Todo mundo está familiarizado com o conceito de estar muito quente ou muito frio ou sentir calor do sol em um dia quente, mas o que significa especificamente a palavra "calor"? É uma propriedade de algo "quente"? É a mesma coisa que temperatura? Acontece que o calor é uma quantidade mensurável que os físicos definiram com precisão.
O que é o calor?

O calor é o que os cientistas chamam de forma de energia que é transferida entre dois materiais de temperatura diferente. Essa transferência de energia ocorre devido a diferenças na energia cinética translacional média por molécula nos dois materiais. O calor flui do material com temperatura mais alta para o material com temperatura mais baixa até que o equilíbrio térmico seja alcançado. A unidade SI de calor é o joule, onde 1 joule \u003d 1 newton × metro.

Para entender melhor o que está acontecendo quando essa transferência de energia ocorre, imagine o seguinte cenário: Dois recipientes diferentes são preenchidos com pequenas bolas de borracha saltando por toda parte. Em um dos contêineres, a velocidade média das bolas (e, portanto, sua energia cinética média) é muito maior que a velocidade média das bolas no segundo recipiente (embora a velocidade de qualquer bola individual possa ser qualquer coisa a qualquer momento) como tantas colisões causam uma transferência contínua de energia entre as bolas.)

Se você colocar esses contêineres de forma que seus lados se toquem, e depois remover as paredes que separam seu conteúdo, o que você espera que aconteça?

As bolas do primeiro contêiner começarão a interagir com as bolas do segundo contêiner. À medida que ocorrem cada vez mais colisões entre as esferas, gradualmente as velocidades médias das esferas de ambos os contêineres se tornam as mesmas. Parte da energia das bolas do primeiro recipiente é transferida para as bolas do segundo recipiente até que este novo equilíbrio seja alcançado.

Isso é essencialmente o que está acontecendo em um nível microscópico quando dois objetos de temperatura diferente chegam em contato um com o outro. A energia do objeto em temperatura mais alta é transferida na forma de calor para o objeto de temperatura mais baixa.
O que é temperatura?

Temperatura é uma medida da energia cinética translacional média por molécula em uma substância. Na analogia bolas no recipiente, é uma medida da energia cinética média por bola em um determinado recipiente. No nível molecular, átomos e moléculas vibram e oscilam. Você não pode ver esse movimento porque acontece em uma escala tão pequena.

As escalas de temperatura comuns são Fahrenheit, Celsius e Kelvin, com Kelvin sendo o padrão científico. A escala de Fahrenheit é mais comum nos Estados Unidos. Nesta escala, a água congela a 32 graus e ferve a 212 graus. Na escala Celsius, comum na maioria dos outros lugares do mundo, a água congela em 0 graus e ferve em 100 graus.

O padrão científico, no entanto, é a escala Kelvin. Enquanto o tamanho de um incremento na escala Kelvin é igual ao tamanho de um grau na escala Celsius, seu valor 0 é definido em um local diferente. 0 Kelvin é igual a -273,15 graus Celsius.

Por que uma escolha tão estranha para 0? Acontece que essa é uma escolha muito menos estranha do que o valor zero da escala Celsius. 0 Kelvin é a temperatura na qual todo movimento molecular para. É a temperatura mais baixa absoluta possível em teoria.

Nesta luz, a escala Kelvin faz muito mais sentido do que a escala Celsius. Pense em como a distância é medida, por exemplo. Seria estranho criar uma escala de distância em que o valor 0 fosse equivalente à marca de 1 m. Em tal escala, o que significaria que algo tivesse o dobro do comprimento de outra coisa?
Temperatura versus energia interna

A energia interna total de uma substância é o total das energias cinéticas de todas de suas moléculas. Depende da temperatura da substância (a energia cinética média por molécula) e da quantidade total da substância (o número de moléculas).

É possível que dois objetos tenham a mesma energia interna total enquanto possuem temperaturas completamente diferentes. Por exemplo, um objeto mais frio terá uma energia cinética média mais baixa por molécula, mas se o número de moléculas for grande, ele ainda poderá acabar com a mesma energia interna total de um objeto mais quente com menos moléculas.

Um resultado surpreendente dessa relação entre energia interna total e temperatura é o fato de que um grande bloco de gelo pode acabar com mais energia do que uma cabeça de fósforo acesa, mesmo que a cabeça de fósforo esteja tão quente que está pegando fogo!
Como Transferências de calor

Existem três métodos principais pelos quais a energia térmica é transferida de um objeto para outro. São condução, convecção e radiação.

A condução ocorre quando a energia é transferida diretamente entre dois materiais em contato térmico entre si. Esse é o tipo de transferência que ocorre na analogia da bola de borracha descrita anteriormente neste artigo. Quando dois objetos estão em contato direto, a energia é transferida através de colisões entre suas moléculas. Essa energia lentamente se move do ponto de contato até o restante do objeto inicialmente mais frio até que o equilíbrio térmico seja alcançado.

Nem todos os objetos ou substâncias conduzem a energia dessa maneira igualmente bem. Alguns materiais, chamados de bons condutores térmicos, podem transferir energia térmica mais rapidamente do que outros, chamados de bons isolantes térmicos.

Você provavelmente já teve experiência com esses condutores e isoladores em sua vida diária. Em uma manhã fria de inverno, como pisar descalço no chão de ladrilhos se compara a pisar descalço no tapete? Provavelmente parece que o tapete está de alguma forma mais quente, no entanto, esse não é o caso. Ambos os pisos provavelmente têm a mesma temperatura, mas o ladrilho é um condutor térmico muito melhor. Por esse motivo, faz com que a energia térmica deixe seu corpo muito mais rapidamente.

Convecção
é uma forma de transferência de calor que ocorre em gases ou fluidos. Os gases e, em menor grau, os fluidos, sofrem alterações em sua densidade com a temperatura. Geralmente, quanto mais quentes eles são, menos densos eles são. Por isso, e como as moléculas dos gases e fluidos são livres para se mover, se a porção inferior ficar quente, ela se expandirá e, portanto, subirá para o topo devido à sua densidade mais baixa.

Se você colocar uma panela de água no fogão, por exemplo, a água no fundo da panela aquece, expande e sobe para o topo à medida que a água mais fria afunda. A água mais fria então aquece, expande e sobe e assim por diante, criando correntes de convecção que fazem com que a energia térmica se disperse pelo sistema através da mistura das moléculas dentro do sistema (ao contrário das moléculas que permanecem praticamente no mesmo lugar que elas). balançar para frente e para trás, batendo um contra o outro.)

Convecção é o motivo pelo qual os aquecedores funcionam melhor para aquecer uma casa se forem colocados perto do chão. Um aquecedor colocado perto do teto aqueceria o ar perto do teto, mas esse ar permaneceria parado.

A terceira forma de transferência de calor é a radiação. Radiação é a transferência de energia através de ondas eletromagnéticas. Objetos quentes podem emitir energia sob a forma de radiação eletromagnética. É assim que a energia térmica do sol atinge a Terra, por exemplo. Quando essa radiação entra em contato com outro objeto, os átomos desse objeto podem ganhar energia absorvendo-o.
Capacidade térmica específica

Dois materiais diferentes da mesma massa sofrerão diferentes mudanças de temperatura, apesar de terem a mesma energia total adicionada devido a diferenças em uma quantidade chamada capacidade térmica específica
. A capacidade térmica específica depende do material em questão. Você normalmente procura o valor da capacidade térmica específica de um material em uma tabela.

Mais formalmente, a capacidade térmica específica é definida como a quantidade de energia térmica que deve ser adicionada por unidade de massa para aumentar a temperatura por um grau Celsius. As unidades SI para capacidade específica de calor, geralmente indicadas por c
, são J /kgK.

Pense assim: Suponha que você tenha duas substâncias diferentes que pesam exatamente a mesma e estão em A primeira substância tem uma alta capacidade específica de calor e a segunda substância tem uma baixa capacidade específica de calor. Agora, suponha que você adicione exatamente a mesma quantidade de energia térmica a ambos. A primeira substância - aquela com maior capacidade de aquecimento - não aumenta tanto em temperatura quanto a segunda.
Fatores que afetam a mudança de temperatura

Existem muitos fatores que afetam como a temperatura de uma A substância muda quando uma determinada quantidade de energia térmica é transferida para ela. Esses fatores incluem a massa do material (uma massa menor sofrerá uma mudança de temperatura maior para uma determinada quantidade de calor adicionada) e a capacidade específica de calor c
.

Se houver calor fonte de alimentação P
, o calor total adicionado depende de P
e do tempo t
. Ou seja, a energia térmica Q
será igual a P
× t
.

A taxa de mudança de temperatura é outro fator interessante a ser considerado. Os objetos alteram suas temperaturas a uma taxa constante? Acontece que a taxa de mudança depende da diferença de temperatura entre o objeto e o ambiente. A lei do resfriamento de Newton descreve essa mudança. Quanto mais próximo um objeto está da temperatura ambiente, mais lento ele se aproxima do equilíbrio.
Alterações de temperatura e mudanças de fase

A fórmula que relaciona a mudança de temperatura à massa de um objeto, capacidade térmica específica e energia térmica adicionada ou removido é o seguinte:
Q \u003d mc \\ Delta T

Esta fórmula só se aplica, no entanto, se a substância não estiver passando por uma mudança de fase. Quando uma substância está mudando de sólido para líquido ou de líquido para gás, o calor adicionado a ela é usado para causar essa mudança de fase e não resultará em uma mudança de temperatura até que a mudança de fase esteja completa.

Uma quantidade denominada calor latente de fusão, denotada por L, descreve a quantidade de energia térmica necessária por unidade de massa para mudar uma substância de um sólido para um líquido. Assim como na capacidade térmica específica, seu valor depende das propriedades físicas do material em questão e é frequentemente pesquisado em tabelas. A equação que relaciona a energia térmica Q
à massa de um material m
e o calor latente de fusão é:
Q \u003d mL_f

O mesmo ocorre ao mudar de líquido para gás. Em tal situação, uma quantidade denominada calor latente de vaporização, denotado L _{v
, descreve quanta energia por unidade de massa deve ser adicionada para causar a mudança de fase. A equação resultante é idêntica, exceto o subscrito:
Q \u003d mL_v Calor, Trabalho e Energia Interna}

Energia interna E
é a energia cinética interna total, ou energia térmica, em um material. Assumindo um gás ideal onde qualquer energia potencial entre moléculas é desprezível, é dada pela fórmula:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT

onde n
é o número de mols , T
é temperatura em Kelvin e a constante universal de gás R
\u003d 8,3145 J /molK. A energia interna se torna 0 J no absoluto 0 K.

Na termodinâmica, a relação entre as mudanças na energia interna, o calor transferido e o trabalho realizado em ou por um sistema está relacionada via:
\\ Delta E \u003d QW

Essa relação é conhecida como a primeira lei da termodinâmica. Em essência, é uma declaração de conservação de energia.