As características da termologia envolvem o estudo da temperatura, do calor, da energia interna e das transformações que ocorrem nos corpos quando eles recebem ou cedem energia térmica. Essa área da Física ajuda a explicar fatos cotidianos, como o derretimento do gelo, o funcionamento de uma garrafa térmica, a sensação de frio causada pelo vento e a dilatação de trilhos e fios elétricos.
Em exercícios escolares, é essencial diferenciar grandezas que costumam ser confundidas. Temperatura não é calor, e calor não é uma substância armazenada em um corpo: trata-se de energia transferida devido a uma diferença de temperatura. A termologia reúne modelos e fórmulas para descrever essas situações de maneira quantitativa.
O que é termologia
A termologia é o ramo da Física que investiga os fenômenos ligados ao estado térmico dos corpos e às trocas de energia associadas a ele. Seu campo de estudo inclui a termometria, a dilatação térmica, a calorimetria, as mudanças de estado físico e os modos de propagação do calor.
Os fenômenos térmicos estão relacionados ao movimento microscópico das partículas. Em sólidos, líquidos e gases, átomos e moléculas apresentam agitação. Quando a agitação média dessas partículas aumenta, a temperatura tende a aumentar. Quando diminui, a temperatura tende a cair.
É importante observar que a temperatura mede o grau de agitação térmica média das partículas, enquanto a energia interna corresponde ao conjunto de energias microscópicas do corpo. Portanto, dois objetos com a mesma temperatura podem possuir energias internas diferentes, principalmente se tiverem massas ou materiais diferentes.
Ideia central: há transferência de calor espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. O processo continua até que ambos atinjam o equilíbrio térmico.
Temperatura, calor e energia interna
Temperatura é uma grandeza física que informa o estado térmico de um corpo. Ela pode ser medida com termômetros, instrumentos que usam propriedades que variam com a temperatura, como o volume de um líquido, a resistência elétrica ou a pressão de um gás.
Calor é a energia térmica em trânsito entre sistemas que apresentam temperaturas diferentes. Assim, não é correto dizer que um corpo “tem calor”; ele tem energia interna. Diz-se que ele recebe ou cede calor enquanto ocorre uma troca energética motivada pela diferença de temperatura.
Quando dois corpos são colocados em contato e isolados do ambiente, o mais quente cede energia ao mais frio. Ao final, eles alcançam a mesma temperatura, situação chamada de equilíbrio térmico. Esse princípio fundamenta o uso do termômetro: ele deve entrar em equilíbrio térmico com o corpo cuja temperatura será medida.
| Grandeza | O que representa | Unidade no SI |
|---|---|---|
| Temperatura | Grau de agitação térmica média das partículas | kelvin (K) |
| Calor | Energia transferida por diferença de temperatura | joule (J) |
| Energia interna | Soma das energias microscópicas de um sistema | joule (J) |
No Sistema Internacional de Unidades, a temperatura é expressa em kelvin. No Brasil, porém, a escala Celsius é a mais comum em situações diárias e em muitos enunciados de exercícios.
Escalas termométricas
As escalas termométricas permitem atribuir números às temperaturas. As mais conhecidas são Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A escala Celsius adota, sob pressão atmosférica normal, os valores 0 °C para a fusão do gelo e 100 °C para a ebulição da água. A Kelvin é uma escala absoluta: seu zero corresponde ao menor limite teórico de agitação térmica, o zero absoluto.
A relação entre Celsius e Kelvin é simples:
K = °C + 273,15
Em grande parte dos exercícios, utiliza-se a aproximação K = °C + 273. Assim, 27 °C correspondem aproximadamente a 300 K. Para converter entre Celsius e Fahrenheit, emprega-se a relação abaixo:
F = 1,8 · C + 32
Ao resolver conversões, confira qual escala é solicitada e não misture os símbolos. O grau Celsius é indicado por °C, o grau Fahrenheit por °F, e o kelvin é escrito apenas com K, sem o símbolo de grau.
Dilatação térmica
A dilatação térmica é a variação das dimensões de um corpo quando sua temperatura muda. Em geral, os corpos se dilatam ao serem aquecidos e se contraem ao serem resfriados. Isso acontece porque a distância média entre as partículas tende a aumentar com a maior agitação térmica.
Nos sólidos, a dilatação pode ser classificada conforme a dimensão mais relevante. A dilatação linear ocorre principalmente no comprimento, como em barras e fios. A superficial se refere à área, e a volumétrica envolve o volume. Na dilatação linear, a fórmula mais usada é:
ΔL = L0 · α · ΔT
Nessa expressão, ΔL é a variação de comprimento, L0 é o comprimento inicial, α é o coeficiente de dilatação linear do material e ΔT é a variação de temperatura. Materiais diferentes possuem coeficientes diferentes, por isso não se dilatam na mesma proporção.
As juntas de dilatação em pontes, calçadas e trilhos existem para evitar deformações ou rupturas decorrentes da expansão térmica. Fios de transmissão elétrica também ficam mais alongados em dias quentes e mais tensionados em dias frios.
Calorimetria e mudanças de estado
A calorimetria estuda as quantidades de calor trocadas pelos corpos. Quando uma substância recebe ou perde calor sem mudar de estado físico, sua temperatura varia. Nessa situação, utiliza-se a expressão:
Q = m · c · ΔT
O símbolo Q representa a quantidade de calor, m é a massa, c é o calor específico do material e ΔT corresponde à variação de temperatura. O calor específico informa quanta energia uma unidade de massa precisa receber ou ceder para sofrer determinada variação de temperatura. A água, por exemplo, possui calor específico relativamente alto, aquecendo e resfriando mais lentamente que muitos materiais.
Durante as mudanças de estado físico, a substância pode receber ou ceder energia sem alterar sua temperatura. Nesse caso, a energia é usada para modificar a organização das partículas e as interações entre elas. A fórmula é:
Q = m · L
O L é o calor latente, que depende da substância e do tipo de transformação. Na fusão, o sólido passa a líquido; na vaporização, o líquido passa a gás; na condensação, o gás se torna líquido; e na solidificação, o líquido passa a sólido.
- Calor sensível: provoca variação de temperatura, sem mudança de estado físico.
- Calor latente: provoca mudança de estado físico, mantendo a temperatura constante durante a transformação de uma substância pura sob pressão constante.
- Capacidade térmica: quantidade de calor necessária para variar em uma unidade a temperatura de um corpo inteiro.
Em sistemas isolados, aplica-se o princípio das trocas de calor: a soma algébrica das quantidades de calor trocadas é igual a zero. Em termos práticos, o calor cedido pelos corpos mais quentes tem módulo igual ao calor recebido pelos corpos mais frios.
Propagação do calor
O calor pode ser transferido de três formas: condução, convecção e radiação. Um mesmo fenômeno pode envolver mais de um desses processos, mas é útil identificar qual deles predomina em cada situação.
Condução
A condução ocorre por meio das interações entre partículas, sem transporte macroscópico de matéria. Ela é mais intensa nos sólidos, especialmente nos metais. Uma colher metálica deixada em uma panela quente aquece ao longo de seu cabo porque a energia é conduzida pelo material.
Convecção
A convecção acontece em líquidos e gases e envolve o movimento de porções do fluido. Ao aquecer água em uma panela, a água do fundo fica menos densa, sobe, enquanto a mais fria desce. Formam-se correntes de convecção. Brisas marítimas e sistemas de ventilação também se relacionam a esse mecanismo.
Radiação
A radiação térmica é transmitida por ondas eletromagnéticas e não necessita de meio material. Por isso, a energia do Sol chega à Terra através do espaço. Superfícies escuras e opacas costumam absorver e emitir radiação térmica com mais eficiência que superfícies claras e brilhantes.
Pontos de revisão
A termologia conecta observações do cotidiano a conceitos físicos fundamentais. Para interpretar gráficos, fórmulas e situações-problema, comece identificando se há variação de temperatura, mudança de estado físico ou transferência de calor entre corpos.
- Temperatura mede o estado térmico; calor é energia transferida por diferença de temperatura.
- O equilíbrio térmico ocorre quando corpos em contato alcançam a mesma temperatura.
- Na dilatação, as dimensões normalmente aumentam com o aquecimento.
- Use Q = m · c · ΔT para calor sensível e Q = m · L para calor latente.
- Condução predomina em sólidos, convecção em fluidos e radiação pode ocorrer no vácuo.
Ao estudar, dê atenção às unidades, aos sinais das trocas de calor e às condições descritas no enunciado. Esses cuidados ajudam a escolher a relação física adequada e a interpretar corretamente o fenômeno térmico apresentado.
