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14.1: Calor

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Defina calor como transferência de energia.

    Em Trabalho, Energia e Recursos Energéticos, definimos trabalho como força vezes distância e aprendemos que o trabalho realizado em um objeto muda sua energia cinética. Também vimos em Temperatura, Teoria Cinética e Leis dos Gases que a temperatura é proporcional à energia cinética (média) dos átomos e moléculas. Dizemos que um sistema térmico tem uma certa energia interna: sua energia interna é maior se a temperatura for maior. Se dois objetos em temperaturas diferentes entrarem em contato um com o outro, a energia é transferida do objeto mais quente para o mais frio até que o equilíbrio seja alcançado e os corpos atinjam o equilíbrio térmico (ou seja, eles estão na mesma temperatura). Nenhum trabalho é feito por nenhum dos objetos, porque nenhuma força atua à distância. A transferência de energia é causada pela diferença de temperatura e cessa quando as temperaturas são iguais. Essas observações levam à seguinte definição de calor: O calor é a transferência espontânea de energia devido a uma diferença de temperatura.

    Conforme observado em Temperatura, Teoria Cinética e Leis dos Gases, o calor é frequentemente confundido com a temperatura. Por exemplo, podemos dizer que o calor era insuportável, quando na verdade queremos dizer que a temperatura estava alta. O calor é uma forma de energia, enquanto a temperatura não é. O equívoco surge porque somos sensíveis ao fluxo de calor, e não à temperatura.

    Devido ao fato de que o calor é uma forma de energia, ele tem a unidade SI de joule (J). A caloria (cal) é uma unidade comum de energia, definida como a energia necessária para alterar a temperatura de 1,00 g de água\(1.00^oC\) —especificamente, entre\(14.5^oC\) e\(15.5^oC\), uma vez que há uma ligeira dependência da temperatura. Talvez a unidade de calor mais comum seja a quilocaloria (kcal), que é a energia necessária para alterar a temperatura de 1,00 kg de água\(1.00^oC\). Como a massa é mais frequentemente especificada em quilogramas, a quilocaloria é comumente usada. As calorias dos alimentos (dada a notação Cal e às vezes chamadas de “grande caloria”) são, na verdade, quilocalorias\((1 \, kilocalorie = 1000 \, calories)\), um fato que não é facilmente determinado na rotulagem da embalagem.

    Na figura a, há uma lata de refrigerante e um cubo de gelo colocados em uma superfície distante um do outro. As temperaturas da lata e do cubo de gelo são T um e T dois, respectivamente, onde T um não é igual a T dois. Na figura b, a lata de refrigerante e o cubo de gelo são colocados em contato na superfície. A temperatura de ambos é T prime.
    Figura\(\PageIndex{1}\): No painel (a),\(T_1\) o refrigerante e o gelo têm temperaturas diferentes e não estão em equilíbrio térmico.\(T_2\) No painel (b), quando o refrigerante e o gelo podem interagir, a energia é transferida até que atinjam a mesma temperatura\(T'\), atingindo o equilíbrio. A transferência de calor ocorre devido à diferença nas temperaturas. De fato, como o refrigerante e o gelo estão em contato com o ar circundante e a bancada, a temperatura de equilíbrio será a mesma para ambos.

    Equivalente mecânico de calor

    Também é possível alterar a temperatura de uma substância trabalhando. O trabalho pode transferir energia para dentro ou para fora de um sistema. Essa constatação ajudou a estabelecer o fato de que o calor é uma forma de energia. James Prescott Joule (1818—1889) realizou muitos experimentos para estabelecer o equivalente mecânico do caloro trabalho necessário para produzir os mesmos efeitos da transferência de calor. Em termos das unidades usadas para esses dois termos, o melhor valor moderno para essa equivalência é

    \[ 1.000 \, kcal = 4186 \, J.\]

    Consideramos essa equação como a conversão entre duas unidades diferentes de energia.

    Na figura, há uma lata de volume conhecido cheia de água e equipada com um termômetro na parte superior. Nos dois lados da lata, dois blocos de peso W são pendurados em cabos. Os cabos passam por duas polias e se enrolam em torno de um rolo cilíndrico. Há uma alça presa ao rolo para girá-lo manualmente. Submersas na água estão algumas pás presas a uma haste vertical presa na parte inferior do rolo. Quando a alavanca é girada, as pás se movem dentro da água.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Representação esquemática do experimento de Joule que estabeleceu a equivalência entre calor e trabalho.

    \(\PageIndex{2}\)A figura mostra uma das configurações experimentais mais famosas de Joule para demonstrar o equivalente mecânico do calor. Demonstrou que o trabalho e o calor podem produzir os mesmos efeitos e ajudou a estabelecer o princípio da conservação de energia. A energia potencial gravitacional (PE) (trabalho realizado pela força gravitacional) é convertida em energia cinética (KE) e, em seguida, randomizada por viscosidade e turbulência em energia cinética média aumentada de átomos e moléculas no sistema, produzindo um aumento de temperatura. Suas contribuições para o campo da termodinâmica foram tão significativas que a unidade de energia SI recebeu o nome dele.

    O calor adicionado ou removido de um sistema altera sua energia interna e, portanto, sua temperatura. Esse aumento de temperatura é observado durante o cozimento. No entanto, adicionar calor não aumenta necessariamente a temperatura. Um exemplo é o derretimento do gelo; isto é, quando uma substância muda de uma fase para outra. O trabalho realizado no sistema ou pelo sistema também pode alterar a energia interna do sistema. Joule demonstrou que a temperatura de um sistema pode ser aumentada por agitação. Se um cubo de gelo for esfregado contra uma superfície áspera, o trabalho é feito pela força de atrito. Um sistema tem uma energia interna bem definida, mas não podemos dizer que ele tenha um certo “conteúdo de calor” ou “conteúdo de trabalho”. Usamos a frase “transferência de calor” para enfatizar sua natureza.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Duas amostras (A e B) da mesma substância são mantidas em um laboratório. Alguém adiciona 10 quilojoules (kJ) de calor a uma amostra, enquanto 10 kJ de trabalho são feitos na outra amostra. Como você pode saber a qual amostra o calor foi adicionado?

    Resposta

    O calor e o trabalho alteram a energia interna da substância. No entanto, as propriedades da amostra dependem apenas da energia interna, de modo que é impossível dizer se o calor foi adicionado à amostra A ou B.

    Resumo

    • Calor e trabalho são os dois métodos distintos de transferência de energia.
    • O calor é energia transferida apenas devido a uma diferença de temperatura.
    • Qualquer unidade de energia pode ser usada para transferência de calor, e as mais comuns são quilocaloria (kcal) e joule (J).
    • A quilocaloria é definida como a energia necessária para alterar a temperatura de 1,00 kg de água entre\(14.5^oC\)\(15.5^oC\) e.
    • O equivalente mecânico dessa transferência de calor é\(1.00 \, kcal = 4186 \, J.\)

    Glossário

    calor
    a transferência espontânea de energia devido a uma diferença de temperatura
    quilocaloria
    1 quilocaloria = 1000 calorias tamanho 12 {1`"quilocalorie=1000"`"calorias "} {}
    equivalente mecânico de calor
    o trabalho necessário para produzir os mesmos efeitos da transferência de calor