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Calor

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Disambig.svg Este artigo trata sobre Temperatura. Vede outros significados a « Calore Irpino».
Quando o carvão queima, desprende calor graças à transformação da energia química

O calor (de símbolo Q) é uma forma de energia que se produz com o movimento cinètic das moléculas de um corpo ou partícula.

Também se pode definir como uma sensação que se experimenta ao receber directamente ou indirectamente a radiació solar, ou de aproximação a uma fonte exotèrmica.

Na física o calor define-se como o intercâmbio de energia que se produz a qualquer processo no qual o sistema não é isolado do meio e existe um gradient de temperaturas às fronteiras do sistema analisado. Não se tem de confundir o conceito de calor com o de temperatura nem também não com o de entalpia.

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Introdução ao calor

Intercâmbio de calor entre resistência e meio

O familiar experimento de juntar dois sistemas ou zonas que não estão em equilíbrio de temperaturas tem um resultado universalment conhecido: O calor flui entre ambos sistemas e quando chego ao estado final, as temperaturas dos dois serão iguais e com um valor intermedi entre as temperaturas inicial e final. O resultado é que o calor, espontàniament, flui das zonas com alta temperatura para as zonas de baixa temperatura até chegar ao equilíbrio térmico.

A começos do século XIX, define-se o conceito de calor à disciplina da Calorimetria. Esta definição poderia ser útil à actualidade se não fosse pela atribut de substância que se lhe confereix ao calor, que não está conforme com a actual definição.[1] Esta disciplina tratava principalmente com a experimentació e medida de transferências de calor mediante calorímetres e explicava-se mediante postulats a existência de uma substância denominada calòric ao interior da cada corpo. Segundo esta disciplina a matéria ir-se-ia deslocando de corpo em corpo segundo a direcção decreixent do gradient de temperaturas à cada ponto, isto é, das zonas de alta temperatura às de baixa.[2] A transferência desta substância manifestava-se com o equilíbrio de temperaturas uma vez dois corpos punham-se em contacto, de modo que o corpo que mais calor contendia ao seu interior lhe'n cedia ao outro uma quantidade determinada, de tal maneira que ao decorrer um tempo suficiente as temperaturas dos dois eram a mesma.

Ao presente, a evolução da termodinàmica formula a definição de calor que só contempla transferências deste tipo de energia entre um sistema e o seu meio quando existem diferenças de temperatura entre os dois. O que realmente é útil da definição que se mulher à calorimetria é o fato do conhecimento de uma transferência 'de algo' entre um sistema e outro. Em resum, em termos energéticos poder-se-ia definir o calor bescanviat como soma de energia transferida.

Faz falta aclarir que não é o mesmo calor que energia interna já que o calor está relacionado com a mudança da energia interna e com o trabalho do sistema isto é que o calor descreve o flux de energia e a energia interna descreve a energia interna nela mesma.

Definição de calor a termodinàmica

Por tal de dar esta definição faz falta primeiro ter presente as noções que contribuem o primeiro princípio da termodinàmica e a definição do trabalho. Uma vez explicam-se estas duas noções pode-se definir o calor como intercâmbio de energia supondo condições não adiabàtiques. A maneira de definir o calor, compreende pois as seguintes considerações:

  1. Noções sobre a selecção de sistemas termodinàmics
  2. Estudo de sistemas adiabàtics
  3. Postulat da independência do caminho necessário para chegar a um mesmo estado termodinàmic
  4. Definição do calor a sistemas não adiabàtics
Exemplo prático analisado da cuina de inducció

À hora de analisar os diferentes casos simplificats, é necessário marcar umas fronteiras ao sistema do qual faz-se a análise, já que segundo diferentes pontos de vista, as transferências com o exterior serão de calor, de trabalho ou bem nul·les. Ponhamos o exemplo de uma cuina de inducció onde se aquece água empregando um recipiente metálico. Durante o esquentamento, o recipiente será submetido a variações no campo magnético que o atravessa, gerado graças aos inductors da cuina. Se se supõe que a origem da alimentação da cuina não te perdas de energia e supondo também que os inductors da cuina não têm resistência ao passo da corrente, se ademais se supõe que as fronteiras deste sistema são isoladas tèrmicament, se tem um dispositivo ao qual o sido termodinàmic varia só graças ao trabalho magnético[3] que se consegue com a electricidade que causa o campo.

As fronteiras do sistema da cuina podem escolher-se por tal de analisar o problema desde o ponto de vista energético. Por exemplo, poder-se-ia escolher o sistema que só compreende a água contida ao recipiente, correspondendo o resto do universo ao meio por definição. Neste caso, transmite-se calor pelas paredes do sistema definido, já que a água está em contacto directo com um recipiente quente. A segunda consideração poderia ser a de incluir no sistema o recipiente, ficando como meio o resto do universo, de igual maneira que o anterior exemplo. Neste caso está-se a trabalhar sobre o sistema em vez de ter uma transmissão de calor efectivo entre as fronteiras deste. É a variação forçada do campo magnético ao qual se submete o recipiente metálico o que faz que este material ferromagnètic tenha variações internas ao seu campo, então o trabalho magnético é a única interacção que poder-se-ia considerar entre o sistema água+recipiente e o seu meio (a cuina e o resto do universo). pode-se encontrar um símil com uma resistência a.[2]

Aparelho de Joule, representando um sistema adiabàtic simples onde se supõe que não se têm ineficiències aos elementos transmissors do trabalho

Um processo denomina-se adiabàtic se as interacções entre sistema e ambiente são unicamente trabalhos exercidos por um sistema sobre o outro. Desta guisa, se supõe idealment que as fronteiras que separam o sistema analisado e o seu meio são totalmente isoladas e não se podem apreciar as possíveis diferenças de temperaturas a um lado e o outro. O anterior sistema da cuina de inducció era um exemplo de processo adiabàtic se considerava-se como sistema a água juntamente com o recipiente. Outros exemplos são o do aparelho de Joule e o de uma resistência aquecendo um recipiente com água considerando o trabalho que fornecer-lhe-ia uma fonte de alimentação.

Se considera-se a cada exemplo de processo adiabàtic exposto anteriormente poder-se-ia aplicar a cada método a mesmas quantidades de água nos mesmos recipientes, considerando também o isolamento térmico das fronteiras e partindo das mesmas condições iniciais. Fazendo este tipo de experimentos demonstrou-se que ao introduzir trabalhos iguais a um sistema, se produzem mudanças iguais no seu estado termodinàmic, já seja o fazendo por meio de diferentes processos adiabàtics ou bem graças à combinação destes. Desta guisa, chega-se à definição da primeira lei da termodinàmica:

Quando um sistema fechado se altera adiabàticament, o trabalho limpo associat com a mudança de estado é o mesmo para todos os processos possíveis entre dois estados de equilíbrio dados[4]

Que é a expressão do postulat formulado graças aos trabalhos experimentals começados por Joule em meados do século XIX.

Com esta definição viu-se a correlació unívoca entre as diferentes maneiras de realizar um trabalho e uma mudança no estado termodinàmic do sistema. Isto quer dizer que a mudança de estado não depende da trajectória ou a maneira na qual se realizo o processo adiabàtic, só depende do trabalho contribuído. Esta apreciació é interessante desde o ponto de vista de tratamento da energia interna de um sistema, que se pode definir como variable de estado, já que neste caso só dependeria de uma quantidade de energia em forma de trabalho (mais adiante ver-se-á também em forma de calor) que se transmite. Ademais, esta definição é coherent com a de função ou variable de estado:

O valor de uma função de estado só depende do sido termodinàmic actual que se encontre o sistema sem importar como chegou a ele

A energia interna E de um sistema define-se como magnitude fixada pelo trabalho adiabàtic e só dependent dos estados final e inicial do processo. De fato se considera-se a variable da mudança de energias como diferença entre dois valores desta propriedade (um inicial e outro final) tem-se a seguinte definição conforme com a primeira lei:

\Delta{E} = {E_f - E_i} \,\! \equiv W.

Onde E são as energias internas e W é o trabalho adiabàtic introduzido no sistema por qualquer meio.

O resultado destas observações é necessário para adiantar numa formulació da primeira lei que se aplico de maneira geral a sistemas fechados não necessariamente adiabàtics. Estes sistemas são mais habituais ao laboratório e à vida real, só faz falta imaginar uma cuina de gás ou uma máquina de vapor, para se fazer a ideia da existência de processos onde as diferenças térmicas entre um sistema e o seu meio tem um peso semelhante ou maior que trabalho mecânico à hora de variar o que se definiu como energia interna.

O experimentació em sistemas fechados não adiabàtics trouxe a demonstrar que se pode conseguir a mesma mudança de estado termodinàmic com uma máquina de Joule que mediante a aplicação exclusiva de diferenças de temperatura entre sistema e meio, coisa que traz a definir o que se denomina transferência de calor e também se reformula a primeira lei:[5][4]

O calor e o trabalho são os únicos mecanismos mediante os quais podemos transferir energia através das fronteiras de um sistema fechado

De igual maneira que se fez com os processos adiabàtics pela definição da energia interna, se a um sistema não adiabàtic se lhe aplica um trabalho e o sido termodinàmic muda de uma situação inicial e a um final f, se sabe que o trabalho não corresponde exactamente à energia interna já que ter-se-ão produzido transferências de calor entre sistema e meio, por isto se define calor Q transferit como:

{Q} \equiv {E_f - E_i} \,\! - {W}

De modo que Q é a diferença entre a variação de energia interna e o trabalho que se realizou sobre o sistema fechado.[4]

Esta última equació contém três ideias necessárias às que se chega à hora de definir o calor:[2]

  1. O conceito da energia interna como função de estado
  2. Princípio de conservação da energia (experimental)
  3. Definição do calor como energia ao igual que o é o trabalho

A tradução desta fórmula à maneira diferencial seria:

{\delta{Q}} \equiv {dE} \,\! - {\delta{W}}

Onde se tem de observar que a notació diferencial exacta só aplica à energia interna, já que é a única função de estado, enquanto que as outras dois magnitudes, calor e trabalho são em efeito diferencials que dependem do percurso ou caminho que se segue por tal das integrar.

Transmissão de calor

Um ferro roent, como exemplo de transmissão o calor acumulado.

A taxa de transferência de calor, ou flux de calor por unidade de tempo tem esta notació que se mede em wats :

\dot{Q} = {dQ\over dt} \,\!.

O calor pode ser transferida entre dois corpos por três mecanismos diferentes:

Capacidade calorífica

A capacidade de calor define-se como a quantidade de calor que medo ser transferida desde ou a um objecto quando a sua temperatura varia num grau. É uma característica específica da cada corpo ou substância e denomina-se calor específico quando se refere a uma unidade de quantidade como da demasiada ou o Mol.

O calor latent define-se como a quantidade de calor bescanviat durante uma mudança de fase (de líquido a sólido, de líquido a gás, etc.) este calor bescanviada depende principalmente do tipo de substância e da fase inicial e final.

Segundo a primeira lei da termodinàmica, o calor (e o trabalho) são processos que mudam a energia interna de um objecto ou uma substância. O calor é a transferência de energia com um gradient de temperatura.

Unidades de medida de calor ou energia

O calor tem dimensões de energia e a unidade do SE pelo calor é o joule (símbolo: J). Aos Estados Unidos às vezes ainda se utiliza o pé entrega-bastante (ft·lbf) ou BTU British Thermal Unido ao sistema USCS.

Tradicionalmente a quantidade de calor mede-se ainda em quilocalories que é a quantidade de calor que se tem de fornecer a um quilogram de água para elevar a sua temperatura um grau centígrad.

Uma caloria é a quantidade de calor que se tem de fornecer a uma grama de água por tal de elevar a sua temperatura um grau Celsius.

1 joule = 0,24 calories
1 caloria-quilogram = 1000 calories-grama

História

Fotografa de James Prescott Joule, principal pesquisador ao que se devem os resultados das equivalències entre trabalho e calor ao século XIX.

O entendimento de que o calor é energia trouxe muitos anos de investigação e de experimentos.

Heràclit foi o primeiro ao elaborar uma teoria do calor com a sua ideia filosòfica sobre que todo fluía e que todo era uma troca do fogo.

Francis Bacon e Robert Hooke recuperaram, ao século XVII, a noção de calor como movimento.

O 1761, Joseph Black descobriu o fato do calor latent. James Watt, inventor de uma máquina de vapor de grande sucesso, foi o seu deixeble.

Johann Becher propôs a teoria do calòric associada a um material indetectable denominado flogist. Esta teoria,durante longo tempo, foi refutada pelos experimentos de Lavosier para 1783.

Ao 1679, as observações do físico francês Denis Papin às vàlvules das cuines a pressão fazem que se proponho a ideia de motores de vapor de pistó e cilindre, supondo que o calor se pode transformar em trabalho mecânico.[faz falta citació]

Ao 1798, a Conta Rumford observou a elevació de temperatura à llimalla dos canyons perforats e deduziu que a causa da elevació de temperatura era o trabalho mecânico efectuado ao fazer os buracos. Estes experimentos trouxeram às primeiras evidências que não se estava a tratar com substância, pois existia uma relação entre o trabalho efectuado e o aumento de temperatura.[6] Num ano mais tarde, Sir Humphry Davy tentou demonstrar que dois pedaços de gelo podiam se fundir por refregament, por tal de demonstrar que o calor é outra forma de energia, mas o seu experimento foi pouco decisivo.[2]

O 1824 Sadi Carnot publicou Reflexões sobre a energia do fogo onde estabeleceu uns dos princípios da termodinàmica moderna.

A ideia de que o calor é uma forma de energia que se pode transformar em trabalho e que este se pode transformar em calor, foi rellançada ao 1839 por um engenheiro francês, Marc Séguin, ao 1842 por Robert Mayer, um médico alemão, por Ludwig Colding ao 1843, por Carl Holtzmann ao 1845 e por Gustave-Adolphe Hirn ao 1850[faz falta citació]. Mesmo assim, ainda e contando com estes trabalhos, foi decisiva a importante tarefa de James Prescott Joule que estabeleceu que o trabalho podia se converter em calor determinante que simplesmente era uma mudança na forma da energia. Este pesquisador baseou-se nos experimentos que realizou de 1840 a 1849 ao seu laboratório privado. Foi graças a estas experiências que se convenceu ao mundo das relações entre calor e trabalho, por tal de estabelecer o equivalència entre calor e trabalho.[2] O experimento de roda-a de pás de 1843 é o mais conhecido como unificador entre a natureza do trabalho e o calor. Neste experimento pendura-se um peso com um fio enrotllat ao eixo de uma roda de madeira. Esta conexão faz que a roda giro ao descer o peso, de modo que com a rotació das pás se agita um recipiente com água e como resultado, a temperatura aumenta.

Ao 1847 já se reconhecia o trabalho de Joule por parte de Hermann von Helmholtz, que aplicou as ideias de Joule à fisicoquímica e a fisiologia.[7]

Enllaços externos

Referências

  1. ↑ Thompson, William. Onde the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule’s equivalente of a Thermal Unido, and M. Regnault’s Observations onde Steam (em Inglês). 
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Zemansky, Mark. W.. Mc-Graw Hill. Calor e termodinàmica (em Castelhano (1984) e Inglês (1981)), 1981. ISBN 0-07-072808-9. 
  3. ↑ Valentí, Ros er. «3. Work, heat and the first law of thermodynamics». A: Instituto fur Theoretische Physik Universidade Frankfurt. Thermodynamics and statistical physics. 
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Wark, Keneth; Richards, Donald E.. Termodinámica (em Castelhano), 2001. 
  5. ↑ Gupta, M. C.. New Age International. Statistical Thermodynamics, 1998. ISBN 8122410669. 
  6. ↑ Thomson, Benjamin. Philosophical Transactions. Quer. XVIII, pg. 286.. An Inquiry Concerning the Source of Heat which is Excited by Friction, 1798. 
  7. ↑ Cahan, David. University of California Press. Hermann von Helmholtz and the foundations of nineteenth-century science, 1993. ISBN 0520083342. 
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