Termologia, Calor e Termodinâmica

Temperatura, escalas e o que é calor

Este curso explica o conteúdo do zero, para quem quer aprender, e fecha cada módulo com uma parte sobre como ensinar aquilo, para quem dá aula. Começamos desfazendo a confusão que atravessa o assunto inteiro: temperatura e calor não são a mesma coisa.

Temperatura é agitação; calor é energia em trânsito

Temperatura mede o grau de agitação das partículas de um corpo. Calor é a energia que passa espontaneamente de um corpo mais quente para um mais frio. Calor, portanto, não é algo que um corpo tem: é algo que atravessa a fronteira entre dois corpos enquanto houver diferença de temperatura.

Quando as temperaturas se igualam, a passagem cessa: é o equilíbrio térmico. Por isso o café esfria e a cerveja esquenta até chegarem à temperatura da sala — e nunca o contrário.

As três escalas

Conversões: °F = °C × 9/5 + 32 e K = °C + 273,15. Alguns valores que vale ter na cabeça: 25 °C = 77 °F; a febre de 37 °C fica em 98,6 °F; e existe uma única temperatura em que as duas escalas coincidem, −40 °C = −40 °F.

Repare que a escala Kelvin não usa o símbolo de grau: escreve-se 300 K, e não 300 °K. O zero absoluto (0 K, cerca de −273,15 °C) é o limite inferior da temperatura: o ponto de agitação mínima, inatingível na prática.

Por que a sensação térmica engana

Encoste a mão numa maçaneta de metal e na madeira da porta, no mesmo cômodo: o metal parece mais frio. Mas os dois estão na mesma temperatura — já faz horas que estão ali. O que a mão sente não é temperatura, e sim a velocidade com que o calor sai dela, e o metal conduz muito melhor que a madeira.

Dilatação: o que o calor faz com o tamanho das coisas

Quase tudo aumenta de tamanho ao esquentar, porque as partículas passam a vibrar mais e ocupar mais espaço. Parecem milímetros sem importância, até você olhar uma ponte.

As três dilatações

O α é o coeficiente de dilatação, próprio de cada material. Para o aço, vale cerca de 0,000012 por °C — um número que parece desprezível e não é.

Milímetros que viram centímetros

Um trilho de aço de 100 metros, num dia em que a temperatura sobe 30 °C, cresce cerca de 36 milímetros. Uma ponte de 1 quilômetro, na mesma variação, cresce cerca de 36 centímetros.

É por isso que existem as juntas de dilatação: aqueles vãos nos trilhos, nas pontes, entre lajes de calçada e nas estruturas de concreto. Sem eles, a estrutura empena ou racha — e esse é um ótimo exemplo para mostrar que a Física do ensino médio está literalmente no chão da rua.

O caso especialíssimo da água

Entre 0 °C e 4 °C a água se comporta ao contrário de quase tudo: ela contrai ao esquentar e dilata ao esfriar. Por isso a densidade máxima da água está perto de 4 °C, por isso o gelo flutua e por isso, num lago que congela, o gelo se forma na superfície enquanto embaixo a água fica a cerca de 4 °C — o que permite que os peixes sobrevivam ao inverno.

A mesma anomalia explica a garrafa de vidro cheia d'água que estoura no congelador: ao virar gelo, a água ocupa mais espaço.

Quanto calor é preciso: calor sensível e calor latente

Aqui entram as duas contas centrais da termologia: a de esquentar sem mudar de estado e a de mudar de estado sem esquentar.

Calor sensível: a temperatura muda

Q = m · c · ΔT, em que c é o calor específico do material — quanto calor é preciso para aquecer 1 kg daquele material em 1 °C.

A água tem calor específico alto: cerca de 4 186 J por kg por °C (ou 1 cal/g·°C). Isso significa que a água custa caro para esquentar e demora muito para esfriar — e é a razão de o litoral ter temperaturas mais amenas que o interior, e de o corpo humano, feito majoritariamente de água, aguentar variações do ambiente sem oscilar junto.

Calor latente: a temperatura não muda

Durante a mudança de estado, a energia recebida é usada para afastar as partículas, e não para agitá-las mais. Resultado: a temperatura fica parada. A conta é Q = m · L, em que L é o calor latente.

Compare as três linhas: vaporizar custa mais de cinco vezes o que custa aquecer de 0 a 100. É por isso que a água demora a secar numa panela, por que a queimadura de vapor é muito pior que a de água fervente, e por que o suor resfria tão bem — ao evaporar, ele leva embora uma quantidade enorme de energia da pele.

O gráfico de aquecimento

Num gráfico de temperatura por tempo, com aquecimento constante, a água desenha: uma rampa subindo (gelo esquentando), um patamar horizontal (derretendo), outra rampa (água esquentando), outro patamar (fervendo) e uma rampa final (vapor esquentando). Os patamares são a assinatura da mudança de estado — e serve também para distinguir substância pura de mistura, porque a mistura não tem patamar bem definido.

Como o calor se espalha: condução, convecção e irradiação

Três mecanismos, três situações bem diferentes. Saber qual é qual resolve desde a questão de prova até a escolha do telhado.

Condutores e isolantes

Metais conduzem bem; ar parado, isopor, lã, madeira e plástico conduzem mal. Quase todo bom isolante funciona pelo mesmo truque: prender ar parado em pequenos compartimentos. É assim que funcionam o cobertor, o casaco de pluma, a parede de tijolo furado e o isopor.

Daí uma pergunta de aula que vale ouro: o cobertor esquenta? Não. Ele não produz calor nenhum — apenas dificulta a saída do calor do seu corpo. Prova disso: enrole um picolé num cobertor e ele demora mais a derreter.

Por que a geladeira tem o congelador em cima

O ar frio é mais denso e desce; ao descer, empurra o ar mais quente para cima, que esfria e desce de novo. A corrente de convecção gira sozinha e esfria o compartimento inteiro. Se o congelador ficasse embaixo, o ar frio ficaria parado lá e a parte de cima não esfriaria direito. A mesma lógica explica por que o ar-condicionado se instala no alto da parede e o aquecedor fica no chão.

A garrafa térmica: as três de uma vez

Ela combate os três mecanismos ao mesmo tempo: paredes duplas com vácuo entre elas (corta condução e convecção), superfície espelhada (reflete a irradiação) e tampa (impede a saída do vapor, que levaria calor latente embora). É o melhor exemplo isolado do módulo e cabe inteiro numa pergunta de prova.

Gases e as leis da termodinâmica

Fechamos com a parte que explica motores, geladeiras e por que nenhuma máquina pode ser perfeita — a área da Física que nasceu de um problema de engenharia e acabou mudando a nossa ideia de tempo.

As transformações gasosas

As três se resumem numa equação só, a lei geral dos gases ideais: P·V/T = constante. Lembre que, em qualquer uma dessas contas, a temperatura entra em kelvin — usar Celsius aqui é o erro mais comum do conteúdo e estraga o resultado inteiro.

Primeira lei: a energia se conserva

O calor recebido por um gás se divide entre aumentar a sua energia interna e realizar trabalho ao empurrar as fronteiras: Q = ΔU + W. É a conservação da energia escrita para fenômenos térmicos.

Essa é a lei por trás de uma observação doméstica: ao esvaziar rapidamente um pneu, o ar que sai vem frio. Ele se expandiu e realizou trabalho empurrando o ar de fora, e como não teve tempo de receber calor, tirou essa energia da própria energia interna — e esfriou.

Segunda lei: há um sentido para as coisas

O calor flui espontaneamente do quente para o frio, nunca o contrário. Para fazer o contrário é preciso gastar energia, e é exatamente isso que a geladeira e o ar-condicionado fazem: eles não "produzem frio", eles tiram calor de dentro e jogam para fora — por isso a grade atrás da geladeira é quente e a unidade externa do ar-condicionado sopra ar quente na rua.

A consequência mais importante: nenhuma máquina térmica pode transformar todo o calor recebido em trabalho. Sempre sobra calor que precisa ser jogado fora. Mesmo no melhor caso teórico possível, uma máquina operando entre 500 °C e 30 °C não passaria de cerca de 61% de rendimento — e as máquinas reais ficam bem abaixo disso.

É por isso que não existe motor de carro que aproveite todo o combustível, e é por isso que qualquer promessa de "máquina de movimento perpétuo" é, antes de ser fraude, uma impossibilidade física.

Avaliação final

São 15 questões sobre os 5 módulos. Para ser aprovado(a) e poder emitir o certificado, você precisa acertar pelo menos 11. Você pode refazer a prova quantas vezes quiser.

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