Calor vs Temperatura: Quais são as semelhanças e diferenças? (c / gráfico)

As pessoas às vezes usam os termosaqueceretemperaturaintercambiavelmente. Eles associam calor com a palavraquentee entenda a temperatura como também relacionada ao "calor" ou "frio" de algo. Talvez digam que a temperatura em um dia de primavera parece certa porque é a quantidade certa de calor.

Na física, entretanto, essas duas quantidades são bastante distintas uma da outra. Eles não são medidas da mesma coisa e não têm as mesmas unidades, embora ambos possam informar sua compreensão das propriedades térmicas.

Para entender o calor e a temperatura em um nível fundamental, primeiro é importante entender o conceito de energia interna. Embora você possa estar familiarizado com objetos que possuem energia cinética devido ao seu movimento, ou energia potencial devido a sua posição, dentro de um determinado objeto, as próprias moléculas também podem ter uma forma de cinética e potencial energia.

Esta energia cinética molecular e potencial é separada do que você pode ver quando olha para, digamos, um tijolo. Um tijolo colocado no chão parece estar imóvel e você pode supor que ele não tenha energia cinética ou potencial associada a ele. E, de fato, não no sentido de sua compreensão da mecânica básica.

Mas o tijolo em si é composto de muitas moléculas que individualmente estão passando por diferentes tipos de pequenos movimentos que você não pode ver. As moléculas também podem experimentar energia potencial devido à sua proximidade com outras moléculas e as forças exercidas entre elas. A energia interna total deste tijolo é a soma das energias cinética e potencial das próprias moléculas.

Como você provavelmente aprendeu, a energia é conservada. No caso de nenhuma fricção ou forças dissipativas atuarem sobre um objeto, a energia mecânica também é conservada. Ou seja, a energia cinética pode se transformar em energia potencial e vice-versa, mas o total permanece constante. Quando uma força como o atrito atua, entretanto, você pode notar a diminuição da energia mecânica total. Isso ocorre porque a energia assumiu outras formas, como energia sonora ou energia térmica.

Quando você esfrega as mãos em um dia frio, você converte energia mecânica em energia térmica. Ou seja, a energia cinética de suas mãos movendo-se uma contra a outra mudou de forma e tornou-se a energia cinética das moléculas em suas mãos em relação umas às outras. A média dessa energia cinética nas moléculas em suas mãos é o que os cientistas definem como temperatura.

A temperatura é uma medida da energia cinética média por molécula de uma substância. Observe que não é o mesmo que a energia interna da substância porque não inclui a energia potencial e também não é uma medida da energia total da substância. Em vez disso, é a energia cinética total dividida pelo número de moléculas. Como tal, não depende de quanto de algo você tem (como a energia interna total), mas sim de quanta energia cinética a molécula média da substância está carregando.

A temperatura pode ser medida em muitas unidades diferentes. Entre eles estão Fahrenheit, que é mais comum nos EUA e em alguns outros lugares. Na escala Fahrenheit, a água congela a 32 graus e ferve a 212. Outra escala comum é a escala Celsius, usada em muitos outros lugares do mundo. Nesta escala, a água congela a 0 graus e ferve a 100 graus (o que dá uma ideia bastante clara de como esta escala foi concebida).

Mas o padrão científico é a escala Kelvin. Enquanto o tamanho de um incremento na escala Kelvin é o mesmo que um grau Celsius, a escala Kelvin começa em uma temperatura chamada zero absoluto, que é onde todo o movimento molecular pára. Em outras palavras, começa na temperatura mais fria possível.

Zero graus Celsius é 273,15 na escala Kelvin. A escala Kelvin é o padrão científico por um bom motivo. Suponha que algo esteja a 0 graus Celsius. O que significaria dizer que um segundo objeto tem o dobro da temperatura? Esse item também seria 0 Celsius? Bem, na escala Kelvin, essa noção não causa problemas, e é exatamente porque começa no zero absoluto.

Considere duas substâncias ou objetos em temperaturas diferentes. O que isto significa? Isso significa que, em média, as moléculas em uma das substâncias (a de temperatura mais alta) são movendo-se com uma energia cinética média maior do que as moléculas na temperatura mais baixa substância.

Se essas duas substâncias entrarem em contato, não surpreendentemente, a energia começa a diminuir entre as substâncias à medida que ocorrem colisões microscópicas. A substância que estava inicialmente na temperatura mais alta esfriará conforme a outra substância aumenta de temperatura, até que ambas tenham a mesma temperatura. Os cientistas chamam este estado finalEquilíbrio térmico​.

A energia térmica que é transferida do objeto mais quente para o objeto mais frio é o que os cientistas chamam de calor. O calor é a forma de energia transferida entre dois materiais que estão em temperaturas diferentes. O calor sempre flui do material com temperatura mais alta para o material com temperatura mais baixa até que o equilíbrio térmico seja alcançado.

Como o calor é uma forma de energia, a unidade SI de calor é o joule.

Como você viu pelas definições anteriores, calor e temperatura são, de fato, duas medidas físicas distintas. Estas são apenas algumas das diferenças:

​Eles são medidos em unidades diferentes.A unidade SI para temperatura é Kelvin, e a unidade SI para calor é joule. O Kelvin é considerado uma unidade básica, o que significa que não pode ser dividido em uma combinação de outras unidades fundamentais. O joule é equivalente a kgm²/ s².

​Eles diferem em sua dependência do número de moléculas.Temperatura é uma medida da energia cinética média por molécula, o que significa que não importa a quantidade de uma substância que você tem quando está falando de temperatura. A quantidade de energia térmica que pode ser transferida entre as substâncias, no entanto, depende muito de quanto de cada substância você tem.

​Eles são diferentes tipos de variáveis.A temperatura é conhecida como uma variável de estado. Ou seja, define o estado em que uma substância ou objeto está. O calor, por outro lado, é uma variável do processo. Ele descreve um processo que está ocorrendo - neste caso, a energia sendo transferida. Não faz sentido falar sobre calor quando tudo está em equilíbrio.

​Eles são medidos de forma diferente.A temperatura é medida com um termômetro, que normalmente é um dispositivo que faz uso da expansão térmica para alterar a leitura em uma escala. O calor, por outro lado, é medido com um calorímetro.

Calor e temperatura não são totalmente independentes um do outro, no entanto:

​Ambos são quantidades importantes em termodinâmica.O estudo da energia térmica depende da capacidade de medir a temperatura, bem como de acompanhar as transferências de calor.

​A transferência de calor é impulsionada por diferenças de temperatura.Quando dois objetos estão em temperaturas diferentes, a energia térmica será transferida do mais quente para o mais frio até que o equilíbrio térmico seja alcançado. Como tal, essas diferenças de temperatura são o motor da transferência de calor.

​Eles tendem a aumentar e diminuir juntos.Se for adicionado calor a um sistema, a temperatura sobe. Se o calor for removido de um sistema, a temperatura cai. (Uma exceção a isso ocorre com as transições de fase, em cujo caso a energia térmica é usada para causar uma transição de fase em vez de uma mudança na temperatura.)

​Eles estão relacionados entre si por uma equação.Energia termicaQestá relacionado a uma mudança na temperaturaΔTatravés da equação Q = mcΔT ondemé a massa da substância ecé sua capacidade de calor específica (ou seja, uma medida da quantidade de energia térmica necessária para elevar uma unidade de massa em um grau Kelvin para uma determinada substância.)

Energia interna é a energia cinética e potencial interna total, ou energia térmica de um material. Para um gás ideal, em que a energia potencial entre as moléculas é desprezível, a energia internaEé dado pela fórmula E = 3 / 2nRT ondené o número de moles do gás e a constante universal do gásR= 8,3145 J / molK.

A relação entre energia interna e temperatura mostra que, não surpreendentemente, à medida que a temperatura aumenta, a energia térmica também aumenta. A energia interna também se torna 0 em 0 Kelvin absoluto.

O calor entra em cena quando você começa a observar as mudanças na energia interna. A primeira lei da termodinâmica fornece a seguinte relação:

OndeQé o calor adicionado ao sistema eCé o trabalho realizado pelo sistema. Em essência, esta é uma declaração de conservação de energia. Quando você adiciona energia térmica, a energia interna aumenta. Se o sistema funcionar em seu entorno, a energia interna diminui.

Conforme mencionado anteriormente, a energia térmica adicionada a um sistema normalmente resulta em um aumento de temperatura correspondente, a menos que o sistema esteja passando por uma mudança de fase. Para examinar isso mais de perto, considere um bloco de gelo que começa abaixo de zero à medida que a energia térmica é adicionada a uma taxa constante.

Se a energia térmica for adicionada continuamente enquanto o bloco de gelo aquece até o congelamento, passa por uma mudança de fase para se tornar água e então continua a aquecer até chegar à ebulição, onde passa por outra mudança de fase para se tornar vapor, o gráfico da temperatura vs. calor será parecido com o seguinte:

Enquanto o gelo está abaixo de zero, existe uma relação linear entre a energia térmica e a temperatura. Isso não é surpreendente como deveria ser, dada a equação Q = mcΔT. Uma vez que o gelo atinge a temperatura de congelamento, no entanto, qualquer energia térmica adicionada deve ser usada para ajudá-lo a mudar de fase. A temperatura permanece constante, embora o calor ainda esteja sendo adicionado. A equação que relaciona a energia térmica à massa durante uma mudança de fase de sólido para líquido é a seguinte:

Ondeeu_fé o calor latente de fusão - uma constante que relaciona quanta energia é necessária por unidade de massa para causar a mudança de sólido para líquido.

Então, até uma quantidade de calor igual amL_ffoi adicionado, a temperatura permanece constante.

Assim que todo o gelo derreter, a temperatura sobe novamente de forma linear até atingir o ponto de ebulição. Aqui novamente ocorre uma mudança de fase, desta vez de líquido para gasoso. A equação que relaciona o calor à massa durante esta mudança de fase é muito semelhante:

Ondeeu_vé o calor latente de vaporização - uma constante que relaciona quanta energia é necessária por unidade de massa para causar a mudança de líquido para gás. Assim, a temperatura mais uma vez permanece constante até que energia térmica suficiente seja adicionada. Observe que ele permanece constante por mais tempo neste momento. Isso é porqueeu_vé tipicamente mais alto do queeu_fpara uma substância.

A última parte do gráfico mostra novamente a mesma relação linear de antes.