CALOR: FÓRMULAS E UNIDADES, CARACTERÍSTICAS, COMO MEDI-LO, EXEMPLOS - FISICA - 2024

O calor em física é definido como a energia térmica transferida sempre que eles entram em contato com objetos ou substâncias que estão em temperaturas diferentes. Esta transferência de energia e todos os processos relacionados a ela, é o objeto de estudo da termodinâmica, um importante ramo da física.

O calor é uma das muitas formas que a energia assume e uma das mais conhecidas. Então de onde isso vem? A resposta está nos átomos e moléculas que constituem a matéria. Essas partículas dentro das coisas não são estáticas. Podemos imaginá-los como pequenas contas ligadas por molas macias, capazes de encolher e esticar com facilidade.

Átomos e moléculas vibram dentro das substâncias, o que é traduzido em energia interna. Fonte: P. Tippens. Física: Conceitos e Aplicações.

Desta forma, as partículas podem vibrar e sua energia pode ser facilmente transferida para outras partículas e também de um corpo para outro.

A quantidade de calor que um corpo absorve ou libera depende da natureza da substância, de sua massa e da diferença de temperatura. É calculado assim:

Onde Q é a quantidade de calor transferida, m é a massa do objeto, C _e é o calor específico da própria substância e ΔT = T _final - T _inicial, ou seja, a diferença de temperatura.

Como todas as formas de energia, o calor é medido em joules, no Sistema Internacional (SI). Outras unidades apropriadas são: ergs no sistema cgs, Btu no sistema britânico e a caloria, um termo comumente usado para o conteúdo energético dos alimentos.

Características de calor

O calor da fogueira é transferência de energia. Fonte: Pixabay

Existem vários conceitos-chave a ter em mente:

-O calor tem a ver com energia em trânsito. Os objetos não têm calor, apenas o liberam ou absorvem dependendo das circunstâncias. O que os objetos possuem é energia interna, em virtude de sua configuração interna.

Essa energia interna, por sua vez, é composta por energia cinética associada ao movimento vibratório e energia potencial, típica da configuração molecular. De acordo com essa configuração, uma substância transferirá calor com mais ou menos facilidade e isso se reflete em seu calor específico C _e, valor que foi mencionado na equação para calcular Q.

-O segundo conceito importante é que o calor é sempre transferido do corpo mais quente para o mais frio. A experiência indica que o calor do café quente sempre passa para a porcelana da xícara e do prato, ou para o metal da colher com que é mexido, nunca o contrário.

-A quantidade de calor transferida ou absorvida depende da massa do corpo em questão. Adicionar a mesma quantidade de calorias ou joules a uma amostra com massa X não aquece da mesma forma outra cuja massa é 2X.

A razão? Existem mais partículas na amostra maior, e cada uma receberia em média apenas metade da energia da amostra menor.

Equilíbrio térmico e conservação de energia

A experiência nos diz que quando colocamos dois objetos em contato com temperaturas diferentes, depois de um tempo a temperatura de ambos será a mesma. Então, pode-se afirmar que os objetos ou sistemas, como também podem ser chamados, estão em equilíbrio térmico.

Por outro lado, refletindo sobre como aumentar a energia interna de um sistema isolado, conclui-se que existem dois mecanismos possíveis:

i) Aquecê-lo, ou seja, transferir energia de outro sistema.

ii) Realize algum tipo de trabalho mecânico nele.

Levando em consideração que a energia é conservada:

No âmbito da termodinâmica, este princípio de conservação é conhecido como a Primeira Lei da Termodinâmica. Dizemos que o sistema deve ser isolado, pois senão seria necessário considerar outras entradas ou saídas de energia na balança.

Como o calor é medido?

O calor é medido de acordo com o efeito que produz. Portanto, é o sentido do tato que informa rapidamente o quão quente ou fria uma bebida, um alimento ou qualquer objeto está. Visto que a transferência ou absorção de calor resulta em mudanças na temperatura, a medição dá uma ideia de quanto calor foi transferido.

O instrumento utilizado para medir a temperatura é o termômetro, dispositivo equipado com uma escala graduada para realizar a leitura. O mais conhecido é o termômetro de mercúrio, que consiste em um fino capilar de mercúrio que se expande quando aquecido.

Um termômetro com graduação nas escalas Celsius e Fahrenheit. Fonte: Pixabay.

O capilar cheio de mercúrio é então inserido em um tubo de vidro com escala e colocado em contato com o corpo, cuja temperatura deve ser medida até atingir o equilíbrio térmico e a temperatura de ambos ser a mesma.

O que é necessário para fazer um termômetro?

Para começar, você precisa ter alguma propriedade termométrica, ou seja, uma que varia com a temperatura.

Por exemplo, um gás ou um líquido como o mercúrio, se expande quando aquecido, embora uma resistência elétrica também sirva, que emite calor quando uma corrente passa por ele. Em suma, qualquer propriedade termométrica que seja facilmente mensurável pode ser usada.

Se a temperatura t for diretamente proporcional à propriedade termométrica X, então ela pode ser escrita:

Onde k é a constante de proporcionalidade a ser determinada quando duas temperaturas apropriadas são definidas e os valores correspondentes de X são medidos. As temperaturas adequadas são fáceis de obter no laboratório.

Uma vez estabelecidos os pares (t ₁, X ₁) e (t ₂, X ₂), o intervalo entre eles é dividido em partes iguais, estes serão os graus.

Escalas de temperatura

A seleção das temperaturas necessárias para construir uma escala de temperatura é feita com o critério de que sejam de fácil obtenção em laboratório. Uma das escalas mais utilizadas em todo o mundo é a escala Celsius, criada pelo cientista sueco Anders Celsius (1701-1744).

O 0 na escala Celsius é a temperatura na qual o gelo e a água líquida estão em equilíbrio a 1 atmosfera de pressão, enquanto o limite superior é escolhido quando a água líquida e o vapor d'água estão igualmente em equilíbrio e a 1 atmosfera de pressão. Esse intervalo é dividido em 100 graus, cada um dos quais é denominado grau centígrado.

Essa não é a única forma de construir uma escala, longe disso. Existem outras escalas diferentes, como a escala Fahrenheit, em que os intervalos foram escolhidos com outros valores. E tem a escala Kelvin, que só tem um limite inferior: zero absoluto.

O zero absoluto corresponde à temperatura na qual todo o movimento das partículas em uma substância cessa completamente; no entanto, embora tenha chegado muito perto, ainda não foi capaz de resfriar qualquer substância até o zero absoluto.

Exemplos

Todos experimentam calor diariamente, direta ou indiretamente. Por exemplo, quando você toma uma bebida quente, ao sol do meio-dia, examinando a temperatura do motor de um carro, em uma sala cheia de pessoas e em inúmeras outras situações.

Na Terra, o calor é necessário para manter os processos vitais, tanto o que vem do Sol quanto o que vem do interior do planeta.

Da mesma forma, o clima é impulsionado por mudanças na energia térmica que ocorrem na atmosfera. O calor do Sol não chega a todos os lugares igualmente, nas latitudes equatoriais ele atinge mais do que nos pólos, então o ar mais quente nos trópicos sobe e se move para o norte e para o sul, para atingir o equilíbrio térmico isso foi falado antes.

Desta forma, correntes de ar são estabelecidas em velocidades diferentes, que transportam nuvens e chuva. Por outro lado, a repentina colisão entre as frentes de ar quente e frio causa fenômenos como tempestades, tornados e furacões.

Em contraste, em um nível mais próximo, o calor pode não ser tão bem-vindo quanto o pôr do sol na praia. O calor causa problemas operacionais nos motores dos automóveis e nos processadores dos computadores.

Também faz com que a energia elétrica seja perdida em cabos de condução e os materiais se expandam, razão pela qual o tratamento térmico é tão importante em todas as áreas da engenharia.

Exercícios

- Exercício 1

O rótulo de um doce indica que ele fornece 275 calorias. A quanta energia em joules este doce é equivalente?

Solução

No início, a caloria era mencionada como uma unidade de calor. Os alimentos contêm energia que geralmente é medida nessas unidades, mas as calorias da dieta são, na verdade, quilocalorias.

A equivalência é a seguinte: 1 kcal = 4186 J, e conclui-se que o doce possui:

275 quilocalorias x 4186 joule / quilocaloria = 1,15 10 ⁶ J.

- Exercício 2

100 g de um metal são aquecidos a 100 ° C e colocados em um calorímetro com 300 g de água a 20 ° C. A temperatura que o sistema adquire ao atingir o equilíbrio é de 21,44 ° C. Você é solicitado a determinar o calor específico do metal, presumindo que o calorímetro não absorva calor.

Solução

Nesta situação, o metal cede o calor, que chamaremos de Q _dado e um sinal (-) é colocado antes dele para indicar perda:

Por sua vez, a água do calorímetro absorve calor, que será denominado Q absorvido:

A energia é conservada, da qual segue-se que:

A partir da declaração, você pode calcular ΔT:

Importante: 1 ºC é o mesmo tamanho que 1 Kelvin. A diferença entre as duas escalas é que a escala Kelvin é absoluta (os graus Kelvin são sempre positivos).

O calor específico da água a 20ºC é de 4186 J / kg. K e com isso o calor absorvido pode ser calculado:

Para concluir, o calor específico do metal é eliminado:

Referências

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Volume 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approach by Competences. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6 ^ta Edição abreviada. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7ª Edição. Colina Mcgraw