Material didático - Calor e Trocas de energia

Calor nos livros didáticos

Quando dois corpos quaisquer, com temperaturas diferentes, em contato, a energia térmica flui naturalmente do corpo mais quente para o corpo mais frio. Essa quantidade de energia transferida de um corpo para outro é chamada de calor.

A energia é medida em Joules (J) no SI. Como o calor é uma forma de energia, possui a mesma unidade. Por motivos históricos (calórico) e práticos é usado caloria (cal). 

Capacidade Térmica (C)

Suponha que dois corpos de mesma massa, um bloco de ferro de 1 kg e um recipiente co 1 kg água, conforme a simulação 1, sejam expostos a chamas idênticas durante o mesmo intervalo de tempo.  

Se esses corpos ficarem expostos à chama do fogo durante dois minutos, por exemplo, o bloco de ferro atingirá uma temperatura elevada e será quase impossível apanhá-lo diretamente com a mão. por outro lado, no recipiente, teremos água morna. Como isso é possivel se ambos receberam a mesma quantidade de energia?

O bloco de ferro é solido e consequentemente as partículas que o compõem agitam-se mais intensamente do que em uma substância liquida como a água. Por isso, a variação de temperatura prevista para os corpos é diferente.

A grandeza física que relaciona quantidade de energia com a variação da temperatura é denominada capacidade térmica C, dada por: 

A unidade de capacidade térmica, nesse sistema é cal/°C.

Calor específico (c)

Algumas substâncias aquecem mais que outras mesmo recebendo a mesma quantidade de energia. Um exemplo é quando, num dia ensolarado, com altas temperaturas, você pode andar descalço sobre o chão de terra batida, mas não consegue pisar no asfalto, embora os dois estejam recebendo a mesma quantidade de energia. 

Experimentalmente, verificou-se que esse fenômeno é uma característica da substãncia que constitui o corpo. Cada grama de certa substância necessita absorver ou liberar determinada quantidade de energia para sofrer variação de 1 grau na sua temperatura.  Essa quantidade de energia característica da substância denomina-se calor espscífico (c), dada por:

 Sua unidade é cal/gºC.

Calor sensível e Calor latente

A energia que produz a variação da temperatura em um corpo, chama-se calor sensível. Por exemplo, ao colocarmos água para ferver em uma chaleira, sua temperatura aumentará continuadamente até atingir 100° C, ou valores próximos a estes.

Entretanto, sabemos que ao fornecer energia a matéria esta pode mudar de estado físico. Ou seja, se continuarmos a fornecer energia à água, esta mudará seu estado físico, de líquido para gasoso. Verifica-se que durante esse processo, a temperatura da água não varia, mantendo-se constante no valor em que foi iniciada a mudança de estado.  A energia que modifica o estado físico de um corpo, e não varia a sua temperatura, chama-se calor latente. 

Trocas de energia 

O que acontece quando colocamos por uma hora algumas garrafas de suco, à temperatura ambiente, dentro de uma caixa de isopor com alguns cubos de gelo?

Exemplo de um sistema térmicamente isolado

Quando dois ou mais corpos com temperaturas diferentes são postos em contato, eles trocam energia entre si até atingirem o equilibrio térmico. 

Como a caixa de isopor impede as trocas de energia com o meio externo, a quantidade de energia na forma de calor liberada pelas garrafas de suco é igual, em valor, à quantidade de energia absorvida pelos cubos de gelo.

Quando dois ou mais corpos trocam energia apenas entre si,  a soma das quantidades de energia trocadas pelos corpos até atingir o equilibrio térmico é igual a zero.

Perceba, portanto, que esse príncípio está completamente de acordo com o princípio de conservação da energia.

Calorímetro

Chamamos de calorímetro um tipo de recipiente que, termicamente isolado, evita as trocas de energia entre o seu conteúdo e o meio externo. Em príncípio, um calorímetro ideal não deveria trocar energia com os corpos de seu interior, mas na prática isso não ocorre, ou seja, o calorímetro é um modelo para explicar as trocas de energia.

Para compreender as trocas de energia com o uso do calorímetro clique na simulação2.

Avaliação 

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Referências:

BARRETO FILHO, Benigno; SILVA, Cláudio Xavier da. Física aula por aula: mecânica dos fluídos, termologia e óptica 2º ano. 2º Ed. São Paulo: FTD, 2013.

BONJORNO, Regina Azenha et al.... Física: termologia, óptica e ondulatória. 2º ano.2º Ed. São Paulo: FTD, 2013.

GUIMARÃES, Oswaldo; PIQUEIRA, José Roberto; WILSON, Carron. Física. 1ed. São Paulo: Ática, 2013.

Afinal, o que é Calor?

As tentativas de refutar o calórico continuaram no início do século XIX. Exemplos disso são os trabalhos de Humphry Davy (1778-1829), que realiza o experimento da fricção de dois cubos de gelo em 1799 e depois considerou uma teoria que seria uma junção do “fluido” com “movimento”. Enquanto Davy retomava uma visão mais “química” do calor, Thomas Young (1773-1829) seguia pela analogia entre os fenômenos luminosos (ondas) e os fenômenos envolvendo o calor (WATANABE, 1962).

Uma hipótese diferente surgiu com os trabalhos de Julius Robert Mayer (1814-1878) e James Prescott Joule (1818-1889) na primeira metade do século XIX, associando o calor a um tipo de trabalho realizado (MARTINS, 1984). Para Mayer, o trabalho estava diretamente ligado ao esforço, e a equivalência entre esse esforço e o calor produzido era considerada constante, tanto por aspectos físicos quanto filosóficos. Por outro lado, Joule buscava a relação entre o calor e a eletricidade, realizando vários experimentos. Controvérsia à parte sobre a primazia de Joule ou Mayer na fundamentação do princípio que hoje chamamos de conservação da energia, Joule encontrou o equivalente mecânico do calor partindo tanto de experimentos de eletricidade quanto de queda de pesos que movimentam pás imer-sas na água, obtendo seu reconhecimento com o experimento de 1850, em que a queda de dois pesos proporciona diferença de temperatura mensurável numa certa quantidade de água (HEERING, 1992).

O termo energia foi introduzido no mesmo período em que se estabelecia a ideia de conservação de forças. Em 1851, Thomson introduziu o conceito de energia mecânica de um corpo. Assumindo que a energia de um corpo está associada à sua atividade, e analogamente, supondo que calor era concebido como movimento, paulatinamente passou -se a adotar calor como energia. A concepção de energia de Thomson tinha argumentos não físicos, mas nos anos posteriores foi alterando seu significando, assumindo características existenciais, como se ocupas-se um certo espaço no corpo ou entre as partes do corpo. Assim como as concepções anteriores que assumiam “calor” como uma substância, a ideia de energia ocupando espaço também recebeu críticas (COELHO, 2009 e 2012).

Mas, qual a natureza da energia? A resposta a essa pergunta também é complexa e tem diferentes hipóteses.

A aplicação do princípio geral da conservação da energia leva à conclusão indubitável que a energia térmica gerada é o equivalente do trabalho mecânico usado na fricção, mas traz pouca ou quase nenhuma luz sobre os passos do processo, e não dá informação sobre a atual natureza da energia produzida na forma de calor (CALLENDAR, 1912).

De certa forma esta ideia de conservação tem implícita a concepção da existência da energia como algo, muito semelhante às afirmações que eram feitas sobre o calórico durante o século XVIII.

Referências:

GOMES, Luciano Carvalhais. A ascensão e queda da teoria do calórico. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 29, n. 3, p. 1030-1073, dez, 2012.

PIETROCOLA, Maurício; GURGEL, Ivã. Modelos e realidade: Um estudo sobre as explicações acerca do calor no século XVIII. EPEF. p. 1-11, 2011.

SILVA, Ana Paula Bispo; FORATO, Thaís Cyrino de Mello; GOMES, José Leandro de A. M. Costa. Concepções sobre a natureza do calor em diferentes contextos históricos. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 30, n. 3, p. 492-537, dez, 2013.