INTRODUÇÃO
Como discutimos em módulos anteriores, o calor é uma energia que se propaga de uma região com maior temperatura para outra com menor temperatura, até alcançar o equilíbrio térmico. Em um sistema isolado, o calor que a região com maior temperatura libera é o mesmo que a região com menor temperatura absorve. Podemos, então, matematizar a Lei Zero da Termodinâmica e entender o porquê de ela ser chamada assim.
Em que Q é a quantidade de calor. A região que libera calor tem quantidade de calor negativa e a que absorve, positiva. Como os módulos são iguais, ao somar as quantidades de calor, vamos achar zero.
Entendido essa primeira etapa, vamos imaginar uma situação cotidiana: o preparo de um macarrão instantâneo. A água que colocamos na panela, inicialmente, está na temperatura ambiente.
Após aproximadamente 3 minutos com o forno ligado, formam- se as primeiras bolhas. Considerando que estamos no nível do mar (a pressão influencia na temperatura de ebulição/fusão), podemos afirmar que a temperatura da água atingiu os 100 °C. A partir desse instante, enquanto tiver água líquida na panela, a temperatura permanecerá 100 °C. Note que, durante todo o processo, a água continua recebendo calor. Porém, durante o processo de mudança de estado físico, não há aumento na temperatura. Todo o calor absorvido é usado na mudança da organização das moléculas. Se, por exemplo, no nível do mar existir um reservatório contendo gelo e água líquida, podemos afirmar que a temperatura do sistema é de 0 °C.
Existem, então, dois tipos de calores. Um quando há mudança de temperatura, chamado de calor sensível, e outro, quando há mudança de estado físico, o calor latente.
CALOR SENSÍVEL
Desde crianças, sabemos intuitivamente que, quanto mais comida colocarmos no prato, maior o tempo que devemos deixar o micro-ondas ligado, caso contrário, a comida não terá aquecido o suficiente. Logo, quanto maior a massa de uma mesma substância, maior será a quantidade de calor necessária para elevarmos a sua temperatura. Outro fator importante na variação de temperatura é que existem materiais que, com um pouco de calor, já aumentam a temperatura, já outros, necessitam de mais calor para sofrerem a mesma variação. Por exemplo, 1 g de alumínio, ao receber 1 cal, sofre um aumento de 5 °C, aproximadamente. Já 1 g água líquida, ao receber 1 cal, sofre um aumento de 1 °C, apenas. Essa grandeza específica de cada elemento é chamada de calor específico (c).
O calor específico nada mais é que a quantidade de calor absorvida/liberada por 1 g de certo material para que sofra uma variação de temperatura de 1 °C. Do exemplo acima, tiramos que o calor específico da água líquida é de 1 cal/g°C e o do alumínio é de 0,2 cal/g°C.
Então:
Observação
A unidade usual de quantidade de calor é caloria, mas no S.I., a unidade usada é Joule, em homenagem ao inglês James P. Joule. Uma caloria equivale, aproximadamente, a 4,2 J, mas muitos exercícios aproximam para 4 J.
CALOR LATENTE
Para uma determinada substância mudar de estado físico, deve receber/liberar uma quantidade específica de calor, necessária para reorganizar a estrutura molecular. Também fica claro que precisaremos de mais calor para derreter 2 kg de gelo que 10 g da mesma substância. Logo, além da importância da massa, cada material muda de estado de maneira diferente. Essa quantidade de calor necessária por grama de cada material chama-se calor latente, que pode ser de fusão ou de ebulição. Por exemplo, para que 1 g de gelo a 0 °C, no nível do mar, derreta, são necessários 80 cal. Aí, teremos água no estado líquido, inicialmente a 0 °C (lembre-se que, quando há mudança de estado físico, não há mudança de temperatura). Se a fonte de calor continuar ligada, aí sim a temperatura da água começará a subir (após todo o gelo derreter).
Exercício Resolvido
01.
a) Uma panela de alumínio contém 300 ml de água a 20 °C. Após 3 minutos no forno, a água atinge 100°C. Qual a quantidade de calor absorvida pela água? Dado: c água(líq) = 1 cal/g° C
b) Dois minutos após a água entrar em ebulição, ainda há 250 ml de água na panela. Qual a quantidade de calor absorvida pela água para a mudança de estado físico? Dado: L ebulição da água = 540 cal/g.
Resolução:
CAPACIDADE TÉRMICA
Se um material, além de apresentar um alto calor específico, está presente em um sistema em grande quantidade, provavelmente sofrerá pouca variação na sua temperatura. A capacidade térmica (C) nada mais é que o produto entre a massa e o calor específico de uma substância. O ar-condicionado, por exemplo, é um tipo de máquina fria, que retira calor de um ambiente com baixa temperatura e o expulsa para o meio externo, que possui uma temperatura maior (note que é forçado, já que o natural seria o calor ir para o meio de menor temperatura). Mesmo com todos os ares-condicionados ligados, a temperatura do ar de uma cidade não aumentaria, já que esta é infinitamente maior que a quantidade de ar quente que sai dos aparelhos. O mesmo aconteceria se colocássemos gelo no mar. A temperatura média do oceano não mudaria.
POTÊNCIA TÉRMICA
É a quantidade de calor que uma fonte térmica é capaz de produzir em certo intervalo de tempo.
A unidade (S.I.) é W (Watts), que equivale a J/s.
PROPAGAÇÃO DE CALOR
Sabemos que o calor é um tipo de energia (térmica) que se propaga de um corpo com temperatura mais elevada para outro com temperatura mais baixa. Mas como ele se propaga? A sua propagação depende do meio entre os corpos de diferentes temperaturas. Vamos analisar como o calor se propaga dependendo do meio.
Na figura acima, temos uma fonte de calor do lado esquerdo da barra metálica. Cada ponto na horizontal da barra apresenta uma temperatura diferente. Podemos dizer que a temperatura depende da posição:
Na ponta esquerda, a barra apresentará menor temperatura possível, ou seja, quanto maior o comprimento (L) da barra, menor a temperatura da ponta sem a fonte térmica. O material também influencia na propagação do calor. Se fosse uma borracha, provavelmente a temperatura dessa ponta seria menor do que se fosse cobre, por exemplo, ou seja, a condutibilidade térmica (k) é fundamental para determinarmos a temperatura de um ponto x qualquer. O último fator determinante é a área transversal (A) do condutor. A propagação de calor em um sólido se dá devido ao choque de moléculas, processo esse denominado de condução térmica. As mais próximas da fonte recebem calor, aumentando as suas velocidades (energia térmica se transforma em cinética). Assim, colidem com as moléculas ao redor.
Estas, por sua vez, também irão colidir com outras próximas e assim sucessivamente. Imagine que temos n moléculas alinhadas na horizontal. A velocidade com que a 1a bate na 2a é maior que a velocidade que a enésima se locomoverá após sofrer colisão com a penúltima molécula. Como a temperatura é o grau de agitação molecular, significa dizer que a temperatura de uma molécula é menor que a da anterior.
Quanto maior a superfície do condutor, mais leiras de moléculas ele terá, aumentando o fluxo de calor (φ). Então, o fluxo de calor através de um condutor de condutibilidade k, comprimento L e secção transversal A vale:
Essa é a Lei de Fourier.
Exercício Resolvido
02. Uma barra uniforme de cobre possui 1 m de comprimento. A temperatura de um dos extremos é de 180 °C, devido à presença de uma fonte térmica local. Qual a temperatura a 20 cm desse extremo? Saiba que a temperatura do outro extremo vale 120 °C. Considere o fluxo de calor estacionário, ou seja, constante.
Resolução:
Já que o fluxo é constante, podemos dizer que:
LÍQUIDO/GÁS (CONVECÇÃO)
Vamos imaginar um quarto com ar-condicionado na parte superior da parede. Ao acioná-lo, o ar frio desce e o ar quente sobe, formando uma corrente de convecção. Outro exemplo é uma vela acesa. Colocando as mãos ao lado da chama não há sensação de calor. Mas, colocando-as acima da chama, podemos senti-lo rapidamente.
O mesmo ocorre com líquidos. Ao colocar uma panela com água no forno, a água que está mais próxima no fundo da panela começa a aquecer mais rapidamente que a água na outra extremidade. A água aquecida começa a subir. Como a parte de cima está com menor temperatura, irá descer, e assim sucessivamente, formando uma corrente de convecção.
Note que, ao aquecermos um material, ele irá se expandir, reduzindo a sua densidade. É por isso que um ar/líquido aquecido tende a subir e a parte com menor temperatura tende a descer.
VÁCUO (IRRADIAÇÃO)
Todo corpo irradia calor. De maneira geral (temperatura ambiente), não conseguimos ver o calor se propagando através de radiação térmica, porque essa propagação se dá na ordem do infravermelho (vamos estudar com mais detalhes esse tipo de propagação no módulo de ondas). Se aquecêssemos uma barra de aço a temperaturas mais altas, começaríamos a ver a radiação (a barra passaria a emitir luz própria, ao invés de apenas refleti-la). Uma cor amarela avermelhada surgiria e, dependendo da temperatura, poderíamos ver uma cor branco-azulada. A partir dos estudos de radiação térmica no séc. XIX, uma nova era foi surgindo, rompendo a física clássica, rumo à física moderna.
