TEMPERATURA E CALOR

Equilíbrio térmico

Quando dois corpos que apresentam temperaturas diferentes são colocados em contato térmico, observa-se que, após certo tempo, suas propriedades térmicas se estabilizam. Nesse estado final, não se verificam mais mudanças macroscópicas relacionadas à temperatura. Diz-se então que os corpos atingiram o equilíbrio térmico.

O equilíbrio térmico é, portanto, o estado em que dois ou mais corpos em contato apresentam a mesma temperatura e cessam as trocas líquidas de calor entre eles. Esse conceito é fundamental, pois permite comparar estados térmicos e estabelecer uma definição operacional de temperatura.

Experimentalmente, verifica-se que, se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B, e B está em equilíbrio térmico com um corpo C, então A e C também estão em equilíbrio térmico entre si. Essa propriedade, conhecida como lei zero da Termodinâmica, justifica a existência de uma grandeza comum — a temperatura — capaz de caracterizar o estado térmico dos sistemas.

Assim, dois corpos estão em equilíbrio térmico quando possuem a mesma temperatura. Esse princípio fundamenta o uso dos termômetros: ao serem colocados em contato com um corpo, atingem equilíbrio térmico com ele, passando a indicar sua temperatura.

Medição de temperatura

Para medir a temperatura de um corpo, utiliza-se um instrumento chamado termômetro. O funcionamento de um termômetro baseia-se em alguma propriedade física que varia de maneira previsível com a temperatura. Essa propriedade é denominada grandeza termométrica.

Diversas grandezas podem ser utilizadas como base para a medição de temperatura, como o volume de um líquido, a pressão de um gás, a resistência elétrica de um condutor ou a dilatação de um sólido. Em todos os casos, o princípio é o mesmo: coloca-se o termômetro em contato térmico com o corpo, aguarda-se o equilíbrio térmico e, em seguida, lê-se o valor indicado pela grandeza termométrica.

Nos termômetros de líquido em vidro, por exemplo, a grandeza termométrica é o comprimento da coluna de líquido, que varia devido à dilatação térmica do líquido contido no reservatório. À medida que a temperatura aumenta, o volume do líquido cresce e a coluna se eleva ao longo do tubo capilar.

A medição de temperatura exige, entretanto, a definição de uma escala, isto é, um conjunto de valores numéricos associados a estados térmicos de referência. Esses estados são determinados por fenômenos reprodutíveis, como mudanças de estado físico de substâncias puras em condições controladas.

Escalas termométricas

Uma escala termométrica é estabelecida escolhendo-se dois estados térmicos de referência, chamados pontos fixos, e atribuindo-lhes valores numéricos arbitrários. Em seguida, divide-se o intervalo entre esses pontos em partes iguais, permitindo associar valores de temperatura a diferentes estados térmicos.

Historicamente, a escala Celsius foi definida atribuindo-se o valor 0 à temperatura de fusão do gelo e o valor 100 à temperatura de ebulição da água, ambos sob pressão atmosférica normal. O intervalo entre esses pontos foi dividido em cem partes iguais, originando o grau Celsius.

Outras escalas foram definidas de modo semelhante. Na escala Fahrenheit, os pontos fixos correspondem a 32 e 212 graus, respectivamente, para fusão do gelo e ebulição da água. Já a escala Kelvin foi construída de modo a iniciar no zero absoluto, temperatura mínima teoricamente possível, na qual a agitação térmica das partículas é mínima.

Como todas as escalas termométricas são lineares, existe proporcionalidade entre suas variações de temperatura. Assim, para duas escalas termométricas quaisquer, a razão entre a diferença de temperatura e o intervalo entre os pontos fixos é a mesma. Para as escalas Celsius e Fahrenheit, por exemplo, essa relação pode ser expressa por:

(TC − 0) / (100 − 0) = (TF − 32) / (212 − 32)

o que conduz à relação de conversão entre temperaturas nessas escalas.

De modo análogo, a escala Kelvin relaciona-se com a escala Celsius por uma simples translação, pois ambas possuem intervalos iguais. Assim, a temperatura absoluta é dada por:

TK = TC + 273

A existência de escalas termométricas permite quantificar o estado térmico dos corpos e comparar temperaturas de forma objetiva, constituindo a base para todo o estudo quantitativo dos fenômenos térmicos.

Energia térmica

Toda matéria é constituída por partículas — átomos ou moléculas — que se encontram em permanente movimento. Mesmo em corpos aparentemente em repouso, essas partículas vibram, giram e se deslocam de maneira desordenada. Esse movimento microscópico está associado a uma forma de energia denominada energia térmica.

A energia térmica de um corpo está, portanto, relacionada à energia cinética média de suas partículas. Quanto maior a agitação térmica das partículas, maior é a energia térmica do corpo e, consequentemente, maior tende a ser sua temperatura.

É importante destacar que a energia térmica depende não apenas da temperatura, mas também da quantidade de matéria. Dois corpos à mesma temperatura podem possuir energias térmicas diferentes se suas massas forem diferentes, pois o corpo de maior massa contém maior número de partículas em agitação.

Assim, a temperatura indica o estado de agitação térmica das partículas, enquanto a energia térmica representa a energia total associada a essa agitação em todo o corpo.

Calor

Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato térmico, observa-se que o corpo de maior temperatura esfria e o de menor temperatura aquece, até que ambos atinjam o equilíbrio térmico. Esse processo envolve transferência de energia térmica entre os corpos.

Essa energia em trânsito, transferida exclusivamente devido à diferença de temperatura, recebe o nome de calor. Portanto, calor não é algo contido em um corpo; é energia térmica em trânsito entre sistemas.

O sentido espontâneo da transferência de calor é sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura, até que as temperaturas se igualem. Após o equilíbrio térmico, cessa a transferência líquida de calor.

O conceito de calor é, assim, fundamentalmente diferente do conceito de temperatura: temperatura caracteriza o estado térmico, enquanto calor descreve a transferência de energia entre estados térmicos diferentes.

Unidade usual de calor

No Sistema Internacional de Unidades, o calor, por ser uma forma de energia, é medido em joules. Entretanto, historicamente, consolidou-se também uma unidade específica para calor: a caloria.

Define-se uma caloria como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius, em condições determinadas. A relação entre as unidades é dada por:

1 cal = 4,18 J

Na prática, utilizam-se frequentemente múltiplos da caloria, como a quilocaloria, equivalente a mil calorias, especialmente em contextos biológicos e nutricionais.

Calor sensível

Quando um corpo recebe ou cede calor e ocorre variação de temperatura sem mudança de estado físico, diz-se que houve troca de calor sensível. Nesse processo, o calor transferido provoca alteração na energia térmica e na temperatura do corpo, mantendo-se a mesma fase da matéria.

Experimentalmente, verifica-se que a quantidade de calor sensível trocada é proporcional à massa do corpo, à variação de temperatura e a uma constante característica da substância, denominada calor específico. Assim, o calor sensível é expresso por:

Q = m c ΔT

em que Q é a quantidade de calor, m é a massa do corpo, c é o calor específico da substância e ΔT é a variação de temperatura.

O calor específico representa a quantidade de calor necessária para variar de uma unidade de temperatura a unidade de massa da substância. Substâncias com alto calor específico exigem maior quantidade de calor para sofrer a mesma variação de temperatura.

Calor latente

Em certas situações, um corpo pode receber ou ceder calor sem apresentar variação de temperatura. Isso ocorre durante as mudanças de estado físico, como fusão, solidificação, vaporização ou condensação. Nesse caso, o calor trocado é denominado calor latente.

Durante a mudança de estado, a energia térmica transferida não se manifesta como aumento de agitação térmica média — e, portanto, não altera a temperatura — mas sim como modificação das forças intermoleculares e da estrutura da matéria.

Verifica-se experimentalmente que a quantidade de calor latente trocada é proporcional à massa da substância e a uma constante característica da transformação, chamada calor latente específico. Assim, o calor latente é expresso por:

Q = m L

em que Q é a quantidade de calor, m é a massa e L é o calor latente específico da mudança de estado considerada.

Cada substância possui valores próprios de calor latente de fusão e de vaporização, refletindo a energia necessária para romper ou reorganizar as interações intermoleculares durante a transição de fase.

TERMOLOGIA E CALORIMETRIA QUESTÕES