Calor: fórmulas e unidades, características, como medi-lo, exemplos - Ciência - 2023

Calor: fórmulas e unidades, características, como é medido, exemplos - Ciência

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o quente na física é definido como o energia térmica transferida sempre que objetos ou substâncias que estão em temperaturas diferentes entram em contato. Esta transferência de energia e todos os processos relacionados a ela, é o objeto de estudo da termodinâmica, um importante ramo da física.

O calor é uma das muitas formas que a energia assume e uma das mais conhecidas. Então de onde isso vem? A resposta está nos átomos e moléculas que constituem a matéria. Essas partículas dentro das coisas não são estáticas. Podemos imaginá-los como pequenas contas ligadas por molas macias, capazes de encolher e esticar com facilidade.

Desta forma, as partículas podem vibrar e sua energia pode ser facilmente transferida para outras partículas e também de um corpo para outro.

A quantidade de calor que um corpo absorve ou libera depende da natureza da substância, de sua massa e da diferença de temperatura. É calculado assim:

Q = m.C_e .ΔT

Onde Q é a quantidade de calor transferida, m é a massa do objeto, C_eé o calor específico da substância e ΔT = T_final - T_inicial, ou seja, a diferença de temperatura.

Como todas as formas de energia, o calor é medido em joules, no Sistema Internacional (SI). Outras unidades adequadas são: ergs no sistema cgs, Btu no sistema britânico, e o caloria, termo de uso comum para saber o conteúdo energético dos alimentos.

Características de calor

Existem vários conceitos-chave a ter em mente:

-O calor é sobre energia em trânsito. Objetos não têm calor, eles apenas o fornecem ou absorvem dependendo das circunstâncias. O que os objetos têm é energia interna, em virtude de sua configuração interna.

Essa energia interna, por sua vez, é composta por energia cinética associada ao movimento vibratório e energia potencial, típica da configuração molecular. De acordo com esta configuração, uma substância irá transferir calor com mais ou menos facilidade e isso se reflete em seu calor específico C_e, o valor que foi mencionado na equação para calcular Q.

-O segundo conceito importante é que o calor é sempre transferido do corpo mais quente para o mais frio. A experiência indica que o calor do café quente sempre passa para a porcelana da xícara e do prato, ou para o metal da colher com que é mexido, nunca o contrário.

-A quantidade de calor transferida ou absorvida depende da massa do corpo em questão. Adicionar a mesma quantidade de calorias ou joules a uma amostra com massa X não aquece da mesma forma outra cuja massa é 2X.

A razão? Há mais partículas na amostra maior e cada uma receberia, em média, apenas metade da energia da amostra menor.

Equilíbrio térmico e conservação de energia

A experiência nos diz que quando colocamos dois objetos em contato com temperaturas diferentes, depois de um tempo a temperatura de ambos será a mesma. Então pode-se dizer que os objetos ou sistemas, como também podem ser chamados, estão em Equilíbrio térmico.

Por outro lado, refletindo sobre como aumentar a energia interna de um sistema isolado, conclui-se que existem dois mecanismos possíveis:

i) Aquecer, ou seja, transferir energia de outro sistema.

ii) Realize algum tipo de trabalho mecânico nele.

Levando em consideração que a energia é conservada:

Qualquer aumento na energia interna do sistema é igual à quantidade de calor adicionada mais o trabalho realizado nele.

No âmbito da termodinâmica, este princípio de conservação é conhecido como o Primeira Lei da Termodinâmica. Dizemos que o sistema deve ser isolado, senão seria necessário considerar outras entradas ou saídas de energia na balança.

Como o calor é medido?

O calor é medido de acordo com o efeito que produz. Portanto, é o sentido do tato que informa rapidamente o quão quente ou fria uma bebida, um alimento ou qualquer objeto está. Visto que a transferência ou absorção de calor resulta em mudanças na temperatura, a medição dá uma ideia de quanto calor foi transferido.

O instrumento utilizado para medir a temperatura é o termômetro, dispositivo equipado com uma escala graduada para realizar a leitura. O mais conhecido é o termômetro de mercúrio, que consiste em um fino capilar de mercúrio que se expande quando aquecido.

A seguir, o capilar cheio de mercúrio é inserido em um tubo de vidro com escala e colocado em contato com o corpo, cuja temperatura deve ser medida até atingir o equilíbrio térmico e a temperatura de ambos seja a mesma.

O que é necessário para fazer um termômetro?

Para começar, você precisa ter alguma propriedade termométrica, ou seja, uma que varia com a temperatura.

Por exemplo, um gás ou um líquido como o mercúrio, se expande quando aquecido, embora também sirva uma resistência elétrica, que emite calor quando passa por uma corrente. Em suma, qualquer propriedade termométrica que seja facilmente mensurável pode ser usada.

Se a temperatura t é diretamente proporcional à propriedade termométrica X, então você pode escrever:

t = kX

Onde k é a constante de proporcionalidade a ser determinada quando duas temperaturas apropriadas são definidas e os valores correspondentes de X. As temperaturas adequadas são fáceis de obter no laboratório.

Uma vez que os pares foram estabelecidos (t₁, X₁) Y (t₂, X₂), divida o intervalo entre eles em partes iguais, estes serão os graus.

Escalas de temperatura

A seleção das temperaturas necessárias para construir uma escala de temperatura é feita com o critério de que sejam de fácil obtenção em laboratório. Uma das escalas mais utilizadas em todo o mundo é a escala Celsius, criada pelo cientista sueco Anders Celsius (1701-1744).

O 0 na escala Celsius é a temperatura na qual o gelo e a água líquida estão em equilíbrio a 1 atmosfera de pressão, enquanto o limite superior é escolhido quando a água líquida e o vapor d'água estão igualmente em equilíbrio e a 1 atmosfera de pressão. Este intervalo é dividido em 100 graus, cada um dos quais é chamado grau centígrado.

Essa não é a única forma de construir uma escala, longe disso. Existem outras escalas diferentes, como a escala Fahrenheit, em que os intervalos foram escolhidos com outros valores. E tem a escala Kelvin, que só tem um limite inferior: zero absoluto.

O zero absoluto corresponde à temperatura na qual todo o movimento das partículas em uma substância cessa completamente; no entanto, embora tenha chegado muito perto, ainda não foi capaz de resfriar qualquer substância até o zero absoluto.

Exemplos

Todos experimentam calor diariamente, direta ou indiretamente. Por exemplo, quando você toma uma bebida quente, ao sol do meio-dia, examinando a temperatura do motor de um carro, em uma sala lotada e em inúmeras outras situações.

Na Terra, o calor é necessário para manter os processos vitais, tanto o que vem do Sol quanto o que vem do interior do planeta.

Da mesma forma, o clima é impulsionado por mudanças na energia térmica que ocorrem na atmosfera. O calor do sol não chega a todos os lugares igualmente, nas latitudes equatoriais atinge mais do que nos pólos, então o ar mais quente nos trópicos sobe e se move para o norte e para o sul, para atingir o equilíbrio térmico. isso foi falado antes.

Desta forma, correntes de ar são estabelecidas em velocidades diferentes, que transportam nuvens e chuva. Por outro lado, a repentina colisão entre as frentes de ar quente e frio causa fenômenos como tempestades, tornados e furacões.

Em vez disso, em um nível mais próximo, o calor pode não ser tão bem-vindo quanto o pôr do sol na praia. O calor causa problemas operacionais nos motores dos automóveis e nos processadores dos computadores.

Também faz com que a energia elétrica seja perdida em cabos de condução e os materiais se expandam, razão pela qual o tratamento térmico é tão importante em todas as áreas da engenharia.

Exercícios

- Exercício 1

O rótulo de um doce indica que ele fornece 275 calorias. A quanta energia em joules este doce é equivalente?

Solução

No início, a caloria era mencionada como uma unidade de calor. Os alimentos contêm energia que geralmente é medida nessas unidades, mas as calorias da dieta são, na verdade, quilocalorias.

A equivalência é a seguinte: 1 kcal = 4186 J, e conclui-se que o doce possui:

275 quilocalorias x 4186 joule / quilocaloria = 1,15 10⁶ J.

- Exercício 2

100 g de um metal são aquecidos a 100 ° C e colocados em um calorímetro com 300 g de água a 20 ° C. A temperatura que o sistema adquire ao atingir o equilíbrio é de 21,44 ° C. Você é solicitado a determinar o calor específico do metal, presumindo que o calorímetro não absorva calor.

Solução

Nesta situação o metal cede o calor, que chamaremos de Q_rendeu e um sinal (-) é adicionado para indicar perda:

Q_rendeu = m_metal .EC_metal. ΔT

Por sua vez, a água do calorímetro absorve calor, que será denominado Q absorvido:

Q_absorvido = m_Água .EC _Água . ΔT

A energia é conservada, daí segue-se que:

Q_rendeu = Q_absorvido

A partir da declaração você pode calcular ΔT:

Metal: ΔT = T_final - T_inicial= (21,44 - 100) ºC = -78,56 ºC = -78,56 K.

Água: ΔT = T_final - T_inicial= (21,44 - 20) ºC = 1,44 ºC = 1,44 K.

Importante: 1 ºC é o mesmo tamanho que 1 Kelvin. A diferença entre as duas escalas é que a escala Kelvin é absoluta (os graus Kelvin são sempre positivos).

O calor específico da água a 20ºC é 4186 J / kg. K e com isso o calor absorvido pode ser calculado:

Q_absorvido = m_Água .EC _Água . ΔT = 300 x 10^-3 kg. 4186 J / kg. K. 1,44 K = 1808,35 J.

Para concluir, o calor específico do metal é eliminado:

CE _metal = Q _absorvido / -m _metal . ΔT _metal = 1808,35 J / - [(100 x 10^-3 kg. (-78,56 K)] = 230,2 J / kg.K

Referências

Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Volume 1. McGraw Hill.
Cuellar, J.A. Física II: Abordagem por Competências. McGraw Hill.
Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6^ta Edição reduzida. Cengage Learning.
Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7ª Edição. Colina Mcgraw