Calor e temperatura 

Os conceitos de temperatura, calor e sensação térmica

Os conceitos de temperatura, calor e sensação térmica estão relacionados ao estudo da transferência de energia térmica e à percepção subjetiva do calor por seres humanos e outros seres vivos. Embora esses termos estejam relacionados, eles têm significados distintos. Vamos explicar cada um deles:

 Temperatura:

A temperatura é uma medida quantitativa da energia térmica presente em um corpo ou substância. É uma grandeza física que indica o grau de agitação das partículas que compõem um material, ou seja, a quantidade de energia cinética média das partículas. A temperatura é geralmente medida em graus Celsius (°C) ou Kelvin (K). No sistema Celsius, o ponto de congelamento da água é definido como 0 °C e o ponto de ebulição é definido como 100 °C (à pressão atmosférica normal). No sistema Kelvin, a escala começa a partir do zero absoluto, que é a temperatura em que as partículas possuem energia mínima, sendo igual a 0 K (-273,15 °C). Quando a temperatura de um objeto aumenta, sua energia térmica também aumenta.

Calor:

O calor é a forma de energia transferida entre dois sistemas ou objetos em diferentes temperaturas. Essa transferência ocorre do sistema de maior temperatura para o de menor temperatura até que ambos alcancem o equilíbrio térmico. Esse processo pode ocorrer por condução (transferência de calor em sólidos ou entre objetos em contato direto), convecção (transferência de calor por meio de fluidos, como ar ou água) e radiação (transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, como a luz solar). O calor é medido em unidades de energia, como calorias ou joules.

Sensação Térmica:

A sensação térmica é a percepção subjetiva da temperatura pelo corpo humano ou outros organismos. Ela pode ser influenciada por diversos fatores, como a temperatura real do ambiente, a umidade relativa do ar, a velocidade do vento e a quantidade de radiação solar. A sensação térmica não é uma medida objetiva de temperatura, mas sim a forma como nosso corpo percebe o calor ou o frio em determinadas condições. Por exemplo, em dias de alta umidade e altas temperaturas, a sensação térmica pode ser mais elevada do que a temperatura real, fazendo com que nos sintamos mais desconfortáveis.

A temperatura é uma medida objetiva da energia térmica de um sistema, o calor é a energia térmica transferida entre sistemas e a sensação térmica é a percepção subjetiva do calor ou frio pelo corpo humano e outros seres vivos. Esses conceitos são fundamentais para entender o comportamento térmico dos materiais e os efeitos das condições ambientais sobre o bem-estar das pessoas.

A relação entre calor e dilatação dos corpos

A relação entre calor e dilatação dos corpos está relacionada ao comportamento dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Quando um corpo é aquecido ou resfriado, sua temperatura muda, o que pode levar a uma mudança no volume ou nas dimensões do material. Essa mudança de volume de um corpo em resposta às variações de temperatura é conhecida como dilatação térmica.

Existem basicamente três tipos de dilatação térmica:

Dilatação Linear: Ocorre em corpos que possuem dimensões predominantemente lineares, como barras, hastes ou trilhos. A dilatação linear é caracterizada pelo aumento ou diminuição do comprimento do corpo ao ser aquecido ou resfriado.

Dilatação Superficial: Acontece em materiais bidimensionais, como placas ou folhas. Nesse caso, além das mudanças no comprimento, também ocorrem mudanças na área superficial do material.

Dilatação Volumétrica: Refere-se à dilatação tridimensional de um corpo, onde ocorrem variações no volume do material. É o caso de sólidos com volume bem definido, como cubos, esferas ou qualquer objeto tridimensional.

A dilatação térmica ocorre porque, quando um corpo é aquecido, a agitação das partículas que compõem esse material aumenta, fazendo com que elas ocupem um volume maior e afastem-se umas das outras. Isso resulta no aumento do espaço entre as partículas e, consequentemente, em uma expansão do material.

Por outro lado, quando um corpo é resfriado, as partículas perdem energia cinética e passam a se mover mais lentamente, o que faz com que elas se aproximem, resultando em uma contração do material.

A quantidade de dilatação térmica depende das propriedades do material e do intervalo de temperatura ao qual ele é submetido. Cada material possui um coeficiente de dilatação térmica específico, que indica quanto o material se expande ou contrai para cada variação de temperatura. Esse coeficiente é geralmente expresso em unidades de 1/°C ou 1/K.

O calor está relacionado à dilatação dos corpos, pois a transferência de calor para um corpo ou sua remoção pode levar a mudanças de temperatura que, por sua vez, resultam em mudanças de volume ou dimensões do material através da dilatação térmica.

Como ocorre a transmissão de calor

A transmissão de calor, também conhecida como transferência de calor, é o processo pelo qual a energia térmica se move de uma região com temperatura mais elevada para uma região com temperatura mais baixa. Esse processo ocorre até que ambos os sistemas alcancem o equilíbrio térmico, ou seja, tenham a mesma temperatura. Existem três principais mecanismos de transmissão de calor:

Condução:

A condução é o processo de transferência de calor que ocorre em materiais sólidos ou entre objetos em contato direto. Quando há uma diferença de temperatura entre duas partes do material ou entre dois objetos em contato, as partículas com maior energia térmica (mais quentes) transferem parte de sua energia para as partículas com menor energia térmica (mais frias). Essa transferência ocorre através das colisões entre as partículas adjacentes, fazendo com que a energia térmica seja propagada de uma região para outra. Os materiais bons condutores de calor, como metais, permitem uma rápida transferência de calor, enquanto os materiais isolantes, como a lã, dificultam essa transferência.

Convecção:

A convecção é o processo de transmissão de calor que ocorre em fluidos (líquidos e gases) quando há movimentação das massas do fluido. Quando uma parte do fluido é aquecida, suas partículas se tornam menos densas e tendem a se elevar, enquanto o fluido mais frio e mais denso desce para ocupar o espaço deixado. Esse movimento em massa do fluido, chamado de corrente convectiva, transporta a energia térmica de uma região para outra. O processo de convecção também pode ocorrer em combinação com a condução quando o calor é transferido entre diferentes camadas do fluido.

Radiação:

A radiação é o mecanismo de transmissão de calor que ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, como a luz solar e o calor irradiado por objetos aquecidos. A radiação não requer um meio material para se propagar e pode transferir energia térmica através do vácuo ou do espaço. Quando um objeto é aquecido, ele emite radiação eletromagnética, que pode ser absorvida por outro objeto, aumentando a energia térmica desse objeto. A capacidade de um objeto de absorver ou refletir radiação depende de suas propriedades, como cor, textura e superfície.

Vale ressaltar que, frequentemente, a transferência de calor envolve mais de um desses mecanismos atuando em conjunto. Por exemplo, em muitos casos, a convecção ocorre em fluidos aquecidos por condução em suas paredes. Compreender os mecanismos de transmissão de calor é essencial para projetar sistemas de isolamento térmico, sistemas de aquecimento e resfriamento, além de entender os fenômenos climáticos e atmosféricos.

Materiais condutores de calor e isolantes

Os materiais podem ser classificados em condutores de calor e isolantes térmicos com base na sua capacidade de transferir calor. Essa classificação depende da estrutura atômica e das propriedades físicas dos materiais. Vamos explicar cada tipo:

Materiais Condutores de Calor:

Os materiais condutores de calor são aqueles que permitem uma rápida transferência de energia térmica através de suas partículas. Nesses materiais, os átomos ou moléculas estão dispostos de forma a facilitar a condução do calor. Os elétrons livres presentes nesses materiais desempenham um papel importante na transmissão da energia térmica, já que podem se mover livremente, transportando calor de uma região para outra.

Exemplos de materiais condutores de calor incluem:

- Metais, como cobre, alumínio, ferro e prata, são excelentes condutores térmicos devido à sua estrutura cristalina e à presença de elétrons livres.

- Alguns materiais cerâmicos, como grafite e diamante, possuem alta condutividade térmica devido à sua estrutura atômica especial.

 Materiais Isolantes Térmicos:

Os materiais isolantes térmicos são aqueles que têm baixa condutividade térmica e, portanto, têm uma capacidade reduzida de transferir calor. Nesses materiais, os átomos ou moléculas estão dispostos de forma a dificultar a propagação do calor, reduzindo a agitação térmica e os movimentos dos elétrons livres.

Exemplos de materiais isolantes térmicos incluem:

- Madeira, papel e cortiça têm estruturas porosas que contêm ar, que é um mau condutor de calor, tornando esses materiais bons isolantes.

- Materiais sintéticos, como poliestireno expandido (isopor) e poliuretano, também são utilizados como isolantes térmicos devido às suas estruturas celulares com bolsas de ar.

A capacidade de um material de atuar como condutor ou isolante térmico tem várias aplicações práticas. Por exemplo, na construção civil, o uso de isolantes térmicos em paredes, telhados e janelas pode reduzir a perda de calor em ambientes internos, tornando-os mais eficientes em termos energéticos. Por outro lado, em sistemas de aquecimento ou resfriamento, a escolha de materiais condutores pode ser benéfica para a transferência eficiente de calor. O conhecimento das propriedades térmicas dos materiais é essencial para selecionar o material mais adequado para cada aplicação.

O que é equilíbrio térmico

O equilíbrio térmico é um estado em que dois ou mais corpos ou sistemas possuem a mesma temperatura, resultando na ausência de transferência líquida de calor entre eles. Quando dois objetos ou sistemas estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são iguais, e não há fluxo de calor líquido de um para o outro.

O conceito de equilíbrio térmico está fundamentado na segunda lei da termodinâmica, que estabelece que o calor flui naturalmente do corpo com temperatura mais alta para o corpo com temperatura mais baixa, até que ambos atinjam a mesma temperatura e, assim, alcancem o equilíbrio térmico. Quando isso acontece, o fluxo de calor entre os corpos cessa, e eles permanecem com a mesma temperatura ao longo do tempo.

Vale ressaltar que, no equilíbrio térmico, embora não ocorra transferência líquida de calor entre os corpos, pode continuar ocorrendo transferência de calor em nível microscópico, ou seja, as partículas individuais dos corpos ainda podem trocar energia térmica. No entanto, essas transferências se compensam, resultando em nenhuma mudança líquida de temperatura macroscópica.

O equilíbrio térmico é um conceito fundamental na termodinâmica e tem aplicações em diversas áreas, como na engenharia, meteorologia, climatologia e ciência dos materiais. Entender o equilíbrio térmico é essencial para projetar sistemas de aquecimento e resfriamento eficientes, prever o comportamento climático e entender os fenômenos térmicos em geral.

PRATICANDO!!

1. Qual dos seguintes termos representa uma medida quantitativa da energia térmica presente em um corpo ou substância?

   a) Calor

   b) Sensação térmica

   c) Temperatura

   d) Dilatação térmica

2. O processo de transmissão de calor que ocorre em materiais sólidos ou entre objetos em contato direto é chamado de:

   a) Radiação

   b) Condução

   c) Convecção

   d) Refração

3. O aumento de agitação das partículas em um corpo devido ao ganho de energia térmica é responsável por:

   a) Aumentar a temperatura do corpo

   b) Reduzir a temperatura do corpo

   c) Tornar o corpo um isolante térmico

   d) Criar um vácuo térmico no corpo

4. Qual dos seguintes materiais é geralmente considerado um bom condutor de calor?

   a) Madeira

   b) Vidro

   c) Cobre

   d) Poliuretano

5. A sensação térmica de um ambiente pode ser influenciada por fatores como:

   a) Temperatura real do ambiente, umidade, velocidade do vento e quantidade de radiação solar

   b) Peso do ambiente, altitude, cor do céu e quantidade de oxigênio

   c) Massa do ambiente, pressão atmosférica, nível de ruído e nível de poluição

   d) Distância da Lua, gravidade e presença de nuvens

6. Qual é o processo de transmissão de calor que ocorre em fluidos quando há movimentação de massas do fluido?

   a) Condução

   b) Convecção

   c) Radiação

   d) Condensação

7. O equilíbrio térmico ocorre quando dois corpos ou sistemas:

   a) Possuem temperaturas diferentes

   b) Possuem diferentes coeficientes de dilatação térmica

   c) Têm a mesma temperatura

   d) Têm velocidades de condução de calor opostas

8. Um objeto preto emite e absorve radiação térmica de forma mais eficiente em comparação a um objeto branco, porque:

   a) O objeto preto tem maior massa

   b) O objeto preto possui mais elétrons livres

   c) O objeto branco possui maior condutividade térmica

   d) O objeto preto possui maior absorção e emissão de radiação

9. Qual dos seguintes materiais é geralmente considerado um bom isolante térmico?

   a) Alumínio

   b) Vidro

   c) Poliestireno expandido (isopor)

   d) Cobre

10. A dilatação linear ocorre em materiais que possuem dimensões predominantemente:

    a) Lineares

    b) Bidimensionais

    c) Tridimensionais

    d) Volumétricas

Respostas:

1. c) Temperatura

2. b) Condução

3. a) Aumentar a temperatura do corpo

4. c) Cobre

5. a) Temperatura real do ambiente, umidade, velocidade do vento e quantidade de radiação solar

6. b) Convecção

7. c) Têm a mesma temperatura

8. d) O objeto preto possui maior absorção e emissão de radiação

9. c) Poliestireno expandido (isopor)

10. a) Lineares