Entenda o que é termologia com o Stoodi!
A Física está presente no nosso dia a dia e explica muitas coisas que nos acontecem, como, por exemplo, a sensação de um piso de cerâmica ser mais quente do que um de madeira, mesmo os dois estando em uma mesma temperatura.
Quando o assunto é temperatura, esse conceito faz parte da termologia, junto ao calor, à energia térmica e às escalas de temperatura.
Hoje veremos tudo à respeito desses conceitos e estudaremos um pouco sobre a calorimetria — ela que engloba o calor específico, sensível, latente e a capacidade térmica.
Então, acompanhe!
De uma forma geral, a termologia é a área da Física que estuda a energia térmica (ou, popularmente, conhecida como calor) dos corpos, bem como sua transmissão e seu comportamento. Ao aprofundarmos mais no assunto, estudamos:
A partir desses estudos é possível entender diversos fenômenos que acontecem no dia a dia, desde o por que uma batata demora tanto para esfriar, até o porquê de o sorvete demorar mais para derreter, em dias frios.
Então, agora vamos conhecer alguns conceitos básicos da termologia que são muito importantes, principalmente para quem vai fazer o Enem e quer saber o que vai cair na prova de Física.
É muito comum as pessoas chamarem a energia térmica de calor. Fisicamente isso é um erro, pois, como vamos ver mais para frente em detalhes, o calor é a energia térmica em movimento.
-Mas então, o que é energia térmica?
Todo corpo é composto por átomos e moléculas que estão em permanente agitação. Podemos dividir essa agitação em três tipos: vibração, rotação e translação.
Sendo assim, a energia térmica é a soma das agitações das partículas de um determinado corpo. Por exemplo, quando um pedaço de ferro ou a água de um copo estão quentes, significa que há muita energia térmica. Isso porque as partículas dos dois exemplos estão bem agitadas.
Mas saiba que apenas o movimento de translação é que determina o quão quente ou frio está um corpo. Isso pode ser percebido na forma com que o forno de micro-ondas esquenta ou cozinha a comida.
Quando o forno é ligado, as micro-ondas chegam até a comida, fazendo com que as moléculas, principalmente as de água, oscilem invertendo sua rotação de um sentido para o outro. Porém, não é isso que faz a comida cozinhar ou esquentar.
O que eleva a temperatura é o fato de que, ao ficarem invertendo sua rotação, umas podem bater nas outras, fazendo com que elas comecem a ricochetear. Com esse último movimento, conhecido como energia cinética de translação, é que a comida sai quentinha de dentro do micro-ondas.
Se temos a energia térmica dos corpos, precisamos medi-la. A temperatura está associada à energia térmica média das partículas. Costumamos relacioná-la ao quão quente ou quão frio está o chá de sua caneca, por exemplo. Mas, fisicamente, ela serve para dizer o quão agitadas estão as moléculas do chá.
Então, considerando uma pedra de gelo que está a 0 ºC e uma xícara de chá que está a 24 ºC, em qual dos dois exemplos as partículas estão com mais energia térmica? Se você disse que é a xícara de chá, acertou.
Mas saiba que nosso tato não é tão confiável para fazer a medição de temperaturas.
Em um dia frio, quando colocamos um pé no piso de cerâmica e o outro pé em um assoalho de madeira, estando os dois com mesma temperatura, a sensação é de que o primeiro está mais frio do que o segundo. Isso acontece porque a madeira é um mau condutor de calor, diferentemente do piso de cerâmica.
Aliás, calor é outro conceito muito importante na termologia, o qual vamos ver agora.
Para a termologia, o calor é energia térmica fluindo de um corpo para o outro, ou de uma região para a outra, em um mesmo objeto. Por isso, não podemos dizer que está calor ou que estamos com calor. O correto, fisicamente, é dizer que estamos com a energia térmica média mais alta.
Segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade que representa qualquer forma de energia é o Joule (J), porém quando falamos de calor, se usa também a caloria (cal).
A relação entre caloria e Joule é de:
1 cal = 4,186 J
A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1ºC parra uma grama de água, que se encontra sob a pressão de 1 atm.
Se você ler um rótulo de qualquer alimento, pode perceber que nas informações nutricionais está escrito o seu valor energético. Quase sempre ele vem descrito em calorias e com uma conversão para Joule.
Voltando ao fluxo de energia térmica, ele sempre se dá de um corpo com maior para o de menor temperatura, nunca o contrário. Por exemplo, quando você veste uma camiseta, a energia passa do seu corpo para ela, fazendo com que ela fique aquecida.
A transferência de energia térmica, ou o calor, se dá de três maneiras:
A condução acontece em meios materiais, por exemplo, quando a colher, em contato com uma panela quente, esquenta.
A convecção acontece nos fluidos, seja líquido ou gasoso. Aliás, é por conta dela que os ventos são formados e que a água da chaleira esquenta.
Já a irradiação, que se dá por ondas eletromagnéticas, não precisa de um meio para se propagar. Por exemplo, a luz do Sol percorre todo o espaço e chega até a Terra para aquecê-la.
Assim, a energia térmica pode passar de um objeto mais quente para um mais frio por qualquer uma dessas formas de transmissão. Ela só para de fluir quando ambos os objetos chegam a uma mesma temperatura. Isso significa que temos um equilíbrio térmico!
Dois ou mais corpos estão em equilíbrio térmico quando suas temperaturas se igualam. Quando isso ocorre, o fluxo de energia entre eles, ou o calor, para.
Um exemplo de equilíbrio térmico acontece quando colocamos o leite na geladeira. Essa última retira o calor do leite até que ele iguale sua temperatura à do interior da geladeira. O mesmo acontece quando colocamos um bolo para assar no forno, só que nesse caso, o calor flui do forno para o bolo.
Sendo assim, a tendência é que os corpos que estão em um mesmo ambiente sempre entrem em equilíbrio térmico, mesmo que eles precisem ganhar ou perder energia térmica.
O primeiro termômetro (medidor térmico), foi inventado por Galileu Galilei em 1602. Até alguns anos atrás, o termômetro comum era constituído por um tubo de vidro, com mercúrio. Com a dilatação ou contração da substância era possível medir a temperatura.
No Brasil, utilizamos a escala Celsius para fazer a medição da temperatura. Ela foi criada pelo astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744). Nela, considera-se o número 0 a temperatura em que a água congela e o número 100 a temperatura em que a água entra em ebulição (considerando a pressão atmosférica de 1 atm).
O intervalo entre esses dois pontos fixos foi dividido em 100 partes iguais, chamadas de graus. Por isso, esse termômetro foi conhecido como centígrado. A unidade de medida para cada parte ou cada grau é o Celsius (ºC).
Já nos Estados Unidos há outra escala de temperatura, a Fahrenheit, que foi desenvolvida pelo físico alemão Daniel Fahrenheit (1686-1736). Assim como na outra escala, ele escolheu dois pontos fixos, o de gelo a 32 ºF e o de vapor a 212 ºF. Essa escala é dividida em 180 partes e, como se pode perceber, a unidade de medida é o Fahrenheit (ºF).
Mas para o SI, a escala considerada é a que mede a temperatura em Kelvin (K), em homenagem ao físico britânico Lord Kelvin (1824-1907). A escala Kelvin não foi calibrada levando em consideração o ponto de congelamento ou evaporação da água, mas sim em termos de energia.
O número 0 da escala Kelvin é considerado o zero absoluto (o zero absoluto corresponde a -273 ºC), pois é a temperatura mais baixa em que qualquer substância não tem energia cinética para ser transferida.
Isso quer dizer que as substâncias ainda têm a energia do ponto-zero, mas ela não pode ser transferida para outra substância.
Sendo assim, percebemos que não temos apenas uma escala de medição de temperatura. Isso significa que em muitos casos, principalmente em exercícios, é preciso fazer a conversão entre uma escala e outra. Então, segue abaixo as fórmulas de conversão entre as escalas.
Em que:
A calorimetria é uma área dentro da termologia em que são realizadas as medições da quantidade de calor absorvido ou liberado em um processo químico ou físico. Nela estudamos os conceitos apresentados a seguir:
Quando você vai à praia em um dia ensolarado, a areia costuma estar mais quente do que a água. Você sabe por que isso acontece?
Os materiais têm uma característica inerente à eles, conhecida como calor específico (c). Ele informa a quantidade de calor que uma unidade de massa de um material precisa perder ou receber para que aconteça a diminuição ou elevação de uma unidade de temperatura.
Essa definição parece um pouco complicada de se entender de início, mas vamos olhar a tabela abaixo:
A areia tem um calor específico cinco vezes menor do que a água. Isso quer dizer que a areia precisa de cinco vezes menos calorias do que a água para que 1 g de areia eleve sua temperatura em 1 ºC. Porém, como ela aquece com mais facilidade do que a água, ela também esfria com mais facilidade.
Isso explica por que a areia da praia, em um dia ensolarado, é mais quente do que a água. E por que, logo que o sol se põe, ela já diminui sua temperatura, ficando mais agradável para andar descalço.
A capacidade térmica (C) é um conceito parecido com o calor específico, porém essa depende da quantidade de massa do objeto.
Assim, a capacidade térmica de um corpo nos diz a quantidade de calor que sua massa precisa perder ou receber para que aconteça a diminuição ou elevação de uma unidade de temperatura.
Para calcular a capacidade térmica temos a seguinte fórmula:
C = m . c
Em que:
Vamos a um exemplo prático para entendermos melhor:
Considere que um saquinho de areia tem 40 g, sendo que o seu calor específico é de 0,2 cal/g . ºC. Calcule a capacidade térmica da areia.
Resolução:
Sendo assim, cada grama de areia precisa receber (ou perder) 0,2 cal para que sua temperatura se eleve (ou diminua) em 1 ºC. Mas qual é a capacidade térmica da quantidade de areia que temos?
Para calcular C, utilizamos a seguinte fórmula:
C = m . c
C = 40 . 0,2
C = 8 cal/ ºC
Então, lembre-se:
Considere um copo com água a 10 ºC que, após ser exposto a uma fonte de calor, teve sua temperatura elevada para 50 ºC. Esse copo recebeu uma quantidade Q de calor, que é denominada calor sensível, pois ele provocou apenas a mudança de temperatura e não a troca do estado físico da água.
A fórmula do calor sensível possibilita que calculemos quanto de calor um corpo recebeu ou perdeu. Segue a equação:
Q = m . c . Δθ
Em que:
É importante notar que, quando a temperatura do corpo aumenta a variação de temperatura (Δθ), ela se torna positiva e, o calor Q trocado pelo corpo, também será positivo. Ou seja, são medidas diretamente proporcionais.
Outro ponto a ser levado em consideração na hora de resolver os exercícios é que a unidade do calor específico c, determina quais devem se as demais unidade de medida.
O calor latente (L) se refere à quantidade de calor trocada em uma substância, fazendo com que haja alteração no seu estado físico. Diferentemente do calor sensível, no calor latente há a mudança do estado físico, mas a temperatura se mantém.
Para calcularmos o calor latente, utilizamos a seguinte fórmula:
Q = m . L
Em que:
É importante observar que o calor latente pode ser negativo ou positivo. Quando ele for negativo, a substância vai estar cedendo calor, o que caracteriza um processo exotérmico. Isso acontece na liquefação e solidificação.
Já quando for positivo, a substância vai estar recebendo calor, o que caracteriza um processo endotérmico. Isso acontece na vaporização e fusão.
Vamos a uma questão de termologia prática:
(Unifor-CE) Um cubo de gelo de massa 100 g, inicialmente à temperatura de -20 °C, é aquecido até se transformar em água a 40 °C (dados: calor específico do gelo 0,50 cal/g °C; calor específico da água 1,0 cal/g °C; calor de fusão do gelo 80 cal/g). As quantidades de calor sensível e de calor latente trocados nessa transformação, em calorias foram, respectivamente:
a) 8.000 e 5.000
b) 5.000 e 8.000
c) 5.000 e 5.000
d) 4.000 e 8.000
e) 1.000 e 4.000
Resolução:
Ao analisar o exercício, percebe-se que precisamos dividi-lo em três partes: antes da fusão, durante a fusão e após a fusão. Só assim podemos realizar os cálculos corretamente. Então, vamos lá!
Antes da fusão (-20 ºC a 0 ºC):
Nessa parte, como não há mudança de estado físico, precisamos utilizar a fórmula do calor sensível:
Q = m . c . ΔT
Q= 100 . 0,5 . ( 0 – (-20))
Q = 50 . 20
Q = 1000 cal
Agora, vamos para o depois da fusão (0 ºC a 40 ºC). Nessa parte também não há mudança de estado físico, então a fórmula do calor sensível continua valendo:
Q = m . c . ΔT
Q = 100 . 1 . (40 – 0)
Q = 100 . 40
Q = 4000 cal
A quantidade total de calor sensível oferecido foi de: Q = 4000 . 1000 = 5000 cal
O calor latente, nessa situação, acontece na hora da fusão, em que há a mudança de estado físico, mas não há alteração na temperatura (0 ºC).
Sendo assim, vamos ao cálculo do calor latente:
Q = m . L
Q = 100 . 80
Q = 8000 cal
Vimos algumas fórmulas no decorrer deste conteúdo, por isso, confira abaixo todas elas:
Vimos os conceitos de termologia e alguns exemplos durante o texto, mas agora vamos conhecer uma experiência que pode ser feita em casa, de forma a observar o calor específico de substâncias.
Você vai precisar de:
Encha cada um dos balões e amarre. Um deve ser enchido com água, o outro com areia e o terceiro apenas com ar. Feito isso, pendure eles no suporte. Se não tiver suporte, não tem problema, pois você com o auxílio de um amigo pode segurar os balões.
Acenda as três velas e coloque-as embaixo de cada balão, de modo que a chama fique a 5 cm da base do balão. Espere alguns segundos e você verá que o primeiro balão a estourar é o preenchido com areia, o segundo será o que tem apenas ar e por último será o com água.
Isso acontece porque a areia tem um calor específico menor do que as substâncias dos outros balões e, assim, precisa de muito menos energia para esquentar e fazer com que o balão estoure. Já a água tem um calor específico maior entre as três substâncias, por isso ela demora mais para esquentar e conseguir fazer com que o balão estoure.
Agora vamos colocar em prática tudo o que aprendemos com alguns exercícios com resoluções sobre termologia:
1. (PUC-PR) Um menino inglês mediu sua temperatura com um termômetro graduado na escala Fahrenheit e encontrou 96,8°F. Esse menino está:
a) com febre alta, mais de 39°C.
b) com temperatura menor que 36°C.
c) com a temperatura normal de 36°C.
d) com temperatura de 38°C.
e) com temperatura de 34,6°C.
Resolução:
Esse exercício envolve duas escalas de temperatura. Como no Brasil, seguimos a escala Celsius e as alternativas são dadas com base nessa escala, vamos converter 96,8 ºF para Celsius:
Tc/5 = (Tf – 32)/9
Tc/5 = (96,8 – 32)/9
Tc/5 = 7,2
Tc = 7,2 . 5
Tc = 36 ºC
Sendo assim, a alternativa certa é a C.
2. (UFSCAR-SP) A quantidade de calor que se deve fornecer a 1 kg de uma substância para elevar sua temperatura em 5 ºC é igual a 3.000 cal. Qual o calor específico da substância no intervalo de temperatura considerado?
Resolução:
Este é um exercício em que na situação apresentada não acontece alteração de estado físico, apenas mudança de temperatura. Sendo assim, estamos falando de calor sensível. Para descobrirmos o valor do calor específico da substância utilizamos a fórmula do calor sensível:
Q = m . c . Δθ
3000 = 1000 . c . 5
3000 = 5000c
c = 3000/5000
c = 0,6 cal/g . ºC
Observação: quando no exercício constar as unidades em cal e ºC, use g como unidade de massa. Porém, se ele apresentar J e K, utilize Kg como unidade de massa.
Agora é a sua vez de praticar. Acesse a lista de exercícios do Stoodi sobre calorimetria e aplique seus conhecimentos. Para auxiliar nos estudos, assista nossas videoaulas sobre o conteúdo e leia nossos outros posts sobre assuntos de Física.
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