Calor e temperatura

Calor não é temperatura

Na linguagem comum os dois termos se misturam. Em física são grandezas distintas, e quase toda pegadinha de prova sobre termologia mora nessa diferença.

A temperatura mede a energia cinética média das moléculas de um corpo. Quanto mais agitadas as moléculas, maior a temperatura. É uma propriedade do corpo, num dado instante.

O calor é energia em trânsito: é o que se transfere de um corpo para outro por causa de uma diferença de temperatura. Um corpo não "tem" calor — ele tem energia interna, e troca calor com o que está em volta. Calor só existe enquanto está passando de um lugar para o outro.

Como é energia, a unidade de calor no SI é o joule (J). Em termologia ainda se usa muito a caloria (cal):

1 cal = 4,18 J

Uma consequência da definição: um copo de água fervendo tem temperatura bem mais alta que uma piscina morna, mas a piscina guarda muito mais energia térmica. Temperatura não mede quantidade de energia.

Escalas termométricas

Três escalas aparecem no ensino médio. A unidade de temperatura no SI é o kelvin (K) — sem o símbolo de grau.

As conversões:

T(K) = T(°C) + 273,15

T(°F) = T(°C) · 1,8 + 32

Onde T é a temperatura na escala indicada. Em prova, o 273,15 costuma ser arredondado para 273.

Atenção a um detalhe que economiza erro: uma variação de temperatura vale o mesmo número em Celsius e em Kelvin, porque as duas escalas têm divisões do mesmo tamanho. Aquecer algo em 30 °C é aquecer em 30 K. Já em Fahrenheit, não.

Trocas de calor: sensível e latente

Quando um corpo recebe calor, uma de duas coisas acontece — e nunca as duas ao mesmo tempo.

3.1 Calor sensível: muda a temperatura

Se o corpo não está mudando de estado físico, o calor recebido eleva a temperatura:

Q = m · c · ΔT

• Q — a quantidade de calor trocada, em calorias (cal) ou joules (J);
• m — a massa do corpo, em gramas (g) ou quilogramas (kg);
• c — o calor específico da substância, em cal/g·°C ou J/kg·°C;
• ΔT — a variação de temperatura, em °C.

O calor específico é quanto calor cada grama da substância precisa para subir 1 °C. É uma identidade da substância:

A água tem calor específico altíssimo comparado aos metais — custa dez vezes mais energia esquentar um grama de água do que um grama de ferro. É por isso que o litoral tem temperatura mais estável que o sertão, e por que a água serve como líquido de arrefecimento de motor.

Se Q der negativo, o corpo cedeu calor em vez de receber. O sinal sai sozinho do ΔT, que é a temperatura final menos a inicial.

3.2 Calor latente: muda o estado físico

Durante uma mudança de estado — fusão, vaporização, solidificação, condensação — a temperatura não muda. Toda a energia recebida é gasta quebrando as ligações entre as moléculas:

Q = m · L

• Q — a quantidade de calor, em calorias (cal) ou joules (J);
• m — a massa, em gramas (g) ou quilogramas (kg);
• L — o calor latente da mudança de estado, em cal/g ou J/kg.

Não há ΔT nessa fórmula, e isso não é esquecimento: a temperatura fica parada o tempo todo. Gelo a 0 °C derretendo vira água a 0 °C.

3.3 Exemplo resolvido

Um bloco de 500 g de ferro é aquecido de 20 °C até 100 °C. Sabendo que o calor específico do ferro é 0,11 cal/g·°C, qual a quantidade de calor absorvida?

Não há mudança de estado, então é calor sensível. A variação de temperatura é ΔT = 100 − 20 = 80 °C:

Q = 500 · 0,11 · 80 = 4.400 cal

Em joules, seriam 4.400 · 4,18 ≈ 18.400 J.

As três formas de transferir calor

• Condução — o calor passa de molécula para molécula, sem que a matéria se desloque. É o mecanismo dos sólidos, especialmente dos metais. É o que esquenta o cabo de uma colher deixada na panela.
• Convecção — ocorre em líquidos e gases: o fluido aquecido fica menos denso, sobe, e o mais frio desce para ocupar o lugar, formando correntes. É o que faz a água ferver por igual e o que distribui o ar do ar-condicionado.
• Irradiação — o calor viaja como onda eletromagnética e não precisa de meio material. É a única forma que atravessa o vácuo, e por isso é assim que a energia do Sol chega até aqui.

Uma panela no fogão usa as três ao mesmo tempo: condução do fogo para o metal, convecção dentro da água, e irradiação da chama aquecendo o que estiver em volta.

As leis da termodinâmica

As leis da termodinâmica descrevem como a energia térmica se comporta em qualquer sistema físico — de um motor a um organismo vivo.

5.1 Primeira lei: a energia se conserva

A energia não é criada nem destruída, apenas transformada. Aplicada a um sistema térmico:

ΔU = Q − W

• ΔU — a variação da energia interna do sistema, em joules (J);
• Q — o calor trocado com o meio, em joules (J), positivo quando o sistema recebe;
• W — o trabalho, em joules (J), positivo quando o sistema realiza trabalho sobre o meio.

Os sinais são a parte que derruba gente na prova. O gás que se expande empurrando um pistão realiza trabalho, W é positivo, e isso reduz a energia interna.

Exemplo resolvido. Um gás ideal recebe 500 J de calor e realiza 200 J de trabalho. Qual a variação da sua energia interna?

ΔU = 500 − 200 = 300 J

No motor de um carro é a mesma conta: a queima do combustível libera energia térmica, parte vira trabalho (movimento) e parte vai embora como calor no escapamento e no radiador.

5.2 Segunda lei: o calor tem um sentido preferido

A entropia de um sistema isolado tende a aumentar. Na prática, isso significa duas coisas: o calor flui espontaneamente do corpo mais quente para o mais frio, nunca ao contrário; e é impossível converter todo o calor recebido em trabalho útil. Nenhum motor térmico tem 100% de rendimento, e não é por limitação de engenharia.

Exemplo resolvido. Por que uma geladeira precisa de energia elétrica?

Porque ela faz o calor andar no sentido errado: tira calor de dentro (frio) e joga para fora (quente). Esse caminho não acontece sozinho. O compressor realiza trabalho sobre o gás refrigerante justamente para forçar essa transferência — e é esse trabalho que a tomada paga. É também por isso que a grade atrás da geladeira é quente.

5.3 Terceira lei: o zero absoluto

Conforme a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto (0 K), a entropia se aproxima de um valor mínimo e constante. No zero absoluto as partículas teriam a menor energia possível — e esse ponto é inatingível na prática: é possível chegar arbitrariamente perto, nunca exatamente lá.

Exemplo resolvido. O que acontece com um material perto do zero absoluto?

A agitação térmica das partículas cai ao mínimo e propriedades novas aparecem. A mais conhecida é a supercondutividade: abaixo de uma temperatura crítica, certos materiais perdem completamente a resistência elétrica, e uma corrente posta a circular neles continua indefinidamente.