Usuário(a):Nat Yumi/Testes

Calor é o termo associado à transferência de energia térmica de um sistema a outro, ou entre partes de um mesmo sistema, em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Designa, também, a quantidade de energia térmica transferida em tal processo. Calor não é uma propriedade dos sistemas termodinâmicos, e por tal não é correto afirmar que um corpo possui mais calor que outro, e tampouco é correto afirmar que um corpo "possui" calor. Os corpos (ou sistemas) possuem energia interna que é composta pela energia térmica e energia potencial (energia química), conceitos que não devem ser confundidos com o conceito de calor.

É importante ressaltar que o calor é apenas uma das duas formas possíveis de transferência de energia de um sistema a outro, sendo a segunda, o trabalho mecânico. Apesar de ambos transferirem energia, o trabalho, diferente do calor, associa-se à energia transferida em virtude do movimento da fronteira comum aos sistemas, enquanto o outro se relaciona com a energia transferida através dessas fronteiras comuns aos sistemas. Dessa forma, o trabalho encontra-se diretamente associado às variações de volume dos sistemas já, por outro lado, o calor não possui associação causal direta com essas variações.

O calor é geralmente simbolizado em Física pela letra Q, 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 dito 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.

Há em essência três formas de calor: calor por radiação, calor por convecção e calor por condução. Das três, a única que dá-se em ausência de meio material é a primeira.

Embora a caloria (cal) corresponda à unidade usualmente empregada, a unidade para a medida de calor no Sistema Internacional (SI) é o joule (J). Uma caloria corresponde a aproximadamente 4,18 joules.

Aplicações do conceito de calor

Uma locomotiva a vapor. A importância econômica e social das máquinas térmicas constituiu, e ainda constitui, grande incentivo aos estudos e aos avanços na área da termodinâmica; entre eles a compreensão da verdadeira natureza do calor. Em dias atuais é inconcebível a vida sem os motores de combustão interna, a exemplo.

A ideia de calor pode-se aplicar em várias questões, tanto relacionadas ao cotidiano, quanto a vida industrial. Nesse contexto, na indústria, o calor é utilizado para levarem-se os minérios dos metais ao ponto de fusão para que, a partir dos metais reduzidos, produzam-se variados utensílios, de arados a armas de guerra. Além disso, o calor obtido a partir da queima de combustível em motores é a fonte primária de energia utilizada para movimentar máquinas térmicas, como automóveis, navios, aviões e foguetes. Nas usinas termoelétricas e nucleares, o calor, também, aquece o fluido até o ponto de ebulição, e o vapor gerado faz girar as turbinas que estão ligadas a geradores, e nesse ponto temos a transformação de energias mecânica em energia elétrica. Apesar de sua utilização na indústria, o calor também está presente no dia a dia podendo, até mesmo, ligar-se à saúde. Isso porque, o tato humano é dotado de um sensor de calor, o que jamais deve ser usado como termômetro para inferir a temperatura de uma outra pessoa, já que esse não é capaz de medir a temperatura em si. Dessa forma, a fim de se estabelecer corretamente se um pessoa está ou não com febre, e se por tal essa deve ou não ser medicada com antipiréticos, deve-se usar um termômetro clínico, jamais o tato.

Considerações iniciais

Calor e a Física

Blindagem térmica do ônibus espacial Discovery. Ao regressar à Terra, movendo-se a 28.000 Km/h, o atrito com a atmosfera eleva a temperatura na porção inferior da nave à ordem dos milhares de graus célsius. A blindagem serve para impedir que haja calor entre a nave e a porção externa superaquecida durante a reentrada. Uma falha na proteção foi responsável pelo desastre com o Columbia.

Embora grandezas termodinâmicas, ao contrário do que ocorre com a energia interna e suas variações, calor e trabalho não são funções de estado; ou seja, o calor e o trabalho envolvidos em processos termodinâmicos não dependem apenas dos estados inicial e final do sistema em transformação.  

A quantidade de calor e trabalho envolvidos em um processo são explicitamente dependentes do caminho, no espaço de estados, associado à transformação; literalmente da forma como o sistema evolui do estado inicial A para o estado final B, quer via uma evolução quase-estática e reversível - a geralmente e antes considerada - quer via processo abrupto ou irreversível. Provido que, ao término, os estados inicial A e final B do sistema sejam sempre os mesmos, evoluções diferentes implicam quase sempre valores diferentes para as grandezas trabalho e calor.

Calor e trabalho não são pois propriedades do sistema em si, e suas definições não permitem que associem-se aos mesmos potenciais termodinâmicos correlatos.

Segue-se pois que é a rigor incorreta qualquer afirmativa que tente atribuir ao sistema, ou a parte do mesmo, as posses de calor ou trabalho. Expressões como "a água quente tem mais calor que a água fria", onde notoriamente associa-se ao sistema uma quantidade específica de calor em cada estado - e interpreta-se a temperatura como uma medida desse calor - são, frente aos rigores do paradigma moderno, completamente descabidas. Da mesma forma, visto que não se pode transferir o que não se possui, a expressão "transferência de calor", se interpretada ao pé da letra, transmite também uma informação inverídica frente ao paradigma moderno concernente à energia interna, calor e trabalho. O uso de tais expressões é assim altamente desencorajado.

Certamente contraditório, é fato que tais expressões - talvez por razões históricas herdadas da hipótese do calórico - ainda circulam livremente entre a população; essas não se fazendo em nada raras também no meio acadêmico científico. Terminologias como "trocador de calor" e "dissipador de calor" são ainda aceitas como terminologias oficiais, amplamente empregadas para nomearem-se dispositivos cuja real função é estimular a existência de calor, e não promover a troca de calor, entre partes do sistema ou entre o sistema e a sua vizinhança. De forma correta, tais dispositivos são promotores de calor e não trocadores de calor.

O uso corriqueiro de tais expressões deixa evidente o fato de os termos calor e energia térmica - embora definidos por relações constitutivas bem diferentes - serem popularmente utilizados como sinônimos; e não bastando a conexão errônea, ambos são ainda utilizados como sinônimo do que nomeia-se geralmente por "energia calorífica", expressão essa talvez mais condizente mas não corretamente atrelada ao conceito de energia térmica.

Visto ser factualmente impossível suprimir-se o contato com tais expressões e silogias incorretas mesmo no círculo acadêmico, cabe aos profissionais no mínimo a função de interpretar corretamente as citadas expressões - e, dentro do possível, suprimir o seu uso. Um profissional ou mesmo um leigo a par da teoria moderna certamente darão à expressão "transferência de calor" a conotação correta, "transferência de energia térmica na forma de calor", o mesmo certamente o fazendo com as demais. E aconselha-se que o mesmo seja sempre feito, e sobretudo difundido tanto na linguagem falada como escrita, por todos.

Calor e a biologia

Uma grande prioridade dos organismos homeotérmicos é regular a quantidade de energia térmica que possuem, assim a condição ideal é aquela na qual há uma diferença de temperaturas entre ele e o meio, já que  todo animal vivo, mesmo quando em estado de repouso ou hibernação, a fim de manter-se vivo, está a converter parte da energia química ingerida via alimentos em energia térmica. No entanto, quando a variação térmica alcança valores fora do ideal, surgem riscos de hipotermia ou hipertermia.

A hipotermia ocorre quando a redução de temperatura aumenta a variação térmica entre o organismo e o meio, de forma que, nessa situação, o organismo transfere ao meio, em um mesmo intervalo de tempo, mais energia térmica do que aquela gerada pelo seu metabolismo quando em repouso. Assim, a energia interna e temperatura do corpo, irão gradualmente diminuir até o corpo atingir uma nova temperatura onde as taxas novamente se igualem, geralmente levando a redução do metabolismo e um comprometimento do organismo, o que pode levar a falência do mesmo. Dessa forma, a fim de evitar tal colapso, o organismo utiliza mecanismos para aumentar a taxa de produção de energia térmica, como os tremores e calafrios.

Já em um evento de hipertermia, caso a temperatura ambiente eleve-se acima da temperatura ideal, há uma redução na variação térmica entre o organismo e o ambiente, o que acarreta uma redução da taxa de calor dissipada. Assim, o organismo agora produz, em repouso, mais energia térmica do que entrega para o ambiente. O saldo positivo faz essa energia acumular-se, aumentando a temperatura do organismo. A fim de evitar tal aumento de temperatura, o organismo reage de forma a reduzir o máximo possível seu metabolismo, o que leva a letargia e ao desânimo inerente aos dias quentes. Além disso, o mecanismo encontrado pelo organismo é o suor, visto que a água, para transitar entre os estados líquido e de vapor, absorve considerável quantidade de energia térmica, e a usa integralmente para promover a mudança de fase, de forma que a temperatura do vapor que acabou de abandonar o líquido é para todos os efeitos a mesma que a do líquido.

Calor e a química

Reações químicas são processos que, em escala atômica, levam a alterações nas posições relativas de átomos ou íons de forma a dar-lhes nova configuração molecular, iônica ou similar. Em outras palavras, há uma redistribuição da nuvem eletrônica entre os núcleos atômicos que estruturam a matéria e suas micro partes, de forma que, na nova configuração, essa geralmente situa-se em posições distintas das ocupadas antes da reação.

As mudanças nas posições relativas entre elétrons e elétrons e entre elétrons e núcleos carregados implicam em uma variação considerável da energia potencial elétrica e, também, na energia magnética associada à distribuição espacial das cargas nas estruturas que compõem a matéria. Essa energia acumulada na distribuição espacial das cargas (que pode ser tanto potencial elétrica como de natureza magnética), dá-se usualmente o nome de energia química, de forma que reações químicas implicam quase sempre consideráveis variações na energia química atreladas ao sistema.

A conservação da energia exige que haja um balanço entre as variações na energia química e outras formas de energia. Em particular, na grande maioria das reações químicas esse balanço energético é obtido por meio de transformações da energia química em energia térmica, ou vice-versa. O conceito de energia térmica corresponde à soma das energias de movimento (energias cinéticas) de todas as partículas do sistema. Nesse contexto, a temperatura de um sistema pode ser entendida como uma medida da energia cinética média por partícula do sistema. Pode-se pensar, portanto, na  temperatura como sendo proporcional à razão entre a energia térmica e o número de partículas que compõe o sistema. Em resumo, reações químicas são responsáveis por determinarem consideráveis variações na temperatura do sistema, de forma a torná-los potenciais fontes de calor ao determinarem  diferenças de temperatura entre o sistema e sua vizinhança.

É importante ressaltar que há uma parte da química, chamada de termoquímica, voltada especificamente para o estudo do calor obtido via reações químicas entre o ambiente e o sistema reativo.

De forma a exemplificar o fato de reações químicas implicarem calor tem-se a combustão do gás de cozinha no qual o butano ou propano reagem quimicamente com oxigênio, liberando (em se tratando de reação química completa) gás carbônico, água em forma de vapor, e energia térmica na forma de calor para a vizinhança.

Propagação de calor

Em uma simples experiência como a ilustrada na figura verificam-se as presenças das três formas básicas de calor: radiação, condução e convecção.

Sendo o calor a transferência de energia quando se tem um diferença de temperatura entre um sistema e outro, sua propagação se dá de três formas: por condução, convecção e radiação.

De forma resumida, tanto a propagação de calor por condução e convecção demandam a existência de matéria entre os sistemas, a diferença entre elas se configura no fato de o primeiro não implicar em uma dinâmica da matéria. Por outro lado, a propagação por radiação ocorre mesmo na ausência de matéria.

Condução

Ver artigo principal: Condução térmica

A condução é um tipo de propagação de calor, onde o calor é transferido de um meio ou corpo para outro. Partington diz que : “Se um corpo quente entra em contato com um outro corpo mais frio através do processo de condução, a temperatura do corpo quente diminui enquanto a temperatura do corpo mais frio aumenta e diz que uma quantidade de calor foi transferida do corpo quente para o frio, ou seja, é a situação em que o calor se propaga através de um condutor.

Convecção

Ver artigo principal: Convecção

Diferentemente da condução, a convecção não acontece a nível molecular, podendo ocorrer de duas formas: por convecção natural, devido a diferença de densidade do fluido, após aquecimento; ou por convecção forçada, em que existe um mecanismo externo ao sistema forçando 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 coeficiente 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]. Um exemplo do dia a dia em que há a existência da propagação de calor por convecção é no interior de uma geladeira com um congelador em sua parte superior verifica-se movimento de ar quente em sentido ascendente e de ar frio em sentido descendente, estabelecendo a presença de calor por convecção.

Radiação

Ver artigo principal: Radiação eletromagnética

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. Um exemplo de radiação são os óculos infravermelho, normalmente utilizados por militares a fim de propiciar a visão noturna, são sensíveis justamente á radiação térmica que tem origem nos corpos aquecidos, cada ser humano correspondendo a uma lâmpada infravermelha acesa de 100W.

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 à sua variação de temperatura ($\Delta T$). 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 1 kg 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 SI 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.

$Q=L\cdot m$

Ver também

• Calorimetria
• Capacidade térmica
• Princípio das trocas de calor

Ligações externas

• Cool Cosmos /NASA