CONDIGITAL

Calor é uma forma de energia em trânsito. Ela aparece quando existe uma diferença de temperatura entre dois corpos. Portanto, o calor é medido nas unidades usuais de energia, como o Joule (J) ou caloria (cal) e os seus múltiplos.

1 cal = 4,186 J (1)

Devemos evitar a confusão entre os conceitos de temperatura e de calor. Eles estão relacionados, mas não são a mesma coisa.

As substâncias apresentam-se na natureza em diferentes estados físicos. Podemos considerar como os estados mais comuns na natureza: sólido, líquido e gasoso. Em estudos mais avançados da Física, são também estudados o plasma e o condensado de Bose-Einstein.
Esses estados de agregação são, basicamente, dependentes da pressão e da temperatura da substância e podem ser alterados.

Esse fenômeno pode ser explicado do ponto de vista atômico: com o aumento da temperatura, aumentam as vibrações atômicas. Isso provoca um aumento das distâncias interatômicas e, por consequência, diminuem as forças de atração entre os átomos. Quando uma substância no estado sólido, por exemplo, atinge a sua temperatura de fusão, as ligações da rede cristalina se rompem e ele passa para o estado líquido. Portanto, uma substância pode mudar de fase através do recebimento ou da retirada de calor.

Como cada substância apresenta estrutura atômica própria, cada uma apresenta seu próprio comportamento físico-químico e tem seus pontos de fusão e vaporização característicos. A água, por exemplo, considerada na pressão de 1 atmosfera, tem ponto de fusão em 0^oC e ponto de vaporização a 100^oC (Figura 1).

Figura 1: O diagrama mostra a nomenclatura utilizada para definir as transições entre as fases sólida, líquida e gasosa das substâncias.

Suponha que estamos fornecendo a mesma quantidade de calor a dois corpos, compostos por substâncias diferentes. Depois de um certo tempo, cada um apresentará um incremento de temperatura diferenciado. Essa situação evidencia que diferentes substâncias possuem diferentes comportamentos térmicos. Mesmo que os corpos sejam feitos de um mesmo material, eles podem ter capacidades térmicas diferentes, desde que suas massas sejam diferentes.
Para definir isso, apresenta-se a grandeza capacidade térmica (C) como sendo:

Podemos observar pela relação que quanto maior for a capacidade térmica do corpo, maior deverá ser a quantidade de calor a ser fornecida para provocar uma determinada elevação de temperatura da substância.

5. CALOR ESPECÍFICO

Já vimos que a capacidade térmica varia de uma substância para outra. Mas quando trabalhamos com um mesmo material as capacidades térmicas podem ser diferentes se cada conjunto tiver uma massa diferente.
Entretanto, o quociente C/m é constante para cada material e é esse valor que denominamos de calor específico.

Portanto, o calor específico é uma característica absoluta de cada substância.
Observe a unidade de medida na tabela abaixo: ela indica que, para elevarmos a temperatura de 1 grama daquela substância em 1oC, devemos fornecer uma determinada quantidade de calor. Por exemplo, para elevar em um grau a massa de um grama de água, precisamos fornecer 1 caloria para a substância. O calor específico também poderia ser dado em J/kg^oC.

Para massas de água, que tem calor específico relativamente alto, observamos a ocorrência de diversos fenômenos relacionados ao clima. Mares, lagos e rios, que concentram grande quantidade de água, acabam regulando a temperatura nas suas regiões de entorno. Durante o dia, a água absorve grande quantidade de calor, mas aquece-se pouco. Quando anoitece, ela libera calor para o entorno, esfriando devagar. Uma consequência disso é que locais próximos aos mares e lagos tendem a ter pequena amplitude térmica (diferença entre a temperatura máxima do dia e mínima da noite). Isso é verificado, por exemplo, nas cidades do litoral brasileiro. Também a direção das brisas costeiras é definida a partir da contribuição desse fenômeno.

6. CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE

O fornecimento ou a retirada de calor, como forma de energia para um corpo, resulta em dois fenômenos possíveis: variação na temperatura ou mudança de fase.
Denominamos calor sensível a quantidade de calor recebida ou cedida para um corpo que resulta em variação da temperatura do mesmo, sem mudança de fase. Por exemplo, ao aquecermos água em uma panela de 30^oC até 60^oC, estamos lidando apenas com calor sensível, pois nesse intervalo de temperaturas, a água não muda de fase.
Quando o corpo sofre apenas uma mudança de fase, denominamos o calor responsável por essa mudança de calor latente. Durante esse processo, a substância não varia de temperatura.
No caso da água, nota-se experimentalmente que, para transformar uma massa de 1 grama de gelo a 0^oC em água a 0^oC, ou seja, completar a fusão do gelo, é necessário fornecer 80 cal.
Da mesma forma, para transformar 1 grama de água a 100^oC em vapor de água a 100^oC, são precisos 540 calorias.
Cada substância tem seus valores próprios nessas transições de fase. Para determinarmos o calor latente (L) de cada substância, podemos fazer:

Vamos tomar como exemplo o calor latente de fusão do gelo, que é igual a 80 cal/g. Isso quer dizer que cada grama de gelo (1 grama de gelo) necessita receber 80 calorias para mudar seu estado físico, passando de gelo a 0^oC para água a 0^oC. Essa é a lógica que rege a indicação de valores para a tabela de calor latente vista acima, e cada substância terá seus valores específicos.

Consulte aqui os valores do calor latente de fusão para outras substâncias.

Os valores de calor latente (do gelo e água) e de calor específico da água (como já vimos) são importantes para entendermos os fenômenos macro e microclimáticos, uma vez que a água de oceanos, rios, lagos e geleiras são fundamentais para a regulação do clima do planeta. Aumentos nas temperaturas médias em determinadas regiões provocam, por exemplo, a fusão do gelo dos polos e das geleiras, alterando o nível dos mares e o equilíbrio do ecossistema (Figura 2).

Figura 2: O aquecimento global pode ser o principal fator que vem contribuindo para a diminuição de gelo nos polos e das geleiras.

7. EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA CALORIMETRIA

Experimentalmente, mostra-se que a quantidade de calor fornecida a um corpo relaciona-se com a massa (m) e com a variação de temperatura sofrida pela substância (Dt = t_final - t_inicial), a menos de uma constante, que é o calor específico da substância (c).

Nas situações em que a temperatura final é maior do que a temperatura inicial, temos Q positivo, pois houve fornecimento de calor. Quando ocorre um resfriamento da substância, o sinal de Q será negativo.

9. ENERGIA TÉRMICA

Entendemos o calor como sendo uma forma de energia. Ele pode ser transferido de um corpo para outro em situações em que existam diferenças de temperatura entre os corpos envolvidos. Portanto, o conceito moderno de calor pode ser compreendido como uma forma de energia em trânsito.
Essa ideia de calor como energia foi introduzida pelo Conde Rumford (1753-1814), ao estudar o aquecimento de peças metálicas que eram perfuradas para produzir munição para canhões. Em 1798, ele elaborou a teoria que afirmava que a energia empregada no trabalho de perfuração era transferida para as peças, provocando o aumento de temperatura observado.
A partir dos estudos de Rumford e a posterior consolidação da Termodinâmica como área de estudo e aplicação da Física, ficou definido que o grau de agitação molecular de um corpo define a quantidade de energia interna dele e, a partir daí, qualificamos o conceito de temperatura de um corpo ou sistema, diferenciando-o do conceito de calor(Figura 4).

Figura 4: T₁ > T₂: O corpo de temperatura maior (T₁) transfere calor para o corpo de temperatura menor (T₂).

10. POTÊNCIA DE UMA FONTE DE CALOR

Como o calor é uma forma de energia, podemos dizer que as fontes de calor são corpos ou sistemas termodinâmicos (como o Sol) capazes de transferir calor para outros corpos ou sistemas.
Partindo do princípio que o calor é uma forma de energia, então é possível definir também a potência térmica (P) de uma fonte de calor, que é dada por:

Usualmente, essa potência é expressa em joules por segundo (J/s = watt = W), mas também podemos utilizar outras unidades, como calorias por segundo (cal/s).
Lembre que: 1 cal = 4,18 J
1 W = 1 J/s (7)

Lâmpadas incandescentes, aquecedores e outros objetos emitem calor para o meio e são fontes de calor significativas. Note que também o corpo humano pode ser considerado uma fonte de calor, pois nosso metabolismo mantém a temperatura do corpo em 37^oC. Por conta disso, usamos roupas leves e claras em locais quentes e ensolarados e preferimos materiais isolantes (como roupas e cobertores de lã) em dias mais frios, para minimizar a perda de calor de nosso corpo para o meio externo.

É o tipo de transmissão de calor que ocorre por contato. Como no caso que vemos na animação, o calor da chama aquece a extremidade esquerda da barrinha metálica, fazendo com que os átomos ou moléculas do metal nessa extremidade tenham maior grau de agitação. Uma parte dessa energia é transferida por contato para moléculas vizinhas, fazendo com que o calor se propague em direção à extremidade direita e chegue até a mão da pessoa, que sente um progressivo aumento de temperatura no local em que está segurando.
Esse é o processo mais comum de transmissão que vemos no nosso cotidiano. Materiais compostos por metais são bons condutores de calor. Por isso as panelas são feitas de alumínio. Já materiais como a madeira, o ar, o isopor, a lã e a cortiça conduzem mal o calor e por isso podem ser utilizados como isolantes térmicos.

11.2 Convecção

Trata-se de um tipo de transferência de calor que ocorre em líquidos e gases (fluidos). Ela acontece com a formação de correntes de convecção, que aparecem a partir da diferença de densidade entre as partes quentes e frias dos líquidos envolvidos. É o caso da panela com a água que se movimenta conforme aquecida. Ocorre que a água que está no fundo da panela se aquece primeiro, por condução, a partir do calor da chama em contato com o metal da panela. Depois, essa massa, que está mais quente e menos densa, tende a subir, empurrando a água fria para baixo e começando o movimento de convecção.
Nas geladeiras, o resfriamento dos alimentos é feito por meio das correntes de convecção de ar dentro da geladeira. Como o ar quente é menos denso do que o ar frio, ele tende a subir dentro do compartimento, enquanto o ar mais frio que está em contato com o congelador desce, formando a corrente e facilitando o resfriamento uniforme dos alimentos (Figura 5).

Figura 5: As geladeiras são projetadas para que se formem correntes de convecção, de modo que o ar frio desça e circule pelos compartimentos inferiores. Também os fenômenos climáticos dependem dos movimentos de convecção de massas de ar na atmosfera: ventos, movimentos de frentes climáticas etc.

11.3 Irradiação

A irradiação ocorre através de ondas eletromagnéticas (faixa do infravermelho), que pode se propagar no vácuo. O calor que chega até a Terra, emitido pelo Sol, é um exemplo desse tipo de transmissão, já que entre a estrela e a Terra praticamente não há matéria(Figura 6).

Figura 6: O Sol é uma estrela que produz energia a partir de reações termonucleares. Com isso, é capaz de fornecer energia para o nosso sistema solar e para o planeta Terra, incluindo a energia térmica (calor) que sustenta a vida.

A constante solar representa a potência do Sol por unidade de área diretamente exposta à luz solar. A constante solar é igual a, aproximadamente, 1368 W/m².

O calor da fogueira que aquece as pessoas em volta também pode ser considerado propagação por irradiação, pois as moléculas de ar existentes exercem um papel praticamente nulo no processo. Existem aplicações tecnológicas que aproveitam o fenômeno da irradiação: o aquecedor solar instalado em telhados absorve energia solar incidente e aquece a água utilizada por uma residência ou indústria (por condução), gerando economia de energia elétrica(Figura 7).

Figura 7: Observe a animação que apresenta exemplos dos três tipos de propagação do calor numa única situação.
Fonte: www.brasilescola.com

12. APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS

As aplicações dos estudos da propagação do calor são muitas e vão da construção de utensílios ao projeto de máquinas diversas, aviões, motores e estudos aplicados, como os da meteorologia. Entre essas aplicações tecnológicas, vale citar uma que conhecemos em nosso dia a dia: a garrafa térmica.
O recipiente tem o objetivo de minimizar as trocas térmicas entre o líquido e o meio externo. Assim, podemos manter tanto um café quente como um suco gelado preservado por mais tempo.
Isso é obtido dificultando os três tipos de transmissão de calor. A ampola é feita com duas paredes espelhadas de vidro com ar rarefeito entre elas. Isso retarda o processo de irradiação e evita a condução e a convecção. A ampola é protegida por um invólucro exterior, que pode ser de metal ou plástico. Essas paredes também são espelhadas tanto no lado de fora quanto no de dentro. O conjunto é completado com uma tampa de pressão ou rosca que veda a parte superior do recipiente (Figura 8).

Também podemos observar a aplicação destes estudos na engenharia. Na construção de casas, por exemplo, os materiais escolhidos devem estar de acordo com o que se quer obter. Nos telhados, o uso de materiais isolantes térmicos pode auxiliar a reter o calor no interior da casa (em regiões frias) ou a refletir parte da luz incidente (com o uso de tons claros no telhado e na pintura externa) para evitar aquecimento indesejável (em regiões tropicais).
Paredes e janelas também são responsáveis por parte das perdas de calor e podem ser projetadas para minimizar as perdas para o meio nas situações em que a casa necessita com frequência de aquecimento elétrico ou solar, minimizando assim o consumo de energia pelos moradores: uma opção é fazer lajes e paredes mais espessas e usar material isolante na construção delas.
Já nas regiões frias, grandes áreas envidraçadas em camada dupla de vidro (com ar no "recheio" como isolante) podem ajudar a iluminar melhor o ambiente e a permitir a entrada de luz solar, provocando um efeito semelhante ao efeito estufa e ajudando também a evitar a necessidade de gastos excessivos no processo de aquecimento elétrico.