O que acontece com dois sistemas em temperaturas diferentes quando são colocados em contato?

Disponível em: Khan Academy

BNCC.Ciencias: EF07CI02

A noção de calor é muito familiar, pois sentimos o calor do sol de verão, de uma sala lotada de gente ou de um carro todo fechado no sol. Mais do que isso sentimos também o calor de uma xícara de café ou de chocolate quente, o frescor das noites de verão e o gelado de um sorvete.  Mas, o que é exatamente o calor? Qual é sua definição? Qual é sua relação com a temperatura? Este artigo responde a essas questões, além de abordar o conceito de equilíbrio térmico. 

Principais pontos

• Temperatura
• Calor
• Equilíbrio térmico

Introdução

Historicamente, o conceito de calor foi um dos mais difíceis de serem construídos. Os primeiros pensadores associavam o calor ao fogo e às suas manifestações, atribuindo sempre enorme valor ao mesmo. Heráclito de Éfeso (535-470 a.C.) considerava o fogo o elemento responsável pelas transformações no universo. Empédocles (492-432 a.C.) elaborou um esquema explicativo com base nos chamados quatro elementos primordiais (água, ar, terra e fogo), relacionando o conceito de calor ao fogo. Para Aristóteles (384-322 a.C.) o frio e o quente eram propriedades fundamentais dos corpos, assim como o leve e o pesado. A associação do calor ao movimento das partículas que compõem um corpo foi feita inicialmente por Platão (427-347 a.C.). Ele acreditava que o calor do fogo fazia com que as partículas entrassem em movimento e se separassem, provocando a dilatação do corpo. Ao retirar o corpo do fogo, Platão acreditava que ocorria o efeito inverso, as partículas paravam de se mover e eram comprimidas fazendo com que o tamanho do corpo diminuísse. Hoje sabemos que o calor existe apenas quando há diferença de temperatura entre dois sistemas colocados em contato térmico. Cabe ressaltar que o contato térmico não exige necessariamente contato físico, visto que o calor se propaga pelos processos de convecção, condução e irradiação.

Figura 1: Mapa de temperaturas médias da Terra feito por observações de satélites no mês de abril de 2013. Pode-se perceber que os polos Norte e Sul são mais frios do que a região tropical. Essa diferença de temperatura na Terra é responsável pelos ventos e furacões, que nada mais são do que a troca de calor por convecção. Crédito: NASA, domínio público.

A irradiação, diferentemente da condução e convecção, não exige contato físico. É por este processo que a Terra é aquecida pelo Sol – o calor que a Terra recebe do Sol se dá pela diferença de temperatura dos mesmos.

Temperatura

O conceito de temperatura como o quão quente ou frio está um corpo não é confiável, pois as sensações térmicas, além de serem subjetivas, dependem do tipo de material que tocamos. Por exemplo, podemos guardar um pedaço de madeira e outro de metal no congelador por dias. Ambos estarão na mesma temperatura, a dada pelo congelador, lógico! Porém, ao retirarmos ambos os objetos, teremos a sensação de que a madeira estará mais quente que o metal. Isso tem relação com a capacidade de os materiais trocarem calor com corpos mais quentes ou mais frios do que eles. A sensação de calor ou frio é comparativa. Experimente colocar uma mão na água quente e a outra na água com gelo. Após alguns instantes, coloque as duas mãos em uma bacia contendo água à temperatura ambiente. A sua mão que estava na água quente sentirá que a água da bacia está fria. Já a sua mão que estava na água com gelo, sentirá a água da bacia quente.

Como podemos, então, definir o conceito de temperatura? O físico William Tohmson (conhecido como Lord Kelvin, 1824-1907), durante seus estudos do comportamento dos gases, estabeleceu que a temperatura de um corpo representa a energia média de movimento dos átomos e/ou moléculas que o constituem.Kelvin fez uma adequação da teoria de Platão, associando o não movimento ou repouso das partículas de um corpo ao zero na escala Kelvin de medição de temperaturas – o zero absoluto. Esse valor é inatingível, o que significa que os átomos e/ou moléculas estão sempre em movimento, por mais lento que ele seja.O aumento da movimentação das partículas (átomos e/ou moléculas) de um corpo está diretamente associado ao aumento da temperatura do mesmo, e vice-versa.

A temperatura é definida, então, como a medida da energia de movimento dos átomos e/ou moléculas que compõem um corpo, seja ele um sólido, líquido ou gás.

Calor

Conforme explicado, o calor é a energia térmica transferida entre dois sistemas ou corpos (sejam eles gases, líquidos ou sólidos) devido a uma diferença de temperatura existente entre eles. O calor é espontaneamente transferido do corpo que possui temperatura mais alta para o que possui temperatura mais baixa. Ou seja, ocorre transferência de calor entre partículas mais energéticas (que se movimentam mais rápido) para as menos energéticas. Assim, quando pegamos uma xícara com café quente a energia é transferida da xícara para nossa mão e, quando pegamos um copo de água com gelo, a energia é transferida da nossa mão para o copo. Ou seja, quando dois corpos estão em contato térmico, a transferência de energia ocorre sempre do mais quente para o mais frio. Só faz sentido falar em calor enquanto os corpos possuírem temperaturas diferentes entre si. Uma vez que os corpos estiverem na mesma temperatura deixa de ocorrer o fluxo de energia, ou seja, deixa de existir calor. Nessa condição dizemos que os corpos atingiram o equilíbrio térmico.

Figura 2: Esquema da troca de calor entre dois corpos com temperaturas diferentes. Crédito: Yuri ygc, domínio público.

Vamos voltar agora ao exemplo do pedaço de madeira e de metal guardados no congelador. Se ambos estão na mesma temperatura, por que ao pegá-los temos a sensação de que a madeira está mais quente e o metal mais frio?Porque a capacidade de o metal receber calor da sua mão é maior do que a capacidade da madeira. Como o metal “rouba” o calor da sua mão mais rapidamente, você tem a sensação de que ele está mais gelado. Na verdade, quando você pega o metal, a sua mão esfria mais rápido por ter cedido mais calor ao metal do que à madeira no mesmo intervalo de tempo.

O mesmo acontece quando aquecemos a mesma quantidade de duas substâncias diferentes, por exemplo, água e ferro. O ferro terá sua temperatura aumentada em muito pouco tempo, enquanto a água precisará de mais tempo para atingir a mesma temperatura alcançada pelo ferro.

Equilíbrio térmico

O equilíbrio térmico de um sistema é atingido quando todos os seus constituintes atingem o mesmo valor de temperatura e não existe troca de calor entre eles. Esse princípio é a base do funcionamento de todos os termômetros. Você já reparou que para medir a temperatura de uma pessoa coloca-se o termômetro e espera-se um tempo? Esse tempo é necessário para que o equilíbrio térmico entre seu corpo e o termômetro seja atingido, de modo que a temperatura que ele mostra seja igual à da pessoa. Isso vale para a medição da temperatura de qualquer substância (sólido, líquido ou gás) com qualquer tipo de termômetro; é preciso esperar que o sistema entre em equilíbrio térmico antes de fazer a leitura da temperatura.

Figura 3: Esquema mostrando o equilíbrio térmico entre dois corpos. Crédito: Yuri ygc, domínio público.

Referências

https://cnx.org/contents/:YFt95DxR@5/Introduction-to-Temperature-Kinetic-Theory-and-the-Gas-Laws. Acesso em: 18/09/18.http://www.educadores.diaadia.pr.gov.br/arquivos/File/2010/artigos_teses/fisica/artigos/discussao_conceitual.pdf. Acesso em: 18/09/18.http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=206&Itemid=371. Acesso em: 18/09/18.http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/calor.htm. Acesso em: 18/09/18.https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/301839/mod_resource/content/1/FisII_2015_Temperatura_Lucy_IO.pdf. Acesso em: 18/09/18.