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Promotor de calor em uma placa de computador.

Os dissipadores de energia térmica têm por função maximizar o calor entre as partes às quais se prendem e o ambiente externo. São de uso muito frequente em placas de circuitos eletrônicos.

Calor é o termo associado à transferência de energia térmica de um sistema a outro - ou entre partes de um mesmo sistema - exclusivamente 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 tão pouco é correto afirmar que um corpo "possui" calor. Os corpos (ou sistemas) possuem energia interna, essa composta por duas parcelas, a energia térmica e a energia potencial (energia química). Os conceitos de energia interna ou mesmo de energia térmica não devem jamais ser confundidos com o conceito de calor; que implica energia térmica em trânsito ou transferida devido a uma diferença de temperaturas.

O calor é uma das duas formas possíveis 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 causal com eventuais variações nos volumes dos sistemas em interação. O calor descreve a parcela da energia transferida entre dois sistemas que não pode ser associada à execução de trabalho mecânico, este último correspondendo à segunda entre as duas formas possíveis de transferência de energia entre os dois sistemas - ou partes de um sistema - em consideração. O trabalho associa-se à energia transferida em virtude do movimento da fronteira comum aos sistemas - e não da energia transferida através dessas - e portando o trabalho encontra-se sempre associado a variações nos volumes dos sistemas em interação.

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. De uso não pouco comum é também a unidade imperial BTU - British Termal Unit, em português, unidade térmica britânica. O BTU equivale à aproximadamente 252,2 calorias.

Introdução

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.

O conceito de calor utilizado pela população é o já há muito estabelecido em senso comum, conceito esse notoriamente ainda apegado à ideia do calórico; fluído esse cuja existência há muito já foi contestada pela ciência. Assim, em pleno verão ou mesmo no outono, as pessoas costumam reclamar da temperatura: "que calorão", "que calor insuportável!", dizem elas; e 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 a fim de não exporem seus organismos às alterações térmicas que prejudicariam sua estabilidade. Poucas são as vezes nas quais acabam acertando nas expressões, e quando o fazem, o fazem contudo por motivos ainda incorretos: o ar refrigerado dá uma agradável sensação de bem-estar porque é regulado para manter o calor em nível agradável, sejam quais forem as alterações climáticas que ocorram no ambiente externo.

É certamente correto afirmar que o corpo humano é, tanto fisiologicamente quanto sensorialmente, sensível ao calor. Embora fisiologicamente também sensível à temperatura, sensorialmente, a percepção de quente ou frio que o sentido do tato provê encontra-se associada ao calor entre o corpo e o meio, e não à temperatura dos corpos ou ambiente em questão. Quando há calor em demasia do corpo para o ambiente tem-se a sensação e reações orgânicas associadas ao "frio"; e quando há pouco calor do corpo para o ambiente, ou mesmo há calor do ambiente para o corpo, tem-se a sensação de "quente" (ou, de forma controversa, "de calor", em senso comum). Sendo o tato dotado de um sensor de calor e não de temperatura, esse jamais deve ser usada como termômetro para inferir a temperatura de uma outra pessoa; sob pena de incorrer-se em equívocos que podem implicar inclusive risco de morte. A fim de se estabelecer corretamente se um pessoa está ou não com febre e se deve ou não ser medicada deve-se usar um termômetro clínico, jamais o tato.

Além de ligar-se ao bem-estar, o calor também é muito importante no cotidiano. Com o calor cozinham-se os alimentos, se aquece a água, secam-se a roupas, etc. Na indústria, o calor é utilizado para levarem-se os minérios dos metais ao ponto de fusão e na transformação destes em variados utensílios - de arados a armas de guerra -; é necessário para preparar a cerâmica, para produzir papel, tecidos, vidro. O calor obtido a partir da queima de combustível em motores é a fonte primária de energia a ser utilizada para movimentarem-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 movimenta geradores e produz energia mecânica.

O calor que o homem usa provém de diversas fontes. As principais atrelam-se de alguma forma, à exceção da energia nuclear, ao sol ou à formação do sistema solar.

Embora certamente evidente no dia-a-dia, só recentemente a natureza do calor foi compreendida pela ciência. Até o final do século XVIII, os cientistas propunham que o calor era uma espécie de fluido imponderável (sem massa) e invisível que, quando presente, aquecia, ou em ausência, resfriava os corpos. Deram a essa substância o nome de calórico. O equilíbrio térmico era mantido quando os corpos ganhavam ou perdiam calóricos. Nos primórdios do estudo da criogenia houve inclusive a hipótese de que um "fluído frio", e não o calórico, seria o fluido atrelado à temperatura dos corpos.

Em 1798, o físico Benjamim Thompson, conde Rumford, em seus trabalhos de perfuração de tubos de canhão para o exército inglês, observou que o atrito aquecia os metais e que a temperatura elevada perdurava por algum tempo nas peças atritadas. Podendo essas contudo serem continuamente reaquecidas via atrito, o calor não tardou em ser reconhecido como uma forma de energia passível de ser obtida a partir do trabalho mecânico. Seguindo a linha de raciocínio, o químico inglês Juchg Heghref propôs que essa hipótese poderia ser facilmente demonstrada, bastando para tal esfregarem-se dois blocos de gelo, o que os aqueceria e os levaria ao derretimento, mesmo esses inicialmente não possuindo ou possuindo pouco calórico. Mantida a hipótese do calórico, essa deveria implicar a possibilidade desse ser produzido a partir do nada.

Foi o físico alemão Hermann Von Helmholtz que, em 1847, estabeleceu a definição de calor como uma forma de energia, afirmando que para todas as formas de energia há o equivalente em calor. A ideia foi posteriormente corroborada 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, e por comparação, estabeleceu o equivalente mecânico do calor.

O avanço que seguiu-se no tocante aos estudos na área, sobretudo impulsionados pela importância histórica do advento das máquinas térmicas, mostrou efetivamente que, assim como o movimento produz calor, o calor, por sua vez, também pode produzir movimento. Seguindo-se o curso histórico, gradualmente a antiga hipótese do calórico digladiou-se com a hipótese da atualmente bem-estabelecido energia térmica e, perdendo a batalha, a hipótese do calórico acabou suprimida do paradigma moderno concernente à termodinâmica dos sistemas físicos.

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.

Termodinamicamente falando, 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 irrreversível. 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 se associem aos mesmos potenciais termodinâmicos correlatos.

Em vista do exposto, é pois a rigor incorreta qualquer afirmativa que tente atribuir ao sistema, ou a parte do mesmo, a posse 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; e mesmo nos círculos científicos essas não se fazem em nada raras. 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, e não a de trocar, 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

Raposa do ártico, animal homeotérmico, confortavelmente deitada na neve. Quanto mais baixa a temperatura ambiente, mais calor há entre seu organismo e o meio. A fim de manter o calor em níveis toleráveis, a raposa conta contudo com mecanismos que o minimizam a um patamar agradável; a exemplo, uma pelagem espessa e a natureza de sua pele, que constituem excelentes isolantes térmicos.

Se alguém contasse que quanto mais baixa for a temperatura ambiente mais calor há; e que, quando a temperatura ambiente sobe para valores próximos à temperatura corporal, o mal estar associado deve-se não ao excesso mas sim à falta de calor, isso certamente chamaria a atenção, e seria motivo de espanto para a grande maioria das pessoas. Pois, cientificamente falando, é exatamente isso que ocorre no caso dos organismos homeotérmicos, como o do ser humano.

Em organismos homeotérmicos há um sistema pertinente que regula a temperatura corporal, essa regulando-se normalmente em valor acima da temperatura média do ambiente no ecossistema ao qual os espécimes pertencem. Boa parte da fisiologia de tais organismos desenvolveu-se fundada em reações químicas isotérmicas, de forma que variações nas temperaturas corporais desses organismos implicam, quase sempre, risco de morte apreciável para os espécimes.

Os seres vivos homeotérmicos, assim como os pecilotérmicos, ingerem alimentos a fim de reporem as energias internas de seus corpos, que, em acordo com as leis da termodinâmica, diminuem constantemente. O funcionamento normal de um organismo e a relação que esse estabelece com o meio implicam certamente a existência de calor e trabalho entre o ser vivo e o ambiente. Energia é transferida para o meio via trabalho, que atrela-se em essência à locomoção e aos movimentos desencadeados pelo organismo; e o é também na forma de calor, visto que não raro há diferenças de temperaturas entre os organismos e o meio; essas persistentes no caso da homeotermia, encontrando-se o meio usualmente à temperatura mais baixa.

Embora também dotados de energia térmica, os alimentos ingeridos são ricos em energia potencial (química), que é liberada pelo organismo, a fim de suprir seus gastos energéticos, em uma cadeia de eventos conhecida como respiração celular. A respiração consiste literalmente na queima de material orgânico, sobretudo dos carboidratos, mediante reação com o oxigênio obtido do meio; esta fazendo-se contudo em etapas e com velocidade controladas, de forma que a energia liberada venha a mostre-se útil, e não a implicar a auto-incineração dos organismos . Como resultado do processo de respiração têm-se usualmente a água; o gás carbônico, que acaba expelido na expiração; energia química em forma mais adequada ao seu uso por outras partes do organismo; e, certamente, de forma similar a uma reação de combustão típica e de relevância no atual contexto, a energia térmica. Todo organismo 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, energia que não pode acumular-se no organismo, sob pena de um aumento gradual ou mesmo desregrado na temperatura.

Os organismos vivos, com destaque para os homeotérmicos, têm de alguma forma de regular a quantidade de energia térmica que possuem. Como estão constantemente a converter energia química em térmica, a condição ideal para tal organismo é aquela na qual há uma diferença de temperaturas entre ele e o meio que determine, em função da área corporal e outros fatores, uma taxa de calor entre ele e o meio igual à taxa com a qual a energia térmica é produzida por seu organismo. Para um ser humano adulto em trajes de banho mas não dentro da água, em repouso, essa taxa é da ordem de 100 watts, e a temperatura do ambiente para a qual verifica-se essa taxa de calor situa-se em torno de 20 a 22ºC. Esses valores podem variar um pouco de pessoa para pessoa, sendo inclusive dependentes da obesidade da pessoa.

Como as aves bem parecem saber, o ar possui baixa condutividade térmica.

A forma predominante de calor entre o ser vivo e o ambiente gasoso dá-se na forma de radiação. 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 de 100W acesa nesse caso. A parcela de calor associada à convecção e condução, embora exista, é pouco expressiva quando o ambiente é o ar; mas dentro da água essas podem mostrar-se de relevante importância. A taxa de calor entre o corpo e o ambiente aquático é expressivamente maior do que a medida entre o corpo e o ar dado o considerável aumento dessa parcela. Permanências não muito prolongadas em ambientes aquáticos à baixa temperatura podem facilmente conduzir ao estado de hipotermia do organismo.

Mantidas as demais condições inalteradas, uma redução na temperatura do ambiente aumenta a taxa de calor entre o organismo e o ambiente visto que essa redução de temperatura aumenta a diferença de temperaturas entre o organismo e o ambiente; de forma que, nessa situação, o organismo transfere agora ao meio mais energia térmica do que aquela que é gerada pelo seu metabolismo quando em repouso. A energia interna e temperatura do corpo, mantida as condições, irão gradualmente diminuir até uma nova temperatura de equilíbrio, onde as taxas novamente se igualem. Contudo, ocorre que a diminuição da temperatura leva também a um comprometimento do organismo e a uma redução de seu metabolismo, de forma a reduzir ainda mais a taxa de produção de energia térmica. Tem-se então uma realimentação positiva que tende a baixar ainda mais a temperatura corporal para o equilíbrio, o que compromete ainda mais o metabolismo, resultando em um processo retroalimentado que facilmente pode levar à falência do organismo. A fim de evitar tal colapso o organismo lança mão dos dispositivos que possui para aumentar a taxa de produção de energia térmica. Notórios são os tremores e calafrios característicos quando em ambientes frios, esses literalmente resultantes de atividades físicas musculares que visão à aumentar a taxa de produção de energia térmica.

A grande maioria dos naufragos do Titanic faleceram em virtude de hipotermia induzida pelas gélidas águas do atlântico norte. As altas taxas de calor associadas às baixas temperaturas são também responsáveis pelo maior consumo de alimentos no inverno se comparado ao consumo durante o verão.

Caso a temperatura ambiente eleve-se acima da temperatura ideal, há uma redução na diferença de temperaturas entre o organismo e o ambiente, o que acarreta uma redução da taxa de calor dirigida ao ambiente. Mantidas as condições inalteradas, o organismo agora produz, em repouso, mais energia térmica do que entrega para o ambiente. O saldo positivo faz essa energia acumular-se no organismo, e seu acúmulo traduz-se por um aumento na 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.

A hipertermia pode mostrar-se também fatal. Ao contrário do que se poderia pensar, uma aumento demasiado da temperatura corporal também compromete o metabolismo. As reações metabólicas são catalíticas, sendo os catalisadores biológicos normalmente denominados enzimas. Enzimas são proteínas com formatos adequados aos seus propósitos; e desnaturam-se, mudando de forma, caso a temperatura se eleve. A perda de suas habilidades catalíticas em virtude da desnaturação colapsa o sistema metabólico da mesma forma que esse colapsaria sob temperaturas baixas: as reações tornam-se muito lentas. Assim, se a temperatura ambiente for mantida acima da temperatura padrão do organismo por períodos prolongados de tempo, tal condição pode mostrar-se fatal. Além de não mais haver calor entre o organismo e o ambiente, observa-se nesse caso a presença de calor entre o ambiente e o organismo. Além de não se livrar da energia térmica que produz, esse ainda tem agora que lidar com a energia que recebe do ambiente.

Suor na face de uma pessoa. Em ambientes com temperaturas elevadas, a fim de aumentar o calor entre o organismo e seu ambiente externo imediato, as vasos sangüineos superficiais se dilatam, e da pele emerge o suor. A ausência de calor entre o organismo e seu ambiente externo pode levar a um quadro de hipertermia, ou mesmo à morte. Os casos de desidratação podem ser igualmente fatais.

O mecanismo encontrado pelo organismo diante de tal situação, além da redução de seu metabolismo, é molhar-se, o que dá origem ao suor. A estratégia é simples. 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. Embora a afirmativa mostre-se exatamente correta para o caso de ebulição, essa não estrutura-se de forma muito diferente na evaporação simples. A evaporação do suor requer energia térmica, e absorve essa energia térmica do organismo; fornecendo assim um mecanismo para a manutenção de sua temperatura mesmo frente à maior temperatura do ambiente. Há literalmente calor entre o organismo e o suor; e entre o ambiente e o suor, caso aquele esteja a uma temperatura mais elevada do que a temperatura do suor (e do organismo). Mecanismo idêntico é o responsável pelos filtros de água feitos a barro fornecerem sempre água fresca, à temperatura mais baixa que o ambiente, nos dias quentes; e constitui o princípio de funcionamento dos psicrômetros.

O mecanismo de suor conta com a evaporação, que dá-se de forma fácil quando a umidade relativa está baixa, mas simplesmente não ocorre quando essa é igual ou superior a 100%. Assim, justifica-se o fato dos dias quente e úmidos serem muito mais desagradáveis aos seres homeotérmicos do que os dias quentes e secos; e dos dias quentes no Iraque serem geralmente mais toleráveis do que os dias com temperaturas similares no Amazonas.

Em dias quentes ou com umidades relativas muito baixas o consumo de líquidos deve ser abundante. Nesses dias, sobretudo naqueles com temperaturas acima da temperatura corporal, especial atenção deve ser despendida a fim de evitar-se a desidratação, quadro que também pode, assim como a hipertermia ou hipotermia, facilmente levar ao colapso do organismo.

Na europa, no verão de 2006, temperaturas que bateram vários recordes foram registradas por período prolongado de tempo. Dados os quadros de hipertermia e desidratação, as condições climáticas associadas foram responsáveis pela morte de um número apreciável de pessoas ao longo do continente, mesmo diante da mobilização das autoridades a fim de evitarem-se maiores consequências .

Calor e a Química

A fim de fazerem-se picolés, uma mistura líquida degustável, juntamente com o palito, são colocados em um recipiente metálico, rodeados externamente por gelo. Sal de cozinha é então adicionado ao gelo, e juntos dissolvem-se. A temperatura da mistura salobra cai drasticamente, e o calor entre a mistura degustável e a mistura salobra leva a primeira a congelar, formando o picolé. O gosto não fica muito bom quando sal cai também sobre o picolé...

Reações químicas são processos em escala atômica que levam a alterações nas posições relativas de átomos ou íons de forma a dar-lhes nova configuração molecular, iônica ou similar. Basicamente há uma redistribuição da nuvem eletrônica entre os núcleos atômicos que estruturam a matéria e suas micropartes, de forma que, na nova configuração, essa geralmente situa-se em posições distintas das ocupadas antes da reação. Na reação entre hidrogênio e oxigênio, a exemplo, nuvens eletrônicas que antes estendiam-se por sobre dois núcleos de hidrogênio justapostos, ou por sobre dois íons de oxigênio justapostos, são desfeitas; e uma novas nuvens eletrônica são estabelecidas sobre um núcleo de oxigênio e dois de hidrogênio, ligando-os quimicamente, ligações no caso específico nomeadas ligações covalentes. Hidrogênio e oxigênio reagem estequiometricamente de forma explosiva a fim de formar água.

As mudanças nas posições relativas entre elétrons e elétrons e entre elétrons e núcleos carregados, resumidamente a mudança nos orbitais eletrônicos, implicam considerável variação na energia potencial elétrica - e também, de forma menos expressiva, na energia magnética - associada à distribuição espacial das cargas nas estruturas que compõem a matéria. À energia acumulada na distribuição espacial das cargas, quer potencial elétrica quer 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 o balanço energético é conseguido via transformações da energia química em energia térmica, ou vice-versa. O que denomina-se por energia térmica corresponde em realidade à soma das energias de movimento - energias cinéticas - de todas as partículas do sistema. A temperatura de um sistema pode, aparte pormenores, ser entendida como uma média por partícula dessa energia, ou seja, como uma medida da energia cinética média por partícula do sistema. Pode-se pensar a temperatura, grosso modo, como proporcional à razão entre a energia térmica do sistema e o número de partículas que o compõe. Reações químicas são assim responsáveis por determinar não raro consideráveis variações na temperatura do sistema, de forma a torná-los potenciais fontes de calor ao determinarem apreciáveis diferenças de temperatura entre o sistema e sua vizinhança.

Como exemplo de reações químicas implicando calor, tem-se tipicamente a combustão do gás de cozinha, onde 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. Uma situação inversa ocorre ao se misturar água e gelo. Reações resultantes da mistura levam a um aumento na energia química às custas da energia térmica do sistema, de modo que a temperatura do sistema cai drasticamente, mesmo observando-se a liquefação do gelo. Em casos típicos a mistura de sal de cozinha à temperatura ambiente com gelo próximo à sua temperatura de fusão (0ºC) formam uma mistura salobra líquida cuja temperatura encontra-se tão logo formada cerca de duas dezenas de graus abaixo de zero. Há considerável calor do ambiente para o sistema nesse caso, e ao passo que a combustão do gás é utilizada para cozer os alimentos, a mistura de água e gelo é muito comum como meio para fazerem-se picolés.

Há uma subárea da química voltada especificamente para o estudo dos calores conseguidos via reações químicas entre o ambiente e o sistema reativo, a termoquímica. Uma grandeza física muito útil em tais estudos, caracterizando-se conforme definida como potencial termodinâmico, ou seja, como propriedade do sistema, é a entalpia. Em reações químicas que dão-se sob pressão constante o calor estabelecido entre o ambiente e o sistema, facilmente mensurável em calorímetros, corresponde à variação de entalpia do sistema. Os livros de termoquímica são geralmente facilmente reconhecíveis por terem estampados junto às equações químicas para diversas reações de importância as respectivas variações de entalpia observadas, ou seja, os calores observados na reação.

Considerações quanto às energias envolvidas nas reações químicas são também importantes no estudo do metabolismo dos seres vivos; o que remete diretamente às relações entre calor, temperatura e os seres vivos conforme introduzida em seção acima.

Modalidades de calor

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 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].

• 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.

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 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 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.

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

Tópicos Relacionados

• Calorimetria
• Capacidade térmica
• Princípio das trocas de calor