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Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

Calor

Calor

Na física, particularmente na termodinâmica, o calor é definido como:

A contribuição da energia transformada como resultado de uma reação química ou nuclear e transferida entre dois sistemas ou entre duas partes do mesmo sistema.

Essa energia não é atribuível a um emprego ou a uma conversão entre dois tipos diferentes de energia.

O calor é, portanto, uma forma de energia transferida e não uma forma de energia contida, como energia interna.

Calor e trabalho são formas de energia que não podem ser associadas ao estado do sistema, ou seja, à sua configuração de equilíbrio. Em particular, ambas as formas de energia são reconhecidas no momento em que transitam, fluem.

O trabalho identifica o momento em que a força faz uma mudança. Em outras palavras, os fluxos de trabalho são feitos no minuto em que ocorrem; assim como o calor é identificado apenas no momento da transmissão.

Unidades para expressar calor

O calor é medido no Sistema Internacional em joules.

Na prática, no entanto, muitas vezes ainda é usado como unidade de medida de calorias.

Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água destilada em um grau Celsius. Esta definição é válida nas condições de pressão de 1 atm.

Às vezes, unidades puramente técnicas também são usadas: como kWh ou BTU.

O que é calor específico?

O calor específico (ou calor de massa específica) de uma substância é definido como: a quantidade de calor necessária para aumentar ou diminuir a temperatura de uma unidade de massa em um kelvin.

Lembre-se de que a diferença entre um grau Celsius e um Kelvin é a mesma.

Uma quantidade semelhante é o calor molar específico, também chamado de calor molar, definido como: a quantidade de calor necessária para aumentar ou diminuir a temperatura de uma mole de substância em um grau.

No sistema internacional, a unidade de medida do calor específico é J / (K · kg), mesmo que o kcal / (kg × ° C) seja muito utilizado, enquanto a do calor molar é J / (K · mol).

Quais são os efeitos do calor?

Os efeitos da transferência de calor são descritos pela primeira lei da termodinâmica em sua forma mais geral:

ΔE = Q - W

onde
ΔE -> indica uma mudança em qualquer forma de energia (como energia interna, energia cinética ou energia potencial).
Q -> representa calor.
W -> indica o trabalho (por alteração de volume ou isocórico).

As consequências da transferência de calor podem ser principalmente de dois tipos:

  1. variação de energia
  2. troca de emprego.

Uma forma particular de energia que pode ser modificada após a passagem de calor é a energia interna. A variação da energia interna pode ter consequências diferentes, incluindo uma mudança na temperatura ou uma mudança no estado de agregação.

O que são calor latente e calor sensível?

Se a transferência de calor resultar em uma alteração no estado de agregação, esse calor receberá o nome de calor latente. Se a transferência de calor resultar em uma diminuição na diferença de temperatura (porque dois sistemas ou duas partes do mesmo sistema tendem a atingir o equilíbrio térmico), estamos falando de calor sensível.

A fórmula clássica para o calor sensível é:

Q = c · m · ΔT

enquanto o calor latente é:

Q = λ · m

Finalmente, no caso de a transferência de calor envolver uma diminuição na diferença de temperatura e uma mudança de fase, esse calor pode ser considerado como a soma de duas contribuições:

  1. uma contribuição relacionada ao calor sensível
  2. uma contribuição relacionada ao calor latente.

Exemplo

Por exemplo, o aumento da temperatura da água de 20 ° C a 50 ° C sob condições padrão (isto é, a uma pressão de 1 atm) é determinado pelo fato de que o calor sensível é fornecido. Se a água já atingiu a temperatura de ebulição, ela armazena energia (na forma de calor latente), mantendo a temperatura inalterada, até que ocorra a mudança de fase de líquido para vapor.

Por esse motivo, um jato de vapor d'água a 100 ° C, que possui energia armazenada durante a passagem do estado, pode causar queimaduras mais graves do que a água no estado líquido na mesma temperatura.

O calor da reação também é referido quando o calor é consumido ou gerado por uma reação química.

Que relação o calor, a temperatura e a energia interna têm?

O calor não é uma propriedade associada a uma configuração de equilíbrio termodinâmico. Na presença de um gradiente de temperatura, o calor flui de pontos a temperaturas mais altas para aqueles a temperaturas mais baixas, até que o equilíbrio térmico seja alcançado.

A quantidade de calor trocada depende do caminho específico seguido pela transformação para passar do estado inicial para o estado final.

Em outras palavras, o calor não é uma função de estado.

Energia interna

A energia interna, em vez disso, é uma função do estado associável a uma configuração de equilíbrio (ou estado termodinâmico) do sistema, dependendo das variáveis ​​de estado.

Para temperatura e energia internas, elas têm expressões lógicas (ou seja, cientificamente corretas) do tipo: "o corpo tem uma certa temperatura, tem uma certa energia interna, adquire energia, fornece energia".

Energia em trânsito

Por outro lado, o calor não é uma propriedade termodinâmica. Frases como "o corpo tem calor, desiste do calor, adquire calor" não têm valor científico. De fato, o calor pode ser definido como "energia em trânsito", não como "energia possuída por um corpo".

O calor é trocado entre dois corpos (ou duas partes do mesmo corpo) e não é possuído por um único corpo (como é o caso da energia interna). Em particular, o calor flui devido a uma diferença de temperatura entre o sistema em estudo. O ambiente que interage com ele. Portanto, o calor só se manifesta quando passa entre o sistema e o ambiente devido a uma diferença de temperatura.

Não é reconhecido de forma alguma no sistema e no ambiente como uma propriedade intrínseca do mesmo.

Como o calor se espalha?

A transferência (ou troca ou propagação) de calor entre sistemas pode ser feita de três maneiras:

  • Condução.
  • Convecção
  • Irradiação.

Propagação de calor por condução

Em um único corpo ou entre corpos em contato, há uma transmissão, por impactos, de energia cinética entre as moléculas que pertencem às áreas vizinhas do material.

Na energia de condução, ela é transferida através da matéria, mas sem o movimento macroscópico desta última.

Propagação de calor por convecção

Em um fluido em movimento, as partes do fluido podem aquecer ou resfriar em contato com as superfícies externas. Então, no curso de seu movimento (no caráter geralmente turbulento), na transferência (sempre em execução), na energia adquirida para outras superfícies, o que resulta em uma transferência de calor por advecção.

Propagação de calor por irradiação

Entre dois sistemas, a transmissão de calor pode ocorrer à distância (também no vácuo).

A transferência é realizada pela emissão, propagação e absorção de ondas eletromagnéticas: a temperatura mais baixa do corpo esquenta, a temperatura mais alta esfria.

O mecanismo de irradiação não requer contato físico entre os órgãos envolvidos no processo.

Um exemplo é o calor que se propaga do Sol para a Terra através da radiação solar.

Detecção de temperatura

A sensação de "calor" ou "frio" que se sente ao tocar um corpo é determinada pela temperatura e pela condutividade térmica do material de que é feito, além de outros fatores.

Embora seja possível comparar as temperaturas relativas de dois corpos com o toque (com alguma cautela), é impossível fazer uma avaliação absoluta.

Calorímetros são usados ​​para calcular a transferência de calor.

Temperatura é um índice da energia cinética média das partículas do corpo sob exame. Calor é a energia que um corpo a uma temperatura mais alta transfere para um corpo a uma temperatura mais baixa (até que ambos os corpos tenham a mesma temperatura). A sensação de frio e calor se deve tanto à diferença de temperatura entre a mão e o objeto quanto à velocidade com que o objeto pode transferir (absorver ou liberar) o calor para a mão (ou outro objeto a diferentes temperaturas).

No entanto, ao fornecer calor ao corpo, não apenas a temperatura aumenta, como também há uma sensação mais nítida de calor, mas há variações diretamente mensuráveis ​​em algumas propriedades físicas.

Exemplos

Por exemplo. Mergulhamos uma mão em água fria por alguns segundos e a outra em água quente. Submergimos ambos em água morna. O primeiro terá a sensação de que a água está quente, o segundo de que está fria, porque a temperatura percebida é relativa à da mão que está fazendo a medição.

Uma avaliação relativa também é frequentemente impossível. Por exemplo, tocando em um pedaço de madeira e um pedaço de metal. Assumimos que ambos os materiais estejam no mesmo ambiente por tempo suficiente para alcançar o equilíbrio térmico com o ambiente. Tocá-los dá a sensação de que o metal é muito mais frio, devido à diferente condutividade térmica dos dois materiais.

Ao mesmo tempo, colocamos um termômetro. Primeiro em contato com a madeira e depois com o metal. Observamos que a temperatura nos dois materiais é a mesma. O mesmo que temperatura ambiente.

Antecedentes históricos do calor

Durante a primeira metade do século 18, os estudiosos usaram a substância elementar chamada flogisto para explicar o aquecimento de alguns materiais e a combustão.

Nos anos seguintes, os fenômenos térmicos remontam à teoria de que o calor era um fluido invisível. Ao entrar na matéria de um corpo, poderia aumentar sua temperatura.

Apesar dos estudos de Boyle no século XVII sobre a relação entre movimento de partículas e calor, foi apenas em meados do século XIX que foram lançadas as bases da termodinâmica. Essas fundações foram lançadas graças aos estudos de Mayer (1842) e Joule (1843), sobre a quantidade de calor e o trabalho necessário para alcançá-la.

Autor:

Data de publicação: 24 de agosto de 2018
Última revisão: 21 de abril de 2020