CAPÍTULO

8 Calor e temperatura

Ao nosso redor, podemos tocar objetos feitos de diferentes materiais, como canecas de porcelana, copos de vidro, cadernos de papel e chinelos de borracha. Que tal fazer a atividade a seguir tocando um objeto de metal?

Ao realizar a atividade proposta anteriormente, você entrou em contato com alguns conceitos relacionados à Termodinâmica, um ramo da Física que nos permite compreender o que ocorre em diversas situações do nosso cotidiano, relacionadas ao calor e à temperatura. São esses alguns dos conceitos que estudaremos neste capítulo.

Para iniciarmos o estudo referente ao calor e à temperatura, analisaremos o que ocorre com a molécula da água quando ela passa do estado físico sólido para o líquido e, em seguida, para o gasoso. Para isso, considere a situação a seguir.

Uma pessoa inseriu alguns cubos de gelo em uma panela e a colocou sobre a chama de um fogão. Com o passar do tempo, o gelo começou a derreter e, em alguns minutos, toda a água sólida dos cubos de gelo estava no estado líquido. Ainda na panela, a água no estado líquido se aqueceu e passou, de forma lenta, para o estado gasoso. À medida que a temperatura da água aumenta, a energia das moléculas que a compõem também aumenta.

Verifique a seguir a organização das moléculas de água durante a situação descrita anteriormente.

Fonte de pesquisa: TREFIL, James; HAZEN, Robert Miller. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 1. p. 196.

Questão 1. Explique o que acontece com as moléculas de água conforme a temperatura aumenta, de A para C.

Resposta: Espera-se que os alunos percebam que o aumento da temperatura influencia na organização das moléculas de água. À medida que a temperatura aumenta, as moléculas se tornam mais distantes umas das outras e aparentemente mais agitadas.

Questão 2. A temperatura é uma grandeza física presente em várias situações do nosso cotidiano. Cite duas dessas situações.

Resposta pessoal. Os alunos podem citar situações como quando regulamos a intensidade do forno ou do ar-condicionado e quando ouvimos a previsão do tempo informando a temperatura máxima e mínima do dia.

A temperatura está relacionada ao grau de agitação dos átomos ou das moléculas que compõem a matéria, ou seja, à velocidade com que esses átomos e moléculas vibram ou se movem. Quanto maior a temperatura de um corpo, maior é o estado de agitação de seus átomos e de suas moléculas e, consequentemente, maior é a energia cinética^✚ dessas partículas. Assim, ao analisar as imagens A, B e C, você deve ter notado que, à medida que a temperatura aumenta, verifica-se maior grau de agitação das moléculas de água e maior distância entre elas.

Energia cinética:

energia associada ao movimento de um corpo, que depende de sua massa e de sua velocidade.^↰

Quando há diferença de temperatura entre dois ou mais corpos, ocorre a transferência de energia do corpo com maior temperatura para o corpo com menor temperatura. Essa energia em transferência é chamada calor.

Como medir a temperatura

Leia a tira a seguir.

BECK, Alexandre. Armandinho zero. Florianópolis: A. C., 2013. p. 18.

Questão 3. Em sua opinião, qual é o objetivo de Armadinho vestir tantas roupas e outros itens de vestuário?

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 4. Explique, com suas palavras, por que sentimos frio em algumas situações.

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 5. Você já passou por situação semelhante à vivenciada por Armandinho? Conte aos colegas.

Resposta nas orientações ao professor.

Há milhares de anos o ser humano tem estudado o conceito de temperatura e como medi-la com precisão.

As primeiras noções de medida dessa grandeza baseavam-se no sentido do tato, isto é, na sensação térmica, de modo que o objeto era descrito como quente, morno ou frio. No entanto, essa maneira de medir a temperatura é imprecisa, o que pode induzir a erros e/ou acidentes.

Questão 6. Simultaneamente, toque a parte de madeira da sua carteira escolar com uma das mãos e, com a outra, toque a parte de metal. O que você percebeu ao tocar esses materiais?

Resposta pessoal. Espera-se que os alunos percebam diferenças na sensação térmica ao tocar esses materiais simultaneamente.

Quando tocamos com as mãos um pedaço de madeira e um pedaço de metal ao mesmo tempo, somos induzidos a concluir que o metal está a uma temperatura menor que a da madeira, mesmo que ambos os materiais estejam à temperatura ambiente, ou seja, com temperaturas iguais. Esse fato ocorre por causa da condutividade térmica dos materiais, uma propriedade da matéria que estudaremos neste tópico.

Ao longo do tempo, os cientistas produziram um instrumento-padrão para medir a temperatura de um corpo ou de um ambiente, com maior precisão do que o sentido do tato. Esse instrumento é conhecido como termômetro.

Um dos modelos mais comuns de termômetro é o clínico digital, que foi desenvolvido para medir a temperatura do corpo humano. Por ser mais prático, rápido, preciso e não conter mercúrio $\left(\text{Hg}\right)$, ele é utilizado com maior frequência atualmente. Esse tipo de termômetro tem um sensor térmico conectado a um circuito eletrônico. As informações sobre a temperatura são mostradas em um visor.

Professor, professora: Os símbolos dos elementos químicos e as fórmulas químicas das substâncias serão apresentadas na primeira ocorrência, por capítulo.

Além do termômetro clínico citado, existem outros tipos que são utilizados conforme a necessidade e considerando a faixa de temperatura que se quer medir. Observe alguns desses termômetros a seguir.

O termômetro de álcool (foto A) pode ser usado para medir a temperatura ambiente, por exemplo. Note que ele pode medir temperaturas de $-30°\text{C}$ a $50°\text{C}$. Alguns termômetros digitais infravermelhos (foto B) podem medir temperaturas de até $1.600°\text{C}$, sendo utilizados para fins médicos, culinários e industriais, entre outras finalidades. Já no termômetro digital culinário (foto C), há uma haste comprida que permite verificar a temperatura no interior dos alimentos que estão sendo preparados.

Questão 7. Qual é a temperatura aproximada indicada no termômetro da foto A?

Resposta: O termômetro está marcando a temperatura aproximada de $20°\text{C}$ e de $68°\text{F}$.

Ao observar o termômetro de álcool da página anterior, você deve ter notado que ele permite a leitura do valor da temperatura em duas unidades de medida diferentes: graus Celsius $\left(°\text{C}\right)$ e graus Fahrenheit $\left(°\text{F}\right)$.

Diferentes escalas, como a Celsius e a Fahrenheit, foram criadas para medir temperatura. Elas tiveram origem nos termômetros desenvolvidos pelo astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744) e pelo físico polonês Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), respectivamente.

Atualmente, a maioria dos países do mundo, incluindo o Brasil, utiliza a escala Celsius, porém, alguns países de língua inglesa, como os Estados Unidos, utilizam a escala Fahrenheit. Existe também uma terceira escala termométrica, que é adotada pela comunidade científica como unidade-padrão do Sistema Internacional de Unidades (SI), a escala Kelvin.

Observe a seguir a comparação entre as escalas Celsius, Kelvin e Fahrenheit, a partir dos pontos fixos da água: temperatura de solidificação e temperatura de ebulição, ao nível do mar.

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 338.

Conversão entre as escalas termométricas

Em alguns casos, é necessária a conversão entre uma escala e outra. Por exemplo, considere dois termômetros, um graduado na escala Celsius e outro, na escala Kelvin, e perceba a relação que permite que essa conversão ocorra.

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 338.

Como as retas tracejadas expostas no esquema são paralelas, podemos relacionar essas unidades de medida da seguinte maneira:

em que:

• $T_{\text{C}}$ é a temperatura na escala Celsius;
• $T_{\text{K}}$ é a temperatura na escala Kelvin.

Agora, analisaremos um exemplo de conversão.

A superfície do Sol tem uma temperatura de, aproximadamente, $6.000\text{K}$. Qual é o valor equivalente a essa temperatura na escala Celsius?

Dados:

$T_{\text{K}}=6.000\text{K}$

$T_{\text{C}}=?$

Resolução:

Substituindo na equação, temos:

$T_{\text{C}}=T_{\text{K}}-273\Rightarrow T_{\text{C}}$$=6.000-273\therefore T_{\text{C}}=5.727°\text{C}$

Conclusão:

Na escala Celsius, a temperatura da superfície do Sol é $5.727°\text{C}$.

O mesmo procedimento pode ser feito comparando termômetros graduados nas escalas Celsius e Fahrenheit, o que nos permite obter uma equação de conversão entre essas escalas.

Trocas de calor

Leia a situação a seguir.

Antes de sair para um passeio com seus familiares, Fábio encheu uma garrafa com água gelada. Como estava prestando atenção às paisagens durante o passeio, ele se esqueceu de tomar a água. Quando foi tomar a água da garrafa, percebeu que ela estava à temperatura ambiente.

Questão 8. Explique por que ocorreu variação na temperatura da água que estava dentro da garrafa de Fábio.

Resposta: A água que estava dentro da garrafa recebeu energia térmica (calor) do ambiente até que ambos ficassem com a mesma temperatura, atingindo um equilíbrio. A água recebeu energia térmica, pois estava a uma temperatura menor do que a temperatura do ambiente.

Na situação vivenciada por Fábio, ocorreu uma troca de calor entre o ar atmosférico e a água no interior da garrafa, até que as temperaturas de ambos ficassem idênticas. A transferência de calor entre dois corpos ocorre apenas quando eles têm temperaturas diferentes, pois o calor é transferido de modo espontâneo do corpo de maior temperatura – no caso, o ar atmosférico – para o corpo de menor temperatura – no caso, a água gelada –, até que ambos fiquem com a mesma temperatura. Essa situação é chamada equilíbrio térmico.

A troca de calor pode ocorrer de três maneiras: por condução, por convecção ou por irradiação térmica. Estudaremos cada uma delas a seguir.

Condução

Por exemplo, quando você segurou a lata de alumínio com a mão, durante a atividade realizada na seção Vamos praticar, provavelmente você teve a sensação de que esse objeto estava com temperatura menor do que a do seu corpo.

Essa sensação é resultado da troca de calor entre o objeto e a pele de sua mão. A troca de calor nessa situação acontece por condução, e esse processo ocorre, sobretudo, entre os corpos sólidos.

Questão 9. Explique por que nossas mãos ficam aquecidas quando seguramos uma caneca com bebida quente.

Resposta: Parte do calor da bebida quente é transferida à caneca, tornando-a com temperatura mais elevada que a das nossas mãos. Como esse objeto e as mãos apresentam temperaturas diferentes, há troca de calor entre eles. As mãos, então, recebem o calor da caneca por condução, ficando aquecidas.

Para compreender melhor como ocorre a propagação de calor por condução, considere a situação a seguir.

Colher de metal inserida no alimento recém-preparado em uma panela (imagem A) e representações da agitação dos átomos do metal em diferentes regiões da colher: na região em contato com o alimento (imagem B) e na região afastada do alimento (imagem C).

Fonte de pesquisa: TREFIL, James; HAZEN, Robert Miller. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 1. p. 250.

O alimento recém-preparado dentro da panela (imagem A) está com temperatura maior do que a da colher de metal. Portanto, a parte da colher que fica em contato com esse alimento (imagem B) recebe energia térmica^✚.

Energia térmica:

energia associada ao movimento dos átomos e das moléculas que compõem os materiais. Esse movimento está relacionado à temperatura dos corpos.^↰

A energia térmica recebida aumenta a intensidade da vibração dos átomos do metal que compõem a colher que está em contato com o alimento recém-preparado, aumentando a temperatura da colher nessa parte. Esses átomos, por sua vez, chocam-se com os átomos vizinhos, cedendo-lhes energia térmica. Esse processo ocorre sucessivamente e leva à propagação do calor da parte da colher em contato com o alimento (B) até a extremidade do cabo, região afastada do alimento (C).

Na condução, como explicado na situação da colher de metal, o calor se propaga por meio do choque entre os átomos ou moléculas com vibração mais intensa e os átomos ou moléculas com vibração menos intensa, quando estão próximos uns dos outros.

Bons e maus condutores de calor

Os objetos são feitos de diferentes materiais. Mas será que todos eles se comportam da mesma maneira ao propagar calor por condução? Para responder a essa pergunta, desenvolveremos a atividade sugerida a seguir.

Após concluir a atividade da seção Vamos praticar, você deve ter percebido que o cubo de gelo colocado em cima do objeto de metal derreteu mais rapidamente do que o que foi colocado sobre o objeto de madeira. Isso acontece porque os metais conduzem calor com maior facilidade do que a madeira, ou seja, o objeto metálico possibilitou a troca de calor entre o cubo de gelo e o objeto com uma facilidade maior do que entre o gelo e o objeto de madeira.

Materiais com facilidade para conduzir calor, como o ferro, o aço, o alumínio e o cobre, são chamados bons condutores de calor. Já os materiais que demonstram dificuldade em conduzir calor, por exemplo, a madeira, a baquelite^✚, a cerâmica e o vidro, são conhecidos como maus condutores de calor.

Baquelite:

resina sintética plástica utilizada na fabricação de objetos, como cabos de panela e caixas de aparelhos eletrônicos.^↰

Existem também os materiais com condutividade térmica muito baixa, os chamados isolantes térmicos. Por exemplo, o poliestireno expandido, utilizado em caixas térmicas.

Convecção

Observe as imagens a seguir.

Questão 10. Por que aquecedores são instalados na parte inferior de um ambiente ou sobre o chão, enquanto condicionadores de ar, utilizados na função frio, são instalados próximo ao teto dos ambientes?

Resposta nas orientações ao professor.

Como você deve ter observado nas imagens, em geral, os aquecedores de ar são instalados na parte inferior de um ambiente, já os condicionadores de ar são instalados na parte superior. Essa diferença na posição da instalação desses aparelhos está relacionada ao movimento e à temperatura do ar atmosférico nos ambientes em que esses esquipamentos são instalados.

Por exemplo, quando o ar atmosférico é aquecido (imagem A), as moléculas que o compõem se movimentam mais rapidamente, afastando-se. Com isso, a massa de ar passa a ocupar um volume maior e torna-se menos densa. A menor densidade resulta na subida dessa massa de ar no ambiente, ocupando o lugar da massa de ar que tem a temperatura menor e que, então, move-se para baixo.

Quando o ar atmosférico é resfriado pelo condicionador de ar (imagem B), as moléculas que o compõem se movimentam de maneira mais lenta, ficando mais próximas umas das outras. Com isso, a massa de ar ocupa um volume menor e torna-se mais densa. A maior densidade resulta na descida dessa massa de ar no ambiente, ocupando o lugar da massa de ar cuja temperatura é mais elevada, que se move, então, para cima.

Esse movimento de subida e descida do ar atmosférico, gerado pela diferença de temperatura e densidade, cria as chamadas correntes de convecção.

Assim, tanto o aquecimento quanto o resfriamento do ar atmosférico estão relacionados à propagação de calor por meio da convecção. Esse tipo de propagação de calor ocorre em gases e líquidos e se caracteriza pela movimentação dos átomos e/ou das moléculas que compõem esses fluidos^✚, que estão em diferentes temperaturas.

Fluido:

qualquer substância capaz de fluir, por exemplo, os líquidos e os gases.^↰

Observe a seguir como ocorre a propagação de calor por meio da convecção quando um líquido, neste caso, a água, é colocado em uma panela para ser aquecido.

Representação da propagação de calor por convecção: no início do aquecimento da água (imagem A) e após determinado tempo de aquecimento (imagem B). Na imagem B, as setas representam as correntes de convecção.

Fonte de pesquisa: TREFIL, James; HAZEN, Robert Miller. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 1. p. 251.

A. Ao colocar uma panela com água sobre a chama de um fogão, durante certo período de tempo, a temperatura desse líquido aumenta. Esse aumento de temperatura ocorre em razão da condução de calor da chama do fogão para o fundo da panela e deste para a água que está próxima a esse fundo. Com o aumento da temperatura, as moléculas de água próximas a ele (1) se agitam rapidamente e se afastam, tornando essa porção do líquido menos densa do que o restante da água, que apresenta menor temperatura e ocupa a porção superior da panela (2).

B. Ao tornar-se menos densa, a água aquecida próxima ao fundo da panela (3) sobe para a parte superior da panela (4), ocupando o espaço da água mais densa, que, por sua vez, desce em direção ao fundo da panela (3). Como a água com menor temperatura é aquecida quando chega ao fundo, cria-se um processo cíclico.

A propagação de calor por convecção é responsável por diversos fenômenos do cotidiano, como as correntes marítimas e as movimentações de massa de ar quente e frio na atmosfera.

Irradiação

A propagação de calor também pode ocorrer por meio da irradiação, como é o caso, por exemplo, da transferência de calor da fogueira para a carne durante o churrasco de chão.

Para entender melhor como ocorre esse tipo de propagação de calor, consideraremos que todo corpo que tem temperatura acima do zero absoluto ($0\text{K}$ - zero Kelvin) emite energia na forma de ondas eletromagnéticas. Nas faixas de temperatura comuns no cotidiano, os corpos emitem, sobretudo, radiação infravermelha e, quanto maior a temperatura do corpo, maior é a intensidade dela.

A radiação infravermelha emitida por um corpo, por exemplo, a fogueira, pode atingir outro corpo – no caso, a carne – e provocar seu aquecimento. Esse processo de transferência de calor é chamado irradiação. Como a propagação de calor por irradiação ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, não é necessário qualquer meio material para que essa propagação aconteça. Assim, a irradiação de calor também ocorre no vácuo. É dessa maneira que a radiação solar chega à Terra.

Trocas de calor e objetos do dia a dia

Conhecendo como ocorrem as trocas de calor entre os corpos, o ser humano produziu objetos que diminuem essas trocas com o ambiente, conservando a temperatura de seu interior. Um exemplo é a garrafa térmica. Observe a seguir como ela funciona.

1. A tampa da garrafa térmica tem um sistema de vedação para evitar trocas de calor por correntes de convecção com o ambiente.

2. A porção central da garrafa térmica tem superfície espelhada, tanto na parte interna quanto na externa. Essas superfícies refletem as ondas de calor, diminuindo as trocas de calor por irradiação, tanto do líquido com o ambiente quanto do ambiente com o líquido.

3. As laterais das garrafas térmicas são constituídas por parede dupla de material isolante térmico, geralmente o vidro. Todo o ar entre essas paredes é retirado para evitar a troca de calor por convecção e por condução.

Fonte de pesquisa: GREF. Física 2: física térmica, óptica. 5. ed. São Paulo: Edusp, 2007. p. 77.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. No caderno, copie a frase substituindo corretamente cada letra destacada no texto por uma das palavras a seguir.

Resposta: A: equilíbrio térmico; B: temperatura; C: calor; D: maior; E: menor; F: irradiação.

calor

maior

equilíbrio térmico

temperatura

menor

irradiação

Dizemos que dois corpos estão em A quando têm a mesma B. Para isso, é necessário que haja transferência de C do corpo de D temperatura para o de E temperatura. Essa transferência pode ocorrer por condução, convecção e F.

2. Observe nas imagens a seguir que as partículas que constituem os corpos A e B apresentam diferentes estados de agitação.

Representação das partículas (esferas vermelhas) dos corpos A e B, em estados de agitação diferentes.

a) Qual dos corpos tem a maior medida de temperatura? Justifique sua resposta.

Resposta: O corpo A. Isso porque a temperatura é a grandeza que mede o grau de agitação das partículas. Assim, aquelas que se encontram em estado de maior agitação apresentam também maior temperatura.

3. Considere dois copos, A e B, contendo água com temperaturas de $25°\text{C}$ e $50°\text{C}$, respectivamente. Com base nisso, julgue as afirmativas a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas em seu caderno.

I ) O copo A tem menor quantidade de calor do que o copo B, pois sua medida de temperatura é menor.

II ) As moléculas de água do copo B têm maior energia cinética do que as do copo A, pois sua temperatura é maior.

III ) Se os dois copos forem aproximados um do outro, ocorrerá troca de calor entre eles.

IV ) Se os dois copos forem aproximados um do outro, a água do copo B cederá temperatura à água do copo A.

Resposta: I. Falsa. Menor temperatura corresponde ao menor grau de agitação das moléculas de água. II. Verdadeira. III. Verdadeira. IV. Falsa. Se os copos forem aproximados, a água do copo B cederá energia térmica para a água do copo A, com isso, a temperatura do copo B diminuirá e a do copo A aumentará, pois haverá troca de calor entres eles.

4. A enfermeira posiciona o termômetro digital na axila de um paciente e aguarda um determinado intervalo de tempo para ler a temperatura no visor do equipamento.

a) Por que é necessário que a enfermeira aguarde um intervalo de tempo para medir a temperatura corporal do paciente?

Resposta nas orientações ao professor.

b) Seria correto se a enfermeira apenas colocasse a mão na testa do paciente para conferir se ele está com febre? Justifique sua resposta.

Resposta: Não seria adequado, pois a sensação térmica não mostrará a temperatura corporal exata do paciente, uma vez que a enfermeira apenas sentirá a troca de calor entre a testa e sua mão.

5. Em seu passeio de férias pelos Estados Unidos, Joana não se sentiu bem e precisou ir ao médico. Ao verificar a temperatura corporal de Joana, o médico constatou que ela estava com $100,4°\text{F}$. Responda aos itens a seguir.

a) Deduza a fórmula de conversão entre as unidades termométricas Celsius e Fahrenheit.

Resposta nas orientações ao professor.

b) A febre caracteriza-se pela elevação da temperatura corporal acima de $37°\text{C}$. Considerando essa informação, Joana está com febre? Justifique sua resposta.

Resposta nas orientações ao professor.

6. Observe a foto do aquecedor solar.

a) Durante o funcionamento de um aquecedor de água solar, ocorre transferência de calor por irradiação e também por convecção. Faça uma pesquisa e escreva em seu caderno o principal tipo de transferência de calor que ocorre nas duas estruturas indicadas na foto.

Resposta: Coletor solar: transferência de calor por irradiação; reservatório térmico: transferência de calor por convecção.

b) Explique uma característica que os materiais da parte interna das paredes do reservatório térmico devem ter.

Resposta: Espera-se que os alunos citem que esses materiais devem ser maus condutores de calor para evitar a perda de calor para o ambiente, por meio da condução.

Quantidade de calor

Estudamos anteriormente que, se houver uma diferença de temperatura entre os corpos, ocorre a transferência de energia térmica do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Estudamos também que essa energia térmica em transferência se chama calor. Mas será que a massa de um corpo influencia na quantidade de calor que devemos fornecer para elevar a temperatura dele?

Para responder a essa questão, analisaremos o experimento a seguir.

Marina colocou $2\text{L}$ de água em uma panela (A) e $1\text{L}$ de água em outra (B), ambas à temperatura ambiente e posicionadas em um mesmo fogão. Em seguida, ela acendeu as chamas do fogão, ao mesmo tempo, a fim de verificar em qual delas a água entraria em ebulição primeiro.

Questão 11. Considerando que as duas chamas do fogão fornecem a mesma quantidade de calor, em qual das panelas a água entrará em ebulição primeiro? Justifique sua resposta.

Resposta: Na panela B. Por ter menor quantidade de moléculas, $1\text{L}$ de água entrará em ebulição primeiro do que $2\text{L}$, pois quanto menor a quantidade de moléculas, menor a quantidade de calor que deve ser fornecida para aumentar o estado de agitação delas.

Para a situação apresentada, foi necessário transferir quantidades de calor distintas para a água das panelas A e B entrar em ebulição. A panela com mais água (A) tem maior quantidade de moléculas; consequentemente, precisou receber maior quantidade de calor para aumentar o estado de agitação de suas moléculas até que a água entrasse em ebulição. Já a panela contendo menos água (B) tem menor quantidade de moléculas; consequentemente, precisou receber menor quantidade de calor para aumentar o estado de agitação de suas moléculas, até que a água entrasse em ebulição.

Com isso, podemos concluir que a massa da matéria influencia a quantidade de calor necessária para alterar o estado de agitação de suas moléculas.

A unidade de medida de calor no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule $\left(\mathrm{J}\right)$. No entanto, é muito comum encontrarmos a unidade caloria $\left(\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\right)$, definida como a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de 1 grama de água em $1°\text{C}$. A caloria é uma unidade de medida geralmente utilizada na área de nutrição para medir a quantidade de energia que os alimentos podem fornecer ao corpo humano. Além dessa, frequentemente também nos deparamos com a unidade quilocaloria $\left(\mathrm{k}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\right)$, que equivale a $1.000\text{cal}$.

Além da massa da matéria, a transferência de calor é influenciada por outra característica dos materiais: o calor específico. Vamos estudá-lo a seguir.

Calor específico

Outra característica dos materiais é o calor específico. Para iniciar o estudo desse assunto, considere a situação a seguir.

Mauro colocou $1\text{kg}$ de areia em uma bacia (A) e $1\text{L}$ de água em outra (B), correspondente à massa de $1\text{kg}$ de água. Depois, ele colocou as duas bacias, ao mesmo tempo, em um mesmo local, para que ambas recebessem luz solar diretamente, por aproximadamente 50 minutos. Após esse tempo, usando um termômetro, Mauro verificou a temperatura da areia e a temperatura da água e percebeu que a areia apresentava maior temperatura.

Questão 12. Se, após o experimento, Mauro colocar as bacias em um local que não recebe luz solar diretamente, em qual desses materiais (areia e água) a temperatura diminuirá mais rapidamente?

Resposta: A temperatura da areia diminuirá mais rapidamente do que a da água.

Como você deve ter percebido no resultado obtido no experimento de Mauro, sob as mesmas condições, a areia apresentou maior temperatura que a água, mesmo que ambos os materiais tenham recebido a mesma quantidade de calor. Isso ocorreu porque alguns materiais têm maior facilidade de receber ou ceder energia térmica do que outros. A medida da capacidade de cada material absorver e ceder energia é conhecida como calor específico (c).

A unidade de medida usual do calor específico é $\text{cal/g}\cdot °\text{C}$, lida "caloria por grama vezes graus Celsius". A água apresenta calor específico de $1\text{cal/g}\cdot °\text{C}$. Assim, em pressão atmosférica constante, a quantidade de calor necessária para que $1\text{g}$ de água varie sua temperatura em $1°\text{C}$ é de $1\text{cal}$.

Podemos calcular o calor específico usando a seguinte equação.

em que:

• c é o calor específico do material;
• Q é a quantidade de calor recebida ou cedida;
• m é a massa do material;
• $\mathrm{\Delta }T$ é a variação de temperatura do material.

Analise a seguir um exemplo.

Qual é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de $200\text{g}$ de água líquida de $20°\text{C}$ para $80°\text{C}$? Considere o calor específico da água igual a $1\text{cal/g}\cdot °\text{C}$.

Dados:

$m=200\text{g}$

$T_{\text{i}}=20°\text{C}$

$T_{\text{f}}=80°\text{C}$

$c_{\text{água}}\text{=}\text{1 cal/g}\cdot °\text{C}$

$Q=\text{?}$

Resolução:

Calculando a variação de temperatura da água, temos:

$\mathrm{\Delta }T=T_{\text{f}}-T_{\text{i}}$

$\mathrm{\Delta }T=80°\text{C}-20°\text{C}$

$\mathrm{\Delta }T=60°\text{C}$

Calculando o calor necessário para variar a temperatura da água em $60°\text{C}$, temos:

$c=\frac{Q}{m\cdot \mathrm{\Delta }T}\Rightarrow 1=\frac{Q}{200\cdot 60}\therefore Q=12.000\text{ cal}$

Conclusão:

A quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de $200\text{g}$ de água de $20°\text{C}$ para $80°\text{C}$ é $12.000\text{cal}$.

Calor latente

Estudamos que, se um corpo receber ou ceder energia na forma de calor, sua temperatura apresentará variação. Essa quantidade de calor responsável por variar a temperatura dos corpos é denominada calor sensível.

Questão 13. Quando um corpo troca energia na forma de calor sem apresentar variação de temperatura? Converse com um colega sobre o assunto.

Resposta: Espera-se que os alunos mencionem que a troca de calor sem causar variação de temperatura ocorre quando o corpo está mudando de estado físico.

Ao receber ou ceder certa quantidade de calor, o material pode sofrer uma variação de temperatura ou uma mudança de estado físico. O gráfico a seguir representa os valores da temperatura da água registrados em um experimento, no qual certa quantidade de gelo, que estava a $-20°\text{C}$, recebeu calor até passar completamente para o estado físico líquido.

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 330.

Questão 14. O que aconteceu com a temperatura da água nos intervalos I e II do gráfico?

Resposta: No intervalo I do gráfico, a temperatura da água aumentou até atingir $0°\text{C}$. No intervalo II, a temperatura permaneceu constante.

Ao analisar o gráfico, podemos perceber que, ao receber calor, a temperatura da água no estado físico sólido (gelo) aumenta. Conforme a temperatura se eleva, o estado de agitação de suas moléculas também aumenta e, ao atingir $0°\text{C}$, ao nível do mar, ocorre o processo de fusão. Durante esse processo, a temperatura da água permanece constante até que toda a água no estado físico sólido, contida no recipiente, passe para o estado físico líquido. Durante esse período, mesmo recebendo calor, a temperatura da água permanece constante.

A quantidade de calor necessária para mudar o estado físico de um material, sem haver alteração de temperatura, é chamada calor latente ou calor de transformação.

Podemos calcular o calor latente de um material por meio da equação a seguir.

em que:

• L é o calor latente do material para determinada mudança de fase;
• Q é a quantidade de calor cedida para o material ou absorvida por ele;
• m é a massa do material.

A unidade de medida do calor latente é $\text{cal/g}$ (lê-se "caloria por grama").

O calor latente não é o mesmo para todos os materiais e também varia de acordo com a mudança de estado físico da matéria. A água, por exemplo, tem calor latente de fusão de $80\text{cal/g}$ e calor latente de ebulição de $540\text{cal/g}$.

A pressão também influencia a temperatura de mudança de estado físico dos materiais. Neste tópico, consideraremos que os experimentos foram realizados ao nível do mar e a uma pressão constante. Confira a seguir um exemplo.

Qual é o valor do calor latente de ebulição da água, considerando que é necessário fornecer $54.000\text{cal}$ para transformar $100\text{g}$ de água totalmente em vapor?

Dados:

$Q=54.000\text{cal}$

$m=100\text{g}$

$L=\text{?}$

Resolução:

$L=\frac{Q}{m}\Rightarrow L=\frac{54.000}{100}\therefore L=540\text{ cal/g}$

Conclusão:

O calor latente de ebulição da água é $540\text{cal/g}$, ou seja, cada grama de água líquida precisa de 540 calorias para passar completamente para o estado físico gasoso, ao nível do mar.

Dilatação térmica

Na construção de viadutos e pontes, por exemplo, é comum notarmos espaços entre cada uma das partes do concreto, como mostrado na foto a seguir.

Questão 15. Por que é necessário deixar espaço entre as partes de concreto de um viaduto?

Resposta: Esse espaço é necessário para evitar danos à construção, resultantes da dilatação ou da contração do concreto, que ocorre devido à variação de temperatura.

Questão 16. O que ocorre na estrutura de um viaduto ou de uma ponte em um dia de verão, com temperatura elevada?

Resposta: As partes de concreto recebem calor e, consequentemente, dilatam, aumentando seu volume.

Questão 17. O que pode ocorrer se não houver espaços entre as partes de concreto nesse tipo de ponte ou viaduto?

Resposta: Caso não haja esses espaços, as partes de concreto empurrarão umas as outras, provocando rachaduras nas construções e danificando-as.

Quando a temperatura de um corpo varia, ele pode se dilatar ou se contrair. A dilatação térmica geralmente ocorre se um corpo receber calor. Nesse caso, suas dimensões aumentam, resultando no aumento de volume. Se um corpo ceder calor, provavelmente haverá a contração térmica, resultando na diminuição do seu volume.

Por exemplo, quando o concreto recebe calor, elevando sua temperatura, a intensidade das vibrações das partículas que o compõem também aumenta. Com isso, a força das ligações químicas entre essas partículas diminui, aumentando a distância entre elas, o que resulta no aumento do volume do concreto.

No entanto, se o concreto ceder calor ao ambiente, a intensidade das vibrações das partículas que o compõem diminui. Nesse caso, a distância entre essas partículas também é reduzida, provocando a diminuição do volume do concreto.

Portanto, em razão da dilatação térmica ou da contração térmica do concreto, é necessário haver um espaço entre as partes dele, como você verificou na foto, pois, assim, elas não se empurrarão ao se dilatarem, o que evitaria as rachaduras, por exemplo.

Na construção de ferrovias, também há dilatação térmica. Como as barras de ferro podem se dilatar ou se contrair, os trilhos são construídos com espaços entre eles.

Alguns materiais se dilatam mais do que outros, mesmo quando são submetidos à mesma variação de temperatura. Objetos de cobre, por exemplo, sofrem maior dilatação do que objetos de vidro. Essa característica deve sempre ser levada em consideração no momento de escolher o material com que será confeccionado determinado objeto ou que será utilizado em uma construção, por exemplo. Existem casos em que a dilatação ou a contração dos materiais pode prejudicar o funcionamento ou danificar a estrutura do respectivo equipamento.

Como observamos, o estudo da dilatação térmica é essencial para os engenheiros da construção civil, por exemplo. Baseados nesses conceitos, os engenheiros estabelecem as folgas nas estruturas de prédios, pontes e casas, a fim de evitar que a dilatação e a contração as danifiquem.

Além das construções civis, em várias outras situações do cotidiano os efeitos da dilatação e da contração térmica devem ser considerados para evitar danificações quando a temperatura das estruturas variar.

Por exemplo, os fios e os cabos condutores que ligam os postes de energia elétrica não são esticados ao serem instalados. Para evitar danos referentes aos efeitos da dilatação térmica, os fios apresentam uma curvatura entre um poste e outro.

Máquinas térmicas

Questão 18. O que ocorre com a gasolina de um automóvel durante o funcionamento de seu motor?

Resposta: A gasolina entra em combustão no motor do automóvel, transformando a energia química do combustível em energia mecânica.

As máquinas térmicas são dispositivos construídos para converter parte da energia na forma de calor em trabalho^✚.

Glossário

Os motores a combustão fazem os automóveis se deslocarem ao transformar parte da energia da queima do combustível em energia mecânica. Por isso, o motor a combustão é um exemplo de máquina térmica.

O matemático e físico grego Heron de Alexandria, que viveu por volta de 10 d.C., idealizou uma máquina térmica chamada eolípila. Ela era formada por uma pequena esfera de cobre contendo água em seu interior e dois canos torcidos em forma de "L". Posicionadas sobre o fogo, a esfera e a água recebiam calor. Assim, quando a água entrava em ebulição, o vapor saía pelos canos torcidos, fazendo a esfera girar e produzir trabalho.

Em 1698, o engenheiro inglês Thomas Savery (1650-1715) desenvolveu uma máquina a vapor que retirava água dos poços de minas de carvão. Essa foi a primeira máquina térmica que despertou o interesse industrial. Contudo, como utilizava vapor à alta pressão, havia um grande risco de explodir. Além disso, ela tinha um rendimento muito baixo, necessitando da queima de uma grande quantidade de carvão mineral.

Para evitar a explosão e melhorar o desempenho da máquina a vapor de Savery, por volta de 1712, o inventor inglês Thomas Newcomen (1664-1729) idealizou uma máquina térmica que se tornou um sucesso durante o século XVIII. Essa máquina também usava carvão mineral em seu funcionamento.

Confira a seguir as máquinas criadas por Savery e Newcomen.

Estudando a máquina de Thomas Newcomen, o fabricante escocês de instrumentos James Watt (1736-1819) procurou maneiras para aumentar a eficiência das máquinas térmicas utilizando menos combustível (carvão mineral). Em 1765, Watt desenvolveu uma máquina com um condensador que diminuía as perdas de calor. Assim, ela foi utilizada para movimentar moinhos e tornos, além de ter grande aceitação na indústria.

As máquinas térmicas passaram também a ser utilizadas na locomoção. Em 1804, o inventor inglês Richard Trevithick (1771-1833) desenvolveu uma locomotiva a vapor.

Esse tipo de locomotiva se espalhou pelo mundo e era composto de três partes: caldeira, que produzia o vapor; máquina térmica, que transformava o vapor em trabalho; carroceria, que carregava pessoas e carga e também os combustíveis, madeira ou carvão mineral.

No Brasil, essas locomotivas ficaram conhecidas como "Maria-Fumaça", por causa da grande quantidade de vapor e fuligem que expeliam pela chaminé.

Durante o século XIX e início do século XX, os motores a vapor foram utilizados nos automóveis. Ainda hoje existem máquinas a vapor, por exemplo, em turbinas de certos tipos de usinas elétricas, como as termelétricas e as termonucleares.

Novas tecnologias e possíveis impactos na sociedade e no meio ambiente

Questão 19. Quais foram os impactos do desenvolvimento das máquinas térmicas na vida das pessoas? Converse com os colegas sobre o assunto.

Resposta: Os alunos podem mencionar que um dos pontos positivos foi construir máquinas capazes de produzir objetos em larga escala, colaborando para a Revolução Industrial. No entanto, o ponto negativo corresponde ao impacto no meio ambiente, desde o aumento da extração de matéria-prima até a poluição causada pela emissão de gases na atmosfera.

As máquinas térmicas proporcionaram vários benefícios econômicos, sociais e culturais para os seres humanos, pois foram fundamentais para melhorar os meios de locomoção, aumentar a produção das indústrias e gerar energia elétrica, por exemplo.

Além disso, as máquinas térmicas desencadearam diversas mudanças na maneira como os trabalhos eram organizados e executados. Até o final do século XVII, por exemplo, a maior parte dos produtos era fabricada por artesãos.

As inovações tecnológicas, entre elas o desenvolvimento das máquinas térmicas, contribuíram para substituir a força humana e a de outros animais por máquinas a vapor em diversas atividades.

A indústria têxtil foi um segmento que sofreu diversas modificações resultantes do desenvolvimento de novas tecnologias, aprimorando as máquinas utilizadas a fim de aumentar seu rendimento e precisão na produção. Consequentemente, necessitava-se de menos trabalhadores e os produtos eram confeccionados com mais qualidade e rapidez.

Com o uso da energia elétrica, as indústrias aumentaram sua produtividade, dando início à produção em larga escala. O mesmo aconteceu na indústria têxtil que, embalada pelas novas tecnologias de automação, criou novos meios de produção, exigindo menor quantidade de trabalhadores e produzindo uma variedade de tecidos com diferentes matérias-primas.

O desenvolvimento da indústria têxtil não contribuiu apenas para alterar o modo de produção, mas também o modo de consumo das pessoas.

A sua relevância econômica expandiu as maneiras de explorar os recursos naturais, além disso, criou a própria indústria da moda.

Em outros ramos, como na indústria alimentícia e automobilística, também houve grandes avanços tecnológicos, como as novas técnicas e os novos materiais na produção de determinados itens.

Por exemplo, a tecnologia automotiva corresponde a um conjunto de fatores responsáveis pelos grandes avanços da área. Atualmente, os automóveis contam com uma série de atributos importantes, tanto para as pessoas que os utilizam como para o meio ambiente.

Para que toda a tecnologia automotiva fosse possível, o avanço na própria produção do automóvel contribuiu para desenvolver novas peças, novos processos, novos materiais e novas máquinas industriais.

O desenvolvimento tecnológico não impacta apenas a sociedade como também o meio ambiente. Desde a Revolução Industrial até a sociedade atual, foi necessária grande quantidade de energia para executar as diversas atividades envolvidas na produção industrial. Muitas vezes, essa energia é obtida por meio da queima de combustíveis, principalmente de petróleo, de carvão mineral, de gás natural ou de lenha.

Esses combustíveis são obtidos diretamente da natureza, causando prejuízos ambientais durante sua extração, como a contaminação do solo e das fontes de água. Além disso, muitos desses combustíveis, como o petróleo e o carvão mineral, não são renováveis, correndo o risco de serem esgotados no ambiente.

Durante o processo de funcionamento, as máquinas térmicas liberam gases poluentes na atmosfera, que prejudicam a saúde dos seres vivos, intensificam o efeito estufa da Terra, além de causarem as chuvas ácidas.

O aumento da produção e a facilidade de distribuir bens materiais estão diretamente relacionados ao consumo exagerado, o que resulta no aumento da produção de resíduos que, muitas vezes, são descartados no meio ambiente de forma incorreta.

Confira a seguir algumas dessas máquinas térmicas e seus prejuízos ao ambiente.

Os automóveis movidos a gasolina e diesel são exemplos de máquinas térmicas usadas diariamente. Eles lançam grandes quantidades de gases poluentes no ar atmosférico.

As usinas termelétricas geram parte da energia elétrica no Brasil. Elas possuem máquinas térmicas que envolvem a queima de combustíveis fósseis, como o carvão, que liberam grandes quantidades de gases poluentes na atmosfera.

Questão 20. Ao evitar o desperdício de energia elétrica, contribuímos para diminuir os prejuízos causados pela queima de combustíveis nas termelétricas. Explique como isso é possível.

Resposta: Ao evitar o desperdício de energia elétrica, diminui-se a demanda pela sua geração, reduzindo a necessidade de utilizar as usinas termelétricas, por exemplo. Consequentemente, reduz-se a emissão de gases poluentes e também a extração de combustíveis fósseis no ambiente.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Um estudo realizado com um atleta de $70\text{kg}$ verificou que ele consome $84.000\text{J}$ de energia para correr um quilômetro em 5 minutos. Considerando que $1\text{kcal}$ equivale a aproximadamente $4.200\text{J}$, calcule quantas quilocalorias ele consumiu durante essa atividade física.

Resposta: O atleta consumiu $20\text{kcal}$. Sabendo que $1\text{kcal}$ equivale a $4.200\text{J}$, temos: $Q=84.000\text{/}4.200=20$. Logo, $Q=20\text{kcal}$.

2. Para preparar uma porção de determinada receita, é necessário aquecer $1\text{L}$ de água até sua temperatura de ebulição. Sabe-se que para ferver essa quantidade de água é necessário deixá-la em fogo alto por 10 minutos. Contudo, aumentou-se a porção da receita, aquecendo-se $2,5\text{L}$ de água, na mesma chama do fogão. Calcule o tempo necessário para essa quantidade de água sofrer a mesma variação de temperatura. Justifique sua resposta.

Resposta nas orientações ao professor.

3. Carla mora sozinha e não estava conseguindo abrir a tampa metálica de um pote de vidro. Então, uma amiga a orientou a mergulhar a tampa em água morna por alguns minutos.

a) Analise se essa dica da amiga de Carla é coerente e explique por que.

Resposta: Sim, pois, ao receber energia térmica cedida pela água aquecida, aumentará a temperatura tanto da tampa quanto do vidro. No entanto, a tampa se dilatará mais que o vidro, por ser feita de metal, facilitando a remoção da tampa do pote.

4. Ao longo do tempo, o desenvolvimento das máquinas térmicas resultou em grandes mudanças na maneira de fabricar os produtos. A automação é um exemplo disso. No entanto, também trouxe problemas para a sociedade.

a) Pesquise as vantagens e as desvantagens da automação das indústrias e monte um quadro em seu caderno organizando as informações que você coletou.

Resposta nas orientações ao professor.

b) Com base nas informações pesquisadas no item a e no quadro organizador construído em seu caderno, junte-se a um colega para gravarem um podcast em alguma plataforma digital. Por fim, compartilhe-o com os demais colegas da turma.

Resposta nas orientações ao professor.

5. Sabe-se que a quantidade de calorias diária indicada por especialistas da área de nutrição para uma pessoa adulta é de $2.500\text{kcal}$.

Considere para a água as seguintes informações: $1\text{cal/g}\cdot °\text{C}$ para o calor específico, $80\text{cal/g}$ para o calor latente de fusão e $540\text{cal/g}$ para o calor latente de ebulição.

Baseando-se nos conhecimentos acerca do calor sensível e calor latente e nas informações apresentadas, julgue as afirmativas a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas em seu caderno.

I ) Se toda a energia diária consumida por um adulto fosse usada para derreter gelo a $0°\text{C}$, seria possível derreter, aproximadamente, $31\text{kg}$ de gelo.

II ) Com a quantidade diária de energia indicada para uma pessoa adulta, seria possível aumentar a temperatura de $0°\text{C}$ para $100°\text{C}$ de $25\text{kg}$ de água.

III ) A quantidade de energia necessária para vaporizar completamente $1\text{kg}$ de água a $100°\text{C}$, corresponde à mesma quantidade de energia consumida diariamente por um adulto que cumpre a indicação dos especialistas de nutrição.

I. Resposta: Verdadeira. II. Resposta: Verdadeira. III. Resposta: Falsa. Para vaporizar $1\text{kg}$ de água são necessárias $540\text{kcal}$ de calor.

6. A imagem a seguir mostra um aparato montado por Vanessa. Observe.

a) O que acontecerá com o ponteiro alguns minutos após Vanessa acender a vela?

Resposta: O ponteiro se deslocará, deixando de indicar B e se aproximando do ponto A.

b) Explique por que isso acontecerá.

Resposta: A chama da vela cederá energia térmica à barra metálica, aumentando a temperatura dela. Isso faz com que a barra metálica sofra dilatação, aumentando seu volume e empurrando o ponteiro indicador.

c) O que acontecerá com o ponteiro alguns minutos após Vanessa apagar a vela?

Resposta: O ponteiro se movimentará em direção ao ponto B, até retornar à posição inicial.