O mesmo ocorre ao passar do estado líquido para o gasoso. Em tal situação, uma quantidade chamada de calor latente de vaporização, denotadaeu_v, descreve quanta energia por unidade de massa deve ser adicionada para causar a mudança de fase. A equação resultante é idêntica, exceto pelo subscrito:

Energia internaEé a energia cinética interna total, ou energia térmica, em um material. Assumindo um gás ideal onde qualquer energia potencial entre as moléculas é desprezível, é dado pela fórmula:

Ondené o número de moles,Té a temperatura em Kelvin e a constante universal de gásR= 8,3145 J / molK. A energia interna torna-se 0 J em 0 K. absoluto

Em termodinâmica, a relação entre mudanças na energia interna, calor transferido e trabalho feito em ou por um sistema estão relacionadas por meio de:

Essa relação é conhecida como a primeira lei da termodinâmica. Em essência, é uma declaração de conservação de energia.