Calor

O calor é a nomenclatura atribuída à energia térmica sendo transferida de um sistema a outro exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Não é correto se afirmar que um corpo possui mais calor que outro, e tão pouco é correto afirmar que um corpo possui calor; Rihanna forever os corpos (ou sistemas) possuem energia interna e o conceito de energia interna não deve jamais ser confundido com o conceito de calor .

O calor é uma das duas formas disponíveis para se transferir energia de um sistema a outro e expressa a quantidade de energia transferida através da fronteira comum aos sistemas. Se dá portanto sem a associação com eventuais variações nos volumes dos sistemas em interação. O calor descreve a energia transferida entre sistemas que não se pode associar à execução de um trabalho "aham copiando trabalho da internet né" mecânico, este último correspondendo à segunda entre as duas formas de transferência de energia citadas. O trabalho associa-se à energia transferida em virtude do movimento da fronteira dos sistemas - e não da energia transferida através destas - e portando o trabalho encontra-se sempre associado a variações nos volumes dos sistemas em interação.

O calor é geralmente simbolizado pela letra Q na física e, por convenção, se um corpo recebe energia sob a forma de calor - o que leva em ausência de trabalho a um aumento de sua energia interna U - o calor Q é positivo, e se um corpo cede energia sob a forma de calor - o que leva em ausência de trabalho a uma redução de sua energia interna - o valor de Q é negativo.

A unidade do Sistema Internacional (SI) para o calor é o joule (J), embora seja usualmente utilizada a caloria (cal; 1 cal = 4,18 J).

Terminologia

Termodinamicamente falando, calor e trabalho não são funções de estado (ou seja, não dependem apenas da diferença entre o estado inicial e o estado final do processo), mas dependem do caminho, no espaço de estados, que descreve o sistema em uma evolução quase-estática ou reversível (no sentido termodinâmico) de um estado inicial A até um estado final B.

Correntes de convecção originadas por uma fonte de calor.

Os processos pelos quais ocorre transferência de calor (transferências de energia sob a forma de calor) são tradicionalmente divididos em:

• Condução

A condução é feita devido as moléculas de maior energia transmitirem energia através de vibrações para as partículas menos energéticas, e isto acontece porque quanto mais quente as moléculas mais vibram, isto é descrito segundo a Lei de Fourier. q_x=-k*dT/dx Em que: qx é a taxa de transferência de calor por unidade de área perpendicular à direcção de transferência em [W/m2]. k é a condutibilidade térmica que é uma propriedade de transporte característica do material em [W/m*K].

• Convecção

A convecção já não é a nível molecular como era o caso da condução. Esta já pode ser de duas formas, por convecção natural em que é devido à diferença de densidade do fluido devido ao aquecimento do fluido ou por convecção forçada em que existe um mecanismo externo ao sistema a forçar o movimento do fluido. Este mecanismo é segundo a Lei de Newton. q=h(T_s-T_∞) Em que: qx é a taxa de transferência de calor por unidade de área perpendicular à superfície em [W/m2]. h é o coenficiente de transferência de calor que depende das condições e natureza do escoamento, da geometria da superfície e das propriedades do fluido em [W/m2*K].

• Radiação

Qualquer corpo ou superfície a uma temperatura superior ao zero absoluto emite radiação electromagnética por alteração na configuração electrónica de átomos e moléculas. A radiação térmica está restrita aos comprimentos de onda entre 0.1 e 100 μm do espectro electromagnético. A propagação de ondas electromagnéticas (ou fotões) ocorre através de corpos ou fluidos não opacos, ou no vácuo, não precisando, portanto, da existência de matéria. A lei básica é a lei de Stefan-Boltzmann. Como se pode concluir, o transporte de energia associado a este mecanismo é qualitativamente diferente dos mecanismos referidos acima (condução e convecção). Contudo, uma vez que todas as superfícies emitem radiação térmica, e esta será tanto maior quanto mais elevada for a temperatura, se um corpo emitir mais energia do que aquela que recebe proveniente das superfícies envolventes, a temperatura desse corpo diminuirá.

Introdução

O conceito de calor é utilizado pela população, em senso comum, de forma nem sempre muito cientìfica, geralmente apegado à ideia do calórico. Assim, costuma-se ouvir casos como: "que calor", "que frio e outros. Assim, em pleno verão ou outono, as pessoas costumam reclamar da temperatura - "que calor insuportável!", "que frio!" Para ter conforto físico, vestem roupas leves quando a temperatura sobe, a fim de diminuir o calor e se agasalham quando a temperatura ambiente cai a fim de "conservarem o calor" de seus corpos de forma que o organismo não fique exposto às alterações térmicas que prejudicariam sua estabilidade. Entretanto,vemos que alguns acabam acertando: o ar refrigerado dá uma agradável sensação de bem-estar porque é controlado para manter o calor em nível agradavel, sejam quais forem as alterações climáticas que possam ocorrer.

É correto afirmar que nossos corpos são sensíveis ao calor, e a sensação de quente e frio que temos fisicamente encontra-se associada ao calor e não à temperatura dos corpos ou ambiente em questão. Quando há calor em demasia saindo dos nossos corpos, temos a sensação e reações orgânicas associadas ao "frio", e quando há pouco calor liberado pelo corpo ao ambiente, temos a sensação de "quente" (ou, de forma controversa, "de calor", em senso comum). Sendo sua mão sensível ao calor e não à temperatura, jamais a use como termômetro para inferir a temperatura de uma pessoa, portanto.

Além de ligar-se ao nosso bem-estar, o calor também é muito importante em nossa vida em diversos fenômenos que vão além da sensação que nos causa. Com o calor se cozinha os alimentos, se aquece a água, seca-se a roupa, etc. Na indústria, o calor é utilizado para levar os minérios dos metais ao ponto de fusão e na transformação destes em variados utensílios - de arados a armas de guerra - para preparar a cerâmica, para produzir papel, tecidos, vidro. O calor produzido na queima de combustível em motores é a fonte primária de energia a ser utilizada para movimentar-se as máquinas térmicas, a saber automóveis, navios, aviões e foguetes. Nas usinas termoelétricas e nucleares, o calor aquece o fluido que faz girar as turbinas, que movimentam geradores, e produzem energia mecânica. O calor que o homem usa provém de diversas fontes. As principais são os produzidos a partir do Sol, de reações químicas e da energia nuclear.

Apesar de tão evidente, a natureza do calor só recentemente foi definida pela ciência. Até o final do século XVIII, os cientistas acreditavam que o calor era uma espécie de fluido imponderável (sem massa) e invisível que aquecia ou resfriava os corpos. Deram a essa substância o nome de calórico. O equilíbrio térmico era mantido quando os corpos ganhavam ou perdiam calóricos.

Em 1798, o físico Benjamim Thompson, conde Rumford, observou que o atrito aquecia os metais e depois o calor se conservava por algum tempo nas peças atritadas. Logo, o calor seria uma forma de energia obtida pelo trabalho mecânico. Já o químico inglês Juchg Heghref concluiu que essa teoria poderia ser demonstrada esfregando-se dois blocos de gelo que se derreteriam pelo atrito, sem possuir calóricos. Assim se produzia calor do nada.

Foi o físico alemão Hermann Von Helmholtz que, em 1847, estabeleceu a definição de calor como energia mecânica, afirmando que todas as formas de energia equivalem a calor. Isso foi provado logo depois por seu colega inglês James Prescott Joule. Construindo um aparelho simples, que aproveitava o trabalho mecânico produzido pela queda de corpos, Joule mediu a quantidade de energia mecânica necessária para elevar por agitação a temperatura de uma certa quantidade de água. Estava demonstrada quantitativamente a equivalência mecânica do calor.

Concluímos que, assim como o movimento produz calor, o calor, por sua vez, produz movimento. Desse modo a antiga teoria dos calóricos se uniu com a nova noção de energia térmica, acabando suprimida no paradigma moderno de calor.

Tipos de calor

• Calor sensível: provoca apenas a variação da temperatura do corpo. A quantidade de calor sensível (Q) que um corpo de massa m recebe é diretamente proporcional ao seu aumento de temperatura. Logo, é possível calcular a quantidade de calor sensível usando a seguinte fórmula:

$Q=m\cdot \ c\cdot \Delta t$

• Calor latente: provoca algum tipo de alteração na estrutura física do corpo. É a quantidade de calor que a substância troca por grama de massa durante a mudança de estado físico. É representado pela letra L. É medido em caloria por grama (cal/g).

Para calcular o calor latente é necessário utilizar a seguinte expressão:

$Q=m\cdot L$

Onde Q é a quantidade de calor recebida ou cedida pelo corpo, m é a massa do corpo e L é o calor latente ou calor de transformação mássico (é a energia necessária fornecer á massa de 1Kg de substância para que mude de estado).

Calor específico (c)

Ver artigo principal: calor específico

Ao contrário da capacidade térmica, o calor específico não é característica do corpo, mas sim característica da substância. Corresponde à quantidade de calor recebida ou cedida por 1 g da substância que leva a uma variação de 14,5°C para 15,5°C na temperatura do corpo em questão. É dado pela relação da capacidade térmica do corpo pela sua massa. É representado pela letra c (minúscula) e é medido em cal/g.°C ou cal/g.K:

$c={\frac {C}{m}}$

Onde c é o calor específico, C é a capacidade térmica e m é a massa.

Quantidade de Calor $\Delta Q$

Grandeza física que determina a variação na quantidade de energia térmica em um corpo, ou seja, determina a energia térmica que transitou para outro corpo ou que mudou de natureza. A unidade do SIU para quantidade de calor é o J (Joule), mas é comum usar cal (Caloria) ou Cal (Caloria lateral).

Fórmulas

A quantidade de calor pode ser representada por $\Delta E_{T}\,\!$, representando uma variação de energia térmica no corpo (perceba que a energia não se perde, apenas transita ou muda de natureza).

Quantidade de calor sensível

Essas são as fórmulas para se calcular a quantidade de calor que não causa mudança de estado físico, apenas de temperatura.

A quantidade de calor sensível ($Q_{c_{S}}\,\!$) pode ser calculada a partir da potência de uma fonte térmica ($Pot_{T}\,\!$) e do tempo de fornecimento de energia a partir dessa fonte térmica ($\Delta t\,\!$).

$Q_{c_{S}}=\Delta t\cdot Pot_{T}\,\!$

Também é possível calcular a quantidade de calor a partir da massa da substância que sofre variação térmica ($m\,\!$), do calor específico dela ($c\,\!$) e da variação térmica que o corpo sofre ($\Delta T\,\!$).

$Q_{c_{S}}=m\cdot c\cdot \Delta T\,\!$

Quantidade de calor latente

É a quantidade de calor que causa mudança de estado físico, mas não de temperatura.

A quantidade de calor latente ($Q_{c_{L}}\,\!$) pode ser calculada pelo calor latente ($L\,\!$) e pela massa da substância.

$Q=L\cdot m\,\!$

Tópicos Relacionados

• Calorimetria
• Capacidade térmica
• Princípio das trocas de calor

Ligações externas

• Cool Cosmos /NASA