Primeiro bimestre de 2016.

Aula 05 - Os conceitos de temperatura e calor.

Considere uma certa porção de matéria como este cristal de sal de cozinha mostrado na figura ao lado. As esferas verdes e azuis representam os átomos de Sódio e Cloro.

Cada átomo deste cristal está vibrando em torno de sua posição de equilíbrio. Podemos associar a cada um deles uma certa energia cinética. Existe também uma energia potencial associada à interação entre os átomos do material.

De acordo com o que foi visto na aula anterior, chamamos de Energia Interna à soma da Energia Cinética de cada átomo com a Energia Potencial resultante da interação do conjunto de átomos desta porção de matéria. Se a porção de matéria está no estado líquido ou gasoso, os átomos (ou moléculas) do material possuem também um movimento aleatório de translação e rotação. As energias cinéticas associadas a estes tipos de movimento também devem ser somadas à Energia Interna do material.

Tudo isto nós vimos na aula passada. Nesta oportunidade foi comentado que as sensações de "frio" e "quente" estão ligadas à Energia Interna. Quando aumentamos a Energia interna de uma jarra de água e a tocamos com o dedo verificamos que ela "esquentou". Se retiramos Energia Interna dessa água a sensação que sentimos é de que ela "esfriou". No entanto, não é conviniente usar as sensações biológicas de "quente" e "frio" para obter informações sobre a energia interna dos corpos, pois elas são imprecisas. Devemos então procurar por uma grandeza física mais adequada.



O conceito de temperatura.

De uma maneira bem popular podemos afirmar que a "Temperatura" é uma medida da agitação das moléculas de um corpo. Repare que a Temperatura não nos diz quanta Energia Interna tem o corpo. Ela nos diz apenas se a energia, ou a agitação térmica das moléculas do corpo, é mais ou menos intensa.

Por outro lado, imagine dois objetos, um deles quente e o outro frio. Se os colocados em contato verificamos que, após certo tempo, um deles ficará menos quente e o outro menos frio. Essa mudança ocorre até que a "agitação média" de seus átomos ou moléculas dos dois corpos se tormam, em média, a mesma.

Neste estado afirmamos que os corpos estão em equilíbrio térmico. Quando isto acontece afirmamos também que, por definição, esses corpos estão na mesma Temperatura.

- Mas, professor, como vamos obter a informação que nos interessa?

- Para isto, espírito sem luz, vamos usar um terceiro corpo, que chamaremos de termômetro e o colocaremos em contato com os dois corpos anteriores. O nosso termômetro leva esse nome porque possui uma propriedade que varia com a energia interna. Ela é chamada de "propriedade termométrica". Para os termômetros de mercúrio, essa propriedade é a variação de volume que o mercúrio apresenta quando variamos sua energia interna.

Colocamos os três corpos em contato e esperamos que eles entrem em equilíbrio térmico. Quando isto acontece, a teoria afirma que eles têm a mesma temperatura. Agora basta associar o volume do mercúrio a uma escala e poderemos fazer nossas medidas.

O físico e astrônomo sueco, Anders Celsius, criou uma escala colocando o seu termômetro em equilibrio térmico com o gelo no ponto de derretimento e com a água em ebulição. Atribuiu a esses volumes do mercúrio os números zero e cem. Dividiu o espaço entre essas duas marcas na escala em cem partes e chamou cada parte de "grau". Veja a imagem abaixo

- Com isto, espírito sem luz, Celsius forneceu uma escala para comparação. Digamos que você coloque um termômetro em contato com um objeto qualquer. Após certo tempo você notará, por exemplo, que o mercúrio sofre dilatação e, dentro da coluna, ele se move até a marca 50. Afirmamos então que a temperatura desse material é de 50 °C.

Se repetimos o procedimento com outro objeto e medimos 80 °C podemos comparar os dois e afirmar que o segundo é mais "quente" que o primeiro.



Uma nova escala de temperatura: a escala absoluta.

Isto, no entanto, não foi suficiente. Repare que se a temperatura é uma medida da "agitação" dos átomos e moléculas então é adequado que a temperatura zero (0 °C) se refira a uma situação em que eles estão "parados" em suas posições. Isto não acontece com a Escala Celsius. Os cientistas necessitavam de uma nova escala de temperatura.

Essa nova escala foi proposta pelo físico e engenheiro britânico William Thonson, o lorde Kelvin. Ela é chamada de escala absoluta ou Escala Kelvin. Nela a temperatura na qual os átomos estão parados é 0 K (zero Kelvin ou zero absoluto). Esta é a menor temperatura possível. Na escala Kelvin, ou escala absoluta, o 0°C corresponde a 273,16 K e a unidade muda de "grau" para Kelvin.

- Neste ponto, espírito sem luz, é necessário uma observação. Na Física clássica, a teoria alega que na temperatura "zero absoluto" os átomos estão totalmente parados. Portanto, com energia nula. Atualmente acredita-se que em todo sistema existe uma energia residual, uma energia mínima chamada Energia do ponto zero.

Repare ainda, espírito sem luz, que a Escala Kelvin é uma escala centígrada como a Escala Celsius. Logo a variação da temperatura nas escalas Celsius e Kelvin são as mesmas. Assim, podemos usar tanto a escala Celsius como a escala Kelvin nos nossos cálculos quando trabalhamos com uma variação de temperatura. No entanto, quando nas fórmulas aparece apenas uma medida de temperatura é obrigatório o uso da escala Kelvin.

Essas são as duas escalas de temperatura adotadas pelo Sistema internacional de Unidades (SI). A escala Kelvin para os assuntos científicos e a escala Celsius para uso no dia a dia.

A relação de conversão entre essas escalas é mostrada abaixo.




O conceito de calor.

A grandeza física que atualmente chamamos calor teve uma longa e interessante evolução na Física. De início o "calor" foi pensado como sendo algum tipo de substância material, um fluido de algum tipo que penetrava os corpos fazendo com que eles esquentassem. O frio era pensado também como um outro tipo de substãncia material com efeitos contrários.

Uma evolução importante ocorreu quando o grande químico francês Lavoisier propos a teoria de que o calor era uma substância material desse tipo e deu-lhe o nome de "calórico". Para Lavoisier "quente" era presença de calórico no corpo e "frio" indicava ausência ou pequena quantidade de calórico no corpo.

Com a teoria do Calórico foram feitos grandes progressos nos estudos dos fenômenos térmicos. Uma evolução importante surgiu quando os físicos se perguntaram se o calor era mesmo um tipo de matéria. No entanto, foram os físicos ingleses, o nobre Thonson e o cervejeiro Joule, que mostraram de maneira convincente que "calor" e "frio" não eram substâncias materiais, mas estavam ligados ao movimento aleatório das moléculas do material. Segundo eles o calor não é matéria. Calor é energia.

Esta é a teoria adotada na Física nos dias de hoje e dela trataremos a seguir.


Imagine dois corpos isolados termicamente do exterior, mas não entre si. Eles têm temperatura diferentes. O corpo "A" tem temperatura maior. Veja a figura abaixo.

Verifica-se que, nesta situação, haverá um fluxo de energia do corpo "A" para o corpo "B". Esse fluxo de energia provoca a diminuição da energia interna de "A" e o aumento da energia interna de "B". O fluxo se mantém até que as temperaturas dos dois corpos se iguale, em outras palavras, até que eles estejam em "equilíbrio térmico".

Resumindo.

"O calor é a energia em trânsito entre dois corpos devido a diferença de temperatura entre eles. Esse fluxo de energia ocorre sempre a partir do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura e ocorre até que o equilíbrio térmico entre eles seja atingido."


Na próxima aula, espírito sem luz, continuaremos a conversar sobre o calor. Lá trataremos das formas existentes na natureza para transferir energia de um sistema para outro sistema.




   
   
  
   
   
   
   
   
   

Material complementar ao assunto tratado nesta aula.


Assista à série da BBC sobre a corrida dos físicos para entender o frio e o calor e conheça melhor os conceitos de temperatura absoluta e de "zero absoluto".

   
   
  
   
   
Em busca do zero absoluto
   
   
   
   
   
   
   

A Escala Fahrenheit de temperatura
   
   
   
   
   
   
   
Lista de exercícios sobre calor e temperatura