Energia, fenómenos térmicos e radiação 3 Energia, fenómenos térmicos e radiação Subdomínio

3.3 Calor como medida da energia transferida entre sistemas a diferentes temperaturas

O que sente quando segura gelo nas mãos? Ao segurar gelo nas mãos sente-se frio. Porquê?

O que sente quando segura gelo nas mãos? Mãos a uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC Gelo a uma temperatura inferior a 0 oC As nossas mãos têm uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC. O gelo está a uma temperatura inferior a 0 oC.

O que sente quando segura gelo nas mãos? Mãos a uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC Gelo a uma temperatura inferior a 0 oC A temperatura das mãos é superior à do gelo. Nestas condições, os corpos não estão em equilíbrio térmico.

O que sente quando segura gelo nas mãos? Temperatura inferior Recetor de energia Gelo Mãos a uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC Energia Gelo a uma temperatura inferior a 0 oC Temperatura superior Fonte de energia Mãos Quando colocados em contacto, os sistemas com temperatura superior tendem a transferir energia para os sistemas com temperatura inferior.

O que sente quando segura gelo nas mãos? Temperatura inferior Recetor de energia Gelo Mãos a uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC Energia Gelo a uma temperatura inferior a 0 oC Temperatura superior Fonte de energia Mãos À medida que a energia é transferida… … a temperatura do gelo… aumenta; … a temperatura das mãos… diminui.

O que sente quando segura gelo nas mãos? Temperatura inferior Recetor de energia Gelo Mãos a uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC Energia Gelo a uma temperatura inferior a 0 oC Temperatura superior Fonte de energia Mãos A transferência de energia continua até se atingir o equilíbrio térmico. No equilíbrio térmico, os dois sistemas possuem igual temperatura.

O que sente quando segura gelo nas mãos? Temperatura inferior Recetor de energia Gelo Mãos a uma temperatura entre 36 oC e 37,5 oC Energia Calor Gelo a uma temperatura inferior a 0 oC Temperatura superior Fonte de energia Mãos À transferência de energia que ocorre espontaneamente entre sistemas a diferentes temperaturas dá-se o nome de calor.

A transferência de energia sob a forma de calor pode ocorrer por: condução; convecção; radiação.

Quando dois sistemas com diferentes temperaturas são postos em contacto: Temperatura superior Sistema A Sistema A Sistema B Temperatura inferior Sistema B Calor Equilíbrio térmico Temperatura igual O sistema que se encontra a uma temperatura superior conduz energia para o sistema que se encontra a temperatura inferior. A transferência de energia sob a forma de calor ocorre até se atingir o equilíbrio térmico. Como os sistemas estão em contacto, ocorreu transferência de energia sob a forma de calor por condução.

Quando transferimos energia para um sistema no estado líquido ou gasoso geram-se correntes de convecção. Água no interior de uma panela Água fria Água quente Ao aquecer a água de uma panela: a água que se encontra no fundo aquece primeiro, torna-se menos densa e sobe; ao chegar ao topo, empurra a água fria para baixo; no fundo da panela, a água fria aquece e volta a subir.

Quando transferimos energia para um sistema no estado líquido ou gasoso geram-se correntes de convecção. Água no interior de uma panela Água fria Correntes de convecção Água quente As correntes de convecção são geradas pela subida de uma massa de água quente e pela descida de uma massa de água fria. A transferência de energia sob a forma de calor entre as massas de água quente e fria ocorre por convecção.

A Terra é aquecida pelo Sol. Radiação solar Apesar de não existir contacto físico direto entre a Terra e o Sol, a radiação emitida pelo Sol faz subir a temperatura à superfície da Terra. O Sol transfere energia sob a forma de calor por radiação.

É possível quantificar o calor transferido entre dois sistemas? Que fatores devemos ter em conta para quantificar o calor transferido entre dois sistemas?

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). Sistema A temperatura inicial 15 oC 100 g de água Sistema B temperatura inicial 15 oC 100 g de água ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 10 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 25 oC temperatura final 50 oC Se pretender que A e B atinjam, respetivamente, 25 oC e 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? A variação de temperatura em A será de apenas 10 oC, enquanto em B será de 35 oC.

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). Sistema A temperatura inicial 15 oC Sistema B temperatura inicial 15 oC 100 g de água 100 g de água ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 10 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 25 oC temperatura final 50 oC Se pretender que A e B atinjam, respetivamente, 25 oC e 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? Devo transferir mais energia para o sistema B, uma vez que a variação de temperatura em B será maior do que em A.

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). Sistema A temperatura inicial 15 oC Sistema B temperatura inicial 15 oC 100 g de água 100 g de água ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 10 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 25 oC temperatura final 50 oC Quanto maior é a variação de temperatura sofrida pelo sistema, maior é a quantidade de energia sob a forma de calor transferida para o sistema.

Os sistemas A e B têm massa diferente e estão à mesma temperatura (15 oC). Sistema A temperatura inicial 15 oC 100 g de água Sistema B temperatura inicial 15 oC 200 g de água ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? A variação de temperatura em A e B será a mesma (35 oC).

Os sistemas A e B têm massa diferente e estão à mesma temperatura (15 oC). Sistema A temperatura inicial 15 oC 100 g de água Sistema B temperatura inicial 15 oC 200 g de água ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? A massa da substância a aquecer é maior em B, logo será necessário transferir mais energia para o sistema B.

Os sistemas A e B têm massa diferente e estão à mesma temperatura (15 oC). Sistema A temperatura inicial 15 oC 100 g de água Sistema B temperatura inicial 15 oC 200 g de água ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Quanto maior é a massa da substância «aquecida», maior é a quantidade de energia sob a forma de calor transferida para o sistema.

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). temperatura inicial 15 oC Sistema A 1 kg de madeira temperatura inicial 15 oC Sistema B 1 kg de alumínio temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? A massa dos dois sistemas é a mesma (1 kg).

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). temperatura inicial 15 oC Sistema A 1 kg de madeira temperatura inicial 15 oC Sistema B 1 kg de alumínio ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? A variação de temperatura em A e B será a mesma (35 oC).

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). temperatura inicial 15 oC Sistema A 1 kg de madeira temperatura inicial 15 oC Sistema B 1 kg de alumínio ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? As substâncias que constituem os dois sistemas são diferentes, e a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de cada sistema também será diferente.

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). temperatura inicial 15 oC Sistema A 1 kg de madeira temperatura inicial 15 oC Sistema B 1 kg de alumínio ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? Diz-se que as substâncias têm diferente capacidade térmica mássica. Para a mesma massa e perante a mesma transferência de energia, a variação de temperatura é diferente.

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). temperatura inicial 15 oC Sistema A 1 kg de madeira temperatura inicial 15 oC Sistema B 1 kg de alumínio ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC Se pretender que ambos os sistemas atinjam a temperatura de 50 oC, em qual dos casos devo transferir mais energia sob a forma de calor? Neste caso, será necessário fornecer mais energia à madeira do que ao alumínio para que a temperatura final de ambos os sistemas seja 50 oC.

Os sistemas A e B têm a mesma massa e estão à mesma temperatura (15 oC). temperatura inicial 15 oC Sistema A 1 kg de madeira temperatura inicial 15 oC Sistema B 1 kg de alumínio ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 25 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 50 – 15 ⬄ ΔT = 35 oC temperatura final 50 oC temperatura final 50 oC A energia transferida sob a forma de calor necessária para provocar uma determinada variação de temperatura num sistema depende do tipo de substâncias que o constituem  da capacidade térmica mássica das substâncias.

Para quantificar a energia transferida sob a forma de calor entre sistemas, é necessário conhecer três fatores: a variação de temperatura sofrida pelo sistema; a massa da substância que constitui o sistema; a substância que constitui o sistema. E = m c ΔT E  energia transferida sob a forma de calor (J) m  massa (kg) c  capacidade térmica mássica (J/kg K) ΔT  variação de temperatura (K)

O contributo de Benjamin Thomson para o estudo do calor

O significado de calor e a sua medição criaram grandes dificuldades aos cientistas dos séculos XVII e XVIII. Pensava-se, erradamente, que o calor era uma espécie de fluido que atravessava de um corpo para outro.

Benjamin Thomson, no século XVIII, deu um contributo importante para o estudo do calor. Benjamin Thomson (1753-1814) Físico e inventor anglo-americano que deu um contributo importante para o estudo do calor.

Considerou, então, que o calor (Q) teria origem Benjamin Thomson observou que, durante o processo de fabrico de canhões, as peças aqueciam quando eram polidas ou perfuradas. Considerou, então, que o calor (Q) teria origem no trabalho (W) das máquinas.

Apesar de desconhecer que o calor era uma forma de energia, estabeleceu uma unidade para quantificar o calor  a caloria. 1 caloria corresponde ao calor necessário para elevar em 1 °C a temperatura de 1 g de água entre 14,5 °C e 15,5 °C.

O contributo de James Joule para o estudo do calor

James Joule foi o primeiro a verificar experimentalmente a equivalência entre trabalho (W) e calor (Q). James Prescott Joule (1818-1889) Físico britânico que estabeleceu a relação entre trabalho e calor.

James Joule executou a seguinte experiência: Massa (1,8144 kg) Roldana Ligou a haste a duas massas por intermédio de roldanas; Introduziu um termómetro de grande precisão no recipiente com água; Termómetro 1 kg de água Colocou 1 kg de água no interior de um recipiente; Pás que podem rodar livremente Introduziu no recipiente pás que podem rodar livremente em torno de uma haste;

James Joule executou a seguinte experiência: Roldana Roldana Termómetro Massa (1,8144 kg) Massa (1,8144 kg) 1 kg de água Pás que podem rodar livremente Elevou as duas massas a uma altura de 11 metros, sem permitir a rotação das pás; Permitiu a descida das massas até ao solo sujeitas à gravidade e por intermédio da roldana; Durante a descida das massas, as pás rodaram em torno da haste; A rotação das pás provocou um aumento de temperatura da água.

James Joule executou a seguinte experiência: Roldana Roldana Termómetro Massa (1,8144 kg) Massa (1,8144 kg) 1 kg de água Pás que podem rodar livremente A energia transferida para a água durante a queda provém da variação da energia mecânica (ΔEm) do sistema: ΔEm = Etransferida ⬄ ΔEpg + ΔEc = Etransferida Como a variação de energia cinética é nula (ΔEc = 0): ΔEpg = Etransferida ⬄ (M1 + M2) g Δh = Etransferida

James Joule executou a seguinte experiência: Roldana Roldana Termómetro Massa (1,8144 kg) Massa (1,8144 kg) 1 kg de água Pás que podem rodar livremente Como a energia é transferida para a água sob a forma de calor, tem-se: (M1 + M2) g Δh = m c ΔT trabalho (W) da Fgravítica calor (Q) W ≡ Q

James Joule executou a seguinte experiência: Roldana Roldana Termómetro Massa (1,8144 kg) Massa (1,8144 kg) 1 kg de água Pás que podem rodar livremente Joule concluiu que, sempre que a temperatura de 1 g de água variava 1 °C, por absorção da energia de 1 cal sob a forma de calor, as massas realizavam o trabalho de 4,18 J. 1 cal = 4,18 J

À energia transferida entre dois sistemas a diferentes temperaturas dá-se o nome de calor. As transferências de energia sob a forma de calor podem ocorrer por condução, convecção ou radiação. A quantidade de energia transferida sob a forma de calor depende da massa da substância, do tipo de substância e da variação de temperatura sofrida pelo sistema.