Calor e Temperatura

Rafael C. Asth

Professor de Matemática e Física

Calor e Temperatura são dois conceitos fundamentais na termologia (Termofísica) os quais, são considerados sinônimos.

No entanto, o calor designa a troca de energia entre corpos, enquanto a temperatura caracteriza a agitação das moléculas de um corpo.

Calor

O calor (energia calorífica) é caracterizado pela transferência de energia térmica que flui de um corpo (com maior temperatura) ao outro (de menor temperatura) quando há diferença de temperatura entre ambos.

A propagação de calor pode ocorrer de três maneiras, a saber: condução, convecção e irradiação.

Condução Térmica

Na condução térmica, a transferência de calor é dada pela agitação das moléculas, por exemplo, ao segurar uma barra de ferro e aquecer a outra extremidade, em pouco tempo, a barra inteira se aquecerá.

As moléculas aumentam sua vibração, transmitindo energia para as vizinhas. Neste processo, elas não se deslocam, apenas transferem energia térmica.

Veja mais sobre Condução Térmica.

Convecção Térmica

Na convecção térmica, a transferência de calor ocorre em líquidos e gases; é o que acontece com o aquecimento de água numa panela, donde criam-se "correntes de convecção" e a água que está próxima do fogo sobe, enquanto a que está fria desce.

Na convecção ocorre transferência de matéria. As moléculas mudam de posição, transferindo a energia térmica.

Irradiação Térmica

Por fim, na irradiação térmica, o calor é propagado por ondas eletromagnéticas, sem ser necessário o contato entre os corpos, por exemplo, se aquecer perto de uma lareira.

A irradiação ocorre sem transferência de matéria e não há necessidade de percorrer um meio material. A irradiação ocorre inclusive através do vácuo, como a energia do Sol que chega à Terra.

A irradiação térmica ocorre, principalmente, com as ondas eletromagnéticas na faixa do infravermelho.

Unidades de Medida de Calor

No Sistema Internacional de Unidades (SI) o calor é medido em joules (J), pois esta é a unidade oficial para medir energia. No entanto, outra unidade muito utilizada para medir calor é a caloria (cal).

A relação numérica entre caloria é Joule é: 1 caloria equivale a 4,184 J.

1 cal = 4,184 J

Trocas de Calor

Corpos com temperaturas diferentes trocam calor entre si e com o ambiente. A energia térmica é transferida do corpo quente (maior temperatura) para o mais frio (menor temperatura). Nestas trocas de energia se observa dois tipos de alterações: de temperatura ou de estado físico.

Estas variações ocorrem tanto com o recebimento de energia quanto na perda. Por exemplo, uma porção de líquido ao ceder uma certa quantidade de energia térmica, pode mudar de estado, solidificando ou, simplesmente diminuindo a temperatura.

Cálculo do Calor Sensível

Calor Sensível é a energia que provoca mudança de temperatura na matéria sem alterar seu estado físico.

$começar estilo tamanho matemático 18px reto Q igual a reto m. reto c. incremento reto teta fim do estilo$

Sendo Q, a quantidade de calor e:

m é a massa, em quilogramas (kg);
c é a constante calor específico e depende do material. Medido em caloria por grama Celsius (cal/g.C°);
$começar estilo tamanho matemático 16px incremento reto teta fim do estilo$ é a diferença de temperatura, $incremento teta igual a T com f i n a l subscrito fim do subscrito menos T com i n i c i a l subscrito fim do subscrito$ , medido em graus Celsius (C°).

Cálculo do Calor Latente

Calor Latente é a energia que provoca a mudança de estado na matéria sem alterar sua temperatura.

$começar estilo tamanho matemático 18px reto L igual a reto Q sobre reto m espaço fim do estilo$

Sendo L o calor latente. Seu valor depende do material, da mudança de estado e da temperatura;
Q a quantidade de calor necessária para ocorrer a mudança de estado;
m é a massa, em quilogramas (kg);

Temperatura

Temperaturaé uma grandeza física que designa a quantidade de energia cinética (movimento ou agitação) das moléculas e o estado térmico de um corpo (quente ou frio).

Quanto mais quente (alta temperatura) se apresenta o corpo, maior será sua energia cinética, ou seja, a agitação moléculas; e, quanto mais frio (baixa temperatura), menor será a agitação molecular.

Dessa forma, o equilíbrio térmico ocorre quando os dois corpos, por meio da transferência de calor, atingem a mesma temperatura.

O princípio fundamental da Termodinâmica diz que, dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, também estão em equilíbrio térmico entre si.

No Sistema Internacional de Unidades (SI) a temperatura é medida em Kelvin (K). Outras unidades de medida usuais para temperatura são o Celsius (°C) e o Fahrenheit (°F).

No Brasil, a escala de temperatura utilizada é Celsius, cujo ponto de fusão da água apresenta o valor 0° e o ponto de ebulição 100°.

Medir a Temperatura

Para medir a temperatura são necessários aparelhos especiais como o termômetro, cujo valor pode ser apresentado nas escalas: Celsius (°C), kelvin (K) ou Fahrenheit (°F).

Para tanto, na escala Kelvin o valor do ponto de fusão da água é de 273K (0°C) e o ponto de ebulição de 373K (100°C).

Na escala Fahrenheit, o ponto de fusão da água é de 32 °F (0 °C) enquanto que o ponto de ebulição da água é de 212 °F (100 °C).

Saiba mais sobre as Escalas Termométricas.

Dilatação Térmica

A dilatação térmica consiste no aumento das dimensões de um corpo devido ao aumento de sua temperatura. De mesmo modo, ao perder energia térmica, diminuindo sua temperatura, ocorre uma contração térmica e suas dimensões também diminuem.

As alterações dimensionais na matéria, incluindo os fluidos, ocorrem devido a forças intermoleculares, pois, o aumento da temperatura provoca maior agitação das moléculas e, consequente afastamento.

Estas mudanças ocorrem em todas as dimensões lineares, provocando também, alterações superficiais e volumétricas. Estas mudanças dependem das medidas iniciais, das variações de temperaturas e de coeficientes de dilatação.

Cálculo da Dilatação Térmica Linear

A dilatação térmica, $incremento L igual a L com f i n a l subscrito fim do subscrito menos L com i n i c i a l subscrito fim do subscrito$ é a variação das dimensões lineares que se deram no corpo, após receber ou ceder determinada quantidade de calor.

Esta variação depende do coeficiente de dilatação térmica linear $alfa$ , sendo uma constante que depende do material e de outras propriedades. Os valores de $alfa$ são tabelados.

$começar estilo tamanho matemático 18px incremento reto L igual a reto L com 0 subscrito. reto alfa. incremento reto teta fim do estilo$

Onde,

$incremento L$ é a variação da dimensão linear;
$L com 0 subscrito$ é o comprimento inicial;
$incremento teta$ é a variação de temperatura;
$alfa$ é o coeficiente de dilatação superficial.

Cálculo da Dilatação Térmica Superficial

Uma vez que, as dimensões lineares sejam alteradas, as superficiais também são. Para o cálculo da dilatação superficial, utiliza-se a constante de dilatação superficial $beta$ .

$começar estilo tamanho matemático 18px incremento reto S igual a reto S com 0 subscrito. reto beta. incremento reto teta fim do estilo$

Onde,

$S com 0 subscrito$ é a área inicial;
$beta$ é o coeficiente de dilatação superficial;
$incremento teta$ é a variação de temperatura.

Cálculo da Dilatação Térmica Volumétrica

A dilatação térmica volumétrica ou cúbica é a variação nas dimensões espaciais de um corpo, ao receber ou ceder energia térmica. Esta variação é proporcional ao coeficiente de dilatação volumétrica, que depende do material e de suas propriedades.

$começar estilo tamanho matemático 18px incremento reto V igual a reto V com 0 subscrito. reto gama. incremento reto teta fim do estilo$

Onde,

$incremento V$ é a variação volumétrica;
$V com 0 subscrito$ é o volume inicial;
$gama$ é a variação de temperatura;
$incremento teta$ é o coeficiente de dilatação volumétrica.

Calorimetria

A calorimetria é a parte da física estuda o calor, ou seja, a transferência de energia de um corpo para o outro.

A calorimetria envolve muitos conceitos importantes da termologia como calor, caloria, temperatura, calor específico, calor sensível, calor latente, capacidade térmica, equilíbrio térmico, condução, convecção, irradiação, fluxo de calor, dentre outros.

Exercícios Sobre Calor e Temperatura

Exercício 1

(Enem 2013)

Quais são os processos de propagação de calor relacionados à fala de cada personagem?

a) Convecção e condução.
b) Convecção e irradiação.
c) Condução e convecção.
d) Irradiação e convecção.
e) Irradiação e condução.

Ver Resposta

Resposta correta: e) Irradiação e condução.

A energia térmica do Sol se propaga no vácuo, na forma de radiação eletromagnética. As luvas funcionam como isolante térmico, reduzindo a condução de calor com o meio externo e mantendo as mãos aquecidas.

Exercício 2

(UFRGS 2018) Uma quantidade de calor Q = 56.100,0 J é fornecida a 100 g de gelo que se encontra inicialmente a -10 °C.

Sendo

o calor específico do gelo cg = 2,1 J/(g°C),

o calor específico da água ca = 4,2 J/(g°C) e

o calor latente de fusão CL = 330,0 J/g,

a temperatura final da água em °C é,

aproximadamente,

a) 83,8.
b) 60,0.
c) 54,8.
d) 50,0.
e) 37,7.

Ver Resposta

Resposta correta: d) 50,0.

1º processo: calor sensível de -10°C à 0°C

O gelo recebe energia até atingir a temperatura de a 0°C.

$Q igual a m. c. incremento T Q igual a 100 espaço. espaço 2 vírgula 1 espaço. espaço 10 Q espaço igual a espaço 2 espaço 100 espaço J$

2º processo: calor latente

O gelo recebe energia que é utilizada para transformar o seu estado, mantendo a temperatura constante.

$Q igual a m espaço. espaço L Q igual a 100 espaço. espaço 330 Q igual a 33 espaço 000 espaço J$

3° processo: calor sensível a partir de 0°C

A água líquida irá continuar recebendo o restante da energia, aumentando sua temperatura.

Nos dois primeiros processos foram utilizados, ao total:

2 100 J + 33 000 J = 35 100 J

Subtraindo do total recebido:

56 100 J - 35 100J = 21 000 J

$Q igual a m. c. incremento T Q igual a m. c. parêntese esquerdo T com f i n a l subscrito fim do subscrito menos T com i n i c i a l subscrito fim do subscrito parêntese direito$

Como a temperatura inicial deste processo é °C, temos:

$Q igual a m. c. T com f i n a l subscrito fim do subscrito$

Isolando a temperatura final na equação:

$T com f i n a l subscrito fim do subscrito igual a numerador Q sobre denominador m. c fim da fração T com f i n a l subscrito fim do subscrito igual a numerador 21 espaço 000 sobre denominador 100 espaço. espaço 4 vírgula 2 fim da fração igual a numerador 21 espaço 000 sobre denominador 420 fim da fração igual a 50$

Portanto, ao receber 56 100 J, as 100 g de gelo terminam o processo como água líquida a 50°C.

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Rafael C. Asth

Professor de Matemática licenciado, pós-graduado em Ensino da Matemática e da Física e Estatística. Atua como professor desde 2006 e cria conteúdos educacionais online desde 2021.