TEMPERATURA E CALOR

1. Equilíbrio Térmico e a Lei Zero da Termodinâmica

1.1 Equilíbrio Térmico

Um sistema termodinâmico consiste geralmente numa certa quantidade de matéria contida dentro de um recipiente, sendo que as paredes podem ser fixas ou móveis.

Se colocarmos algum líquido, por exemplo, o leite dentro de uma panela e levarmos ao fogo ou a geladeira, o estado do leite será alterado devido a interação com esses ambientes.

Agora se colocarmos esse leite dentro de uma garrafa térmica fechada, que é um recipiente que possui paredes duplas, entre essas que se forma um vácuo, que impede a condução do calor, e metalizas, que evita a radiação de calor. Pode-se aproximar da situação limite ideal do isolamento térmico perfeito, em que o estado do sistema contido na garrafa não é afetado pelo ambiente exterior no qual foi colocado.

Uma parede ideal com essa propriedade isoladora chama-se parede adiabática e uma parede não-adiabática chama-se diatérmica (transparente ao calor).

1.2 Lei zero da termodinâmica

Quando há dois sistemas que estão sendo separados por uma parede diatérmica, então esses sistemas estarão em contato térmico. Agora, se tiver um sistema contido em um recipiente adiabático ele irá se chamar isolado. É um fato experimental que um sistema isolado sempre tende a um estado em que nenhuma das variáveis macroscópicas que ele possui muda mais com o tempo. Se ele atinge esse estado descrito, pode-se dizer então que ele está em equilíbrio térmico como a figura a seguir exemplifica:

Como exemplificado, na primeira figura A e B conectados por uma parede condutora a C estando em contato térmico com a mesma fazendo com que tenha um equilíbrio térmico em todo o sistema. Já na segunda imagem a dúvida é se entre A e B há equilíbrio térmico. O equilíbrio térmico ocorre entre os dois, pois o sistema já estava em equilíbrio anteriormente na primeira imagem. Portanto, mesmo mudando as paredes condutoras e isolantes de lugar o sistema continua em equilíbrio se o sistema estiver fechado como nas figuras.

A lei zero da termodinâmica é quando dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si.

2. Temperatura

O conceito de temperatura tem origem nas ideias qualitativas baseadas em nosso sentido de tato. Um corpo que parece estar “frio” normalmente está em uma temperatura mais baixa que um corpo analogamente que pareça estar “quente”.

A temperatura também está relacionada à energia cinética das moléculas de um material.

Nota-se por meio de um fato cotidiano, quando um corpo ou substância ao ficar exposta ao fogo, como o de um fogão, por exemplo, vai acabar aumentando sua temperatura aumentando a agitação e energia térmica das partículas.

Pode-se conceituar temperatura da seguinte forma: medida do nível médio da agitação térmica das partículas de um corpo ou sistema físico ou medida do nível médio da energia térmica das partículas de um corpo ou sistema físico. Dado esse conceito é notável que quanto maior a agitação térmica de um corpo, maior será sua temperatura e, quanto menor a agitação térmica, menor será sua temperatura.

A noção intuitiva de temperatura leva à ideia de que dois sistemas em equilíbrio térmico entre si possuem a mesma temperatura. E, devido a lei zero da termodinâmica, já conceituada, pode-se medir temperaturas com o auxílio de um termômetro. Para saber se dois sistemas X e Y têm a mesma temperatura, não será necessário coloca-los em contato térmico, basta verificar se estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo Z, que é o “termômetro”. Portanto a lei zero da termodinâmica irá garantir que X e Y também estão em equilíbrio térmico um com o outro.

3. Calor

Uma situação cotidiana na qual se coloca uma colher “fria” em uma caneca de café “quente”, a colher irá “esquentar” e o café irá “esfriar”, e eles vão tender a atingir equilíbrio térmico. Essa interação que produz variações de temperatura é basicamente uma transferência de energia entre as substâncias. A transferência de energia produzida apenas por uma diferença de temperatura se denomina transferência de calor ou fluxo de calor, já a energia transferida desse modo denomina-se calor.

A diferença entre calor e temperatura é que a temperatura depende do estado físico de um material, indicando, por meio de uma descrição quantitativa, se o material está “quente” ou “frio”. Na física, o termo calor sempre se refere a uma transferência de energia de um corpo ou sistema para outro em virtude de uma diferença de temperatura entre eles, nunca a quantidade de energia contida em um sistema particular. Pode-se alterar a temperatura de um corpo fornecendo ou retirando calor dele, ou retirando ou fornecendo outras formas de energia. Quando se divide um corpo em duas metades, cada metade possui a mesma temperatura do corpo inteiro; porém, para aumentar a temperatura de cada metade até um mesmo valor final, deve-se fornecer a metade da energia que seria fornecida ao corpo inteiro.

Pode-se definir uma unidade de quantidade de calor com base na variação de materiais específicos. A caloria (cal) é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 14,5ºC a 15,5ºC. A caloria usada para alimentos é, na realidade, uma quilocaloria (kcal), igual a 1000 cal. Uma unidade de calor correspondente, que usa graus Fahrenheit e unidade britânicas, é a British termal unit, ou Btu. Um Btu é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de uma libra (peso) de água de 1ºF, de 63ºF até 64ºF.

Como o calor é uma energia em trânsito, deve existir uma relação entre essas unidades e as unidades de energia mecânica conhecidas, como joule. Experiências semelhantes às realizada por Joule mostraram que:

1 cal = 4,186 J

1 kcal = 1000 cal = 4186 J

1 Btu = 778 pés . 1b = 253 cal = 1055 J

O joule, de acordo com o SI, é usado como unidade básica de todas as formas de energia, inclusive o calor.

2. Referências bibliográficas:

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de física básica: Fluidos Oscilações e Ondas Calor. 5 ed. Editora Edgard Blücher Ltda. 2014

FREEDMAN, Roger A. Física II: Termodinâmica e ondas. 14 ed. Editora Pearson 2016

FUKE, Luiz F. Os alicerces da Física: Termologia óptica ondulatória. 15 ed. Editora Saraiva 2007