CALOR E TEMPERATURA

Calor e Temperatura são dois conceitos fundamentais na termologia (Termofísica) os quais, são considerados sinônimos.

No entanto, o calor designa a troca de energia entre corpos, enquanto a temperatura caracteriza a agitação das moléculas de um corpo.

Calor

O calor (energia calorífica) é caracterizado pela transferência de ENERGIA TÉRMICA que flui de um corpo (com maior temperatura) ao outro (de menor temperatura) quando há diferença de temperatura entre ambos.

A PROPAGAÇÃO DE CALOR  pode ocorrer de três maneiras, a saber: condução, convecção e irradiação.

Condução Térmica

Na condução térmica, a transferência de calor é dada pela agitação das moléculas, por exemplo, ao segurar uma barra de ferro e aquecer a outra extremidade, em pouco tempo, a barra inteira se aquecerá.

As moléculas aumentam sua vibração, transmitindo energia para as vizinhas. Neste processo, elas não se deslocam, apenas transferem energia térmica.

Convecção Térmica

Na convecção térmica, a transferência de calor ocorre em líquidos e gases; é o que acontece com o aquecimento de água numa panela, donde criam-se "correntes de convecção" e a água que está próxima do fogo sobe, enquanto a que está fria desce.

Na convecção ocorre transferência de matéria. As moléculas mudam de posição, transferindo a energia térmica.

Irradiação Térmica

Por fim, na irradiação térmica, o calor é propagado por ondas eletromagnéticas, sem ser necessário o contato entre os corpos, por exemplo, se aquecer perto de uma lareira.

A irradiação ocorre sem transferência de matéria e não há necessidade de percorrer um meio material. A irradiação ocorre inclusive através do vácuo, como a energia do Sol que chega à Terra.

A irradiação térmica ocorre, principalmente, com as ondas eletromagnéticas na faixa do infravermelho.

Unidades de Medida de Calor

No Sistema Internacional de Unidades (SI) o calor é medido em joules (J), pois esta é a unidade oficial para medir energia. No entanto, outra unidade muito utilizada para medir calor é a caloria (cal).

A relação numérica entre caloria é Joule é: 1 caloria equivale a 4,184 J.

1 cal = 4,184 J

Trocas de Calor

Corpos com temperaturas diferentes trocam calor entre si e com o ambiente. A energia térmica é transferida do corpo quente (maior temperatura) para o mais frio (menor temperatura). Nestas trocas de energia se observa dois tipos de alterações: de temperatura ou de estado físico.

Estas variações ocorrem tanto com o recebimento de energia quanto na perda. Por exemplo, uma porção de líquido ao ceder uma certa quantidade de energia térmica, pode mudar de estado, solidificando ou, simplesmente diminuindo a temperatura.

Cálculo do Calor Sensível

Calor Sensível é a energia que provoca mudança de temperatura na matéria sem alterar seu estado físico.

Sendo Q, a quantidade de calor e:

• m é a massa, em quilogramas (kg);
• c é a constante calor específico e depende do material. Medido em caloria por grama Celsius (cal/g.C°);
•  é a diferença de temperatura, , medido em graus Celsius (C°).

Cálculo do Calor Latente

Calor Latente é a energia que provoca a mudança de estado na matéria sem alterar sua temperatura.

• Sendo L o calor latente. Seu valor depende do material, da mudança de estado e da temperatura;
• Q a quantidade de calor necessária para ocorrer a mudança de estado;
• m é a massa, em quilogramas (kg);

Temperatura

Temperaturaé uma grandeza física que designa a quantidade de energia cinética (movimento ou agitação) das moléculas e o estado térmico de um corpo (quente ou frio).

Quanto mais quente (alta temperatura) se apresenta o corpo, maior será sua energia cinética, ou seja, a agitação moléculas; e, quanto mais frio (baixa temperatura), menor será a agitação molecular.

Dessa forma, o equilíbrio térmico ocorre quando os dois corpos, por meio da transferência de calor, atingem a mesma temperatura.

O princípio fundamental da Termodinâmica diz que, dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, também estão em equilíbrio térmico entre si.

No Sistema Internacional de Unidades (SI) a temperatura é medida em Kelvin (K). Outras unidades de medida usuais para temperatura são o Celsius (°C) e o Fahrenheit (°F).

No Brasil, a escala de temperatura utilizada é Celsius, cujo ponto de fusão da água apresenta o valor 0° e o ponto de ebulição 100°.

Medir a Temperatura

Para medir a temperatura são necessários aparelhos especiais como o termômetro, cujo valor pode ser apresentado nas escalas: Celsius (°C), kelvin (K) ou Fahrenheit (°F).

Para tanto, na escala Kelvin o valor do ponto de fusão da água é de 273K (0°C) e o ponto de ebulição de 373K (100°C).

Na escala Fahrenheit, o ponto de fusão da água é de 32 °F (0 °C) enquanto que o ponto de ebulição da água é de 212 °F (100 °C).

Dilatação Térmica

A dilatação térmica consiste no aumento das dimensões de um corpo devido ao aumento de sua temperatura. De mesmo modo, ao perder energia térmica, diminuindo sua temperatura, ocorre uma contração térmica e suas dimensões também diminuem.

As alterações dimensionais na matéria, incluindo os fluidos, ocorrem devido a forças intermoleculares, pois, o aumento da temperatura provoca maior agitação das moléculas e, consequente afastamento.

Estas mudanças ocorrem em todas as dimensões lineares, provocando também, alterações superficiais e volumétricas. Estas mudanças dependem das medidas iniciais, das variações de temperaturas e de coeficientes de dilatação.

Cálculo da Dilatação Térmica Linear

A dilatação térmica,  é a variação das dimensões lineares que se deram no corpo, após receber ou ceder determinada quantidade de calor.

Esta variação depende do coeficiente de dilatação térmica linear , sendo uma constante que depende do material e de outras propriedades. Os valores de  são tabelados.

Onde,

•  é a variação da dimensão linear;
•  é o comprimento inicial;
•  é a variação de temperatura;
•  é o coeficiente de dilatação superficial.

Cálculo da Dilatação Térmica Superficial

Uma vez que, as dimensões lineares sejam alteradas, as superficiais também são. Para o cálculo da dilatação superficial, utiliza-se a constante de dilatação superficial .

Onde,

•  é a área inicial;
•  é o coeficiente de dilatação superficial;
•  é a variação de temperatura.

Cálculo da Dilatação Térmica Volumétrica

A dilatação térmica volumétrica ou cúbica é a variação nas dimensões espaciais de um corpo, ao receber ou ceder energia térmica. Esta variação é proporcional ao coeficiente de dilatação volumétrica, que depende do material e de suas propriedades.

Onde,

•  é a variação volumétrica;
•  é o volume inicial;
•  é a variação de temperatura;
•  é o coeficiente de dilatação volumétrica.

Calorimetria

A calorimetria é a parte da física estuda o calor, ou seja, a transferência de energia de um corpo para o outro.

A calorimetria envolve muitos conceitos importantes da termologia como calor, caloria, temperatura, calor específico, calor sensível, calor latente, capacidade térmica, equilíbrio térmico, condução, convecção, irradiação, fluxo de calor, dentre outros.

Exercícios Sobre Calor e Temperatura

Exercício 1

(Enem 2013)

Quais são os processos de propagação de calor relacionados à fala de cada personagem?

a) Convecção e condução.
b) Convecção e irradiação.
c) Condução e convecção.
d) Irradiação e convecção.
e) Irradiação e condução.

Exercício 2

(UFRGS 2018) Uma quantidade de calor Q = 56.100,0 J é fornecida a 100 g de gelo que se encontra inicialmente a -10 °C.

Sendo

o calor específico do gelo cg = 2,1 J/(g°C),

o calor específico da água ca = 4,2 J/(g°C) e

o calor latente de fusão CL = 330,0 J/g,

a temperatura final da água em °C é,

aproximadamente,

a) 83,8.
b) 60,0.
c) 54,8.
d) 50,0.
e) 37,7.