Temperatura e calor
Temperatura e calor estão relacionados, mas são conceitos fundamentalmente diferentes. A temperatura descreve o estado térmico de um sistema; o calor é energia que atravessa a fronteira de um sistema devido a uma diferença de temperatura. Confundir os dois conceitos provoca muitos erros em calorimetria e em problemas de mudança de fase.
A temperatura como escala de energia
Num gás ideal monoatómico, a energia cinética translacional média é proporcional à temperatura absoluta. Na matéria condensada, a relação é mais complexa porque a energia também é armazenada em vibrações, rotações e interações.
Dois objetos à mesma temperatura estão em equilíbrio térmico mesmo que tenham energias internas totais muito diferentes. Uma banheira de água morna pode conter muito mais energia interna térmica do que uma pequena faísca incandescente.
Calor sensível e capacidade térmica
q = mcΔT
m é a massa e c a capacidade térmica mássica. A equação aplica-se em intervalos de temperatura em que c é aproximadamente constante e não ocorre mudança de fase.
A capacidade térmica de um objeto inteiro é uma grandeza extensiva; a capacidade térmica mássica é definida por unidade de massa e a capacidade térmica molar por mole.
Calor latente e mudanças de fase
Numa transição de fase de primeira ordem a pressão constante, pode ser absorvida ou libertada energia sem alterar a temperatura:
q = nΔHtransição
Durante a fusão, a energia desorganiza a estrutura sólida. Durante a vaporização, separa as moléculas contrariando as atrações intermoleculares. A interpretação baseada apenas na energia cinética e na temperatura é, portanto, incompleta.
Calorimetria como conservação da energia
Num calorímetro isolado, a soma das trocas de calor é aproximadamente zero:
qquente + qfrio + qcalorímetro = 0.
A temperatura final de equilíbrio deve situar-se entre as temperaturas iniciais quente e fria se nenhuma reação ou mudança de fase fornecer energia adicional.
As experiências reais exigem correções para perdas de calor, capacidade térmica do recipiente e resposta do termómetro.
Kelvin, Celsius e diferenças de temperatura
Uma diferença de temperatura de 1 K é igual a uma diferença de 1 °C, pelo que qualquer das unidades pode ser usada para ΔT em q = mcΔT. Equações que requerem temperatura absoluta, como as leis dos gases e as fórmulas de entropia, exigem kelvin.
0 K é o zero termodinâmico. Não significa “ausência total de energia”: sistemas quânticos podem conservar energia de ponto zero.
Mecanismos de transferência de calor
A condução transfere energia através de interações microscópicas na matéria; a convecção transporta energia com o movimento do fluido; a radiação térmica transporta energia eletromagneticamente e não requer um meio material.
Muitos sistemas reais combinam os três mecanismos. Um objeto metálico a arrefecer no ar conduz calor internamente, transfere calor por convecção para o ar envolvente e irradia energia infravermelha.
Do movimento microscópico à engenharia térmica
A capacidade térmica revela graus de liberdade internos
Um gás ideal monoatómico armazena energia térmica sobretudo na translação, enquanto as moléculas também podem armazenar energia em rotação e vibração quando esses modos são termicamente acessíveis. É por isso que as capacidades térmicas molares diferem entre substâncias e podem variar com a temperatura.
Os sólidos também apresentam capacidades térmicas dependentes da temperatura: a baixa temperatura muitos modos vibracionais ficam inativos, enquanto a temperaturas mais elevadas participam mais modos.
A dilatação térmica não significa que “as moléculas ficam maiores”
O aquecimento geralmente aumenta a separação atómica média porque os poços de energia potencial interatómica são assimétricos. Os próprios átomos não incham. O efeito é pequeno em muitos sólidos, mas é crucial em pontes, carris, instrumentos de precisão e lâminas bimetálicas.
A taxa de arrefecimento é um problema de transporte
A termodinâmica prevê a temperatura final de equilíbrio; a transferência de calor prevê a rapidez com que ela é atingida. A lei do arrefecimento de Newton é muitas vezes uma aproximação útil quando a perda de calor por convecção é aproximadamente proporcional à diferença de temperatura em relação ao meio envolvente.
A geometria, o fluxo de ar, a emissividade e a condutividade térmica podem alterar drasticamente o tempo de arrefecimento sem modificar o estado de equilíbrio.
Exemplo resolvido: mistura de água
Misture 100 g de água a 80 °C com 100 g a 20 °C num recipiente idealmente isolado. Como as duas porções têm a mesma massa e capacidade térmica, a conservação da energia dá uma temperatura final de 50 °C.
Se a porção quente fosse cobre em vez de água, a temperatura final ficaria muito mais próxima da temperatura inicial da água porque o cobre tem uma capacidade térmica mássica muito menor. Massas iguais não implicam capacidades térmicas iguais.
Energia durante a ebulição
A 1 atm, a água líquida pode permanecer perto de 100 °C enquanto recebe energia, porque essa energia é usada na vaporização. A temperatura só volta a aumentar depois de a mudança de fase estar concluída ou de a pressão mudar.
Exercícios
Capacidade térmica
Quanto calor é necessário para aumentar em 10 K a temperatura de 200 g de água, se c = 4,18 J·g⁻¹·K⁻¹?
Solução
q = 200 × 4,18 × 10 = 8,36 kJ.
Patamar de mudança de fase
Porque pode a temperatura permanecer constante enquanto o gelo funde?
Solução
A energia fornecida altera a estrutura da fase em vez de aumentar a energia cinética térmica média.
Kelvin
Pode °C ser usado diretamente em PV = nRT?
Solução
Não. A lei dos gases exige uma temperatura absoluta em kelvin.