Introdução à física/Termodinâmica/Calor e temperatura

O calor e a temperatura são suas grandezas distintas e correlacionadas.

Calor

Os estados fundamentais da matéria: sólido, líquido, gasoso e plasma.

O calor (Q) é uma energia que é fundamentada no grau de vibração das moléculas - a energia térmica (ou calorífera). O calor também interfere na velocidade das moléculas, e faz com que se altere seu estado físico, que são os seguintes:

• Condensado de Bose-Einstein - Nesta fase as moléculas estão muito bem organizadas e próximas. Possuem pouquíssima vibração. Elas ocupam um lugar bem específico do espaço sem alterar a forma. Neste estado, há densidade máxima. Pode ser encontrado nas estrelas de é nêutrons, e não é considerado um estado fundamental da matéria;
• Sólido - Em materiais sólidos, as moléculas são organizadas e possuem pouca vibração. Elas ocupam um volume definido, sem alterar a forma;
• Líquido - Nos líquidos, as moléculas movem-se em função do calor no sentido vertical, fazendo haver movimentos consideráveis. Os líquidos tem a propriedade de preencher volumes, e, portanto, alteram sua forma;
• Gasoso - No estado gasoso, as moléculas estão bastante desordenadas e movem-se em todas direções. Mantêm, também, distância suficiente para serem liberadas, fazendo com que tenham baixa densidade. Além disso, os gases são capazes de preencher volumes;
• Plasma - O plasma é o estado mais caótico da matéria. As moléculas movem-se a velocidades altas e totalmente desordenadas.

Unidades de calor

Sendo uma energia, a unidade pelo sistema internacional de medidas (SI) é o joule (j). No entanto, é muito comum a utilização de outras unidades, como a caloria (cal). Abaixo, você pode conferir a definição termodinâmica dessas unidades:

• Caloria - Pode ser definida pela quantidade de calor necessária para aumentar em um grau, um grama de água.
• Joule - Já sabemos que ao realizarmos o trabalho de 1 joule, movemos um objeto de um quilograma por um metro. Na termodinâmica, o valor correspondente é dado pela lei de joule, em base dos fundamentos do eletromagnetismo. 1 joule seria o trabalho necessário para mover um coulumb entre dois pontos que têm a diferença de potencial de um volt.

Analogicamente:

$1cal=4,18j$

Propriedades

O calor, sendo uma energia, tem as mesmas propriedades que estas:

• Lei da conservação do calor - o calor não pode ser criado ou extinguido, mas deve ser produto de outras energias;

$\sum Q=Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}+...+Q_{n}=0$

• Lei da transformação do calor - o calor pode ser transformado e transferido, mas nunca há o rendimento de 100%.

${\frac {100Q}{\Delta E}}\neq 100$

No caso das transferências, o calor é transferido do meio mais energético para o menos energético. Podemos definir, em uma transferência energética em que:

$Q<0$ - o sistema perde calor;

$Q=0$ - a quantidade de calor do sistema é constante;

$Q>0$ - o sistema recebe calor.

Classificação

O calor pode ser dividido em dois tipos, que os diferencia da funcionalidade da energia térmica em determinado momento:

• Calor sensível - O calor sensível é o responsável pelo aumento da temperatura, que é determinado pelo calor específico;
• Calor latente - O calor latente é o responsável pela mudança de estado físico.

Temperatura

A temperatura (T) é definida pela quantidade de calor para determinado material, produzindo sensações como quente e frio. Tenha em mente que, para elevarmos a temperatura de uma determinada quantidade de água, é necessário menos calor que elevar à mesma temperatura uma chapa de ferro. Assim, calor e temperatura são grandezas diferentes!

Unidades de temperatura

As unidades de temperatura usualmente utilizadas são o grau Celsius (°C) , grau Fahrenheit (°F) e o grau kelvin (°K). Tais unidades constituem uma escala termométrica.

• Celsius : O valor indicado pelo termômetro em 0° equivale à temperatura de congelamento da água à pressão de 1 atm. Em 100ºC, equivale à temperatura da água em ebulição à pressão de 1 atm.
• Kelvin: Conhecida também como escala absoluta, determina que o valor 0 corresponde à temperatura mínima que um corpo pode atingir, equivalente a -273ºC. A variação de 1K equivale à de 1ºC. Assim conclui-se que:

$T_{k}=T_{c}+273$

Equilíbrio térmico

A temperatura é o grau de agitação das moléculas ou átomos de um corpo.

Lei Zero da Termodinâmica: Se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e este por sua vez está em equilíbrio térmico com um corpo C, logo se deduz que A está em equilíbrio térmico com C.

Como o calor é transferido dos meios quentes aos meios frios, ao misturarmos componentes de diferentes temperaturas, a tendência é que o sistema adquira uma temperatura única. O equilíbrio térmico ocorre quando um sistema térmico encontra-se unicamente em uma determinada temperatura.

Temperatura absoluta

A temperatura absoluta (T) é o conceito de temperatura ligado à quantidade zero de calor e aos graus Celsius. A unidade padrão da temperatura absoluta é o kelvin (°K). Pode-se dizer que:

$0^{\circ }K=0j=-273^{\circ }C$

Tal conceito é denominado zero absoluto, que constitui a temperatura de qualquer material quando não possui calor. Tal efeito nunca será registrado (ver propriedade da transferência), mas já se simulou temperaturas próximas.