O que acontece com o corpo quando perde calor é quando ganha calor?

Calor

Sabemos, através da nossa experiência cotidiana, que dois ou mais sistemas com temperaturas diferentes colocados em contato tendem a atingir um estado de equilíbrio onde as temperaturas são iguais, o que chamamos de equilíbrio térmico. Notamos isso quando retiramos algo da geladeira e, após algum tempo, este se encontra mais quente. Ou quando misturamos duas porções de água a temperaturas distintas (uma quente e outra gelada, por exemplo) e ficamos com uma amostra de água com temperatura intermediária (água morna). Para que possamos interpretar corretamente esses fatos, precisamos lembrar que a temperatura é um valor relacionado ao valor médio da energia das partículas de um sistema.  

Desta forma, um material mais quente que outro possui mais energia térmica média. Mas, após algum tempo de interação, ao atingir o equilíbrio térmico ambos passam a ter o mesmo valor de energia térmica média! Isso pode ser explicado da seguinte forma: parte da energia do corpo mais quente flui para o corpo mais frio. A esse fluxo de energia chamaremos de CALOR. Desta forma, podemos definir o calor assim:

Calor é um fluxo de energia, ou energia em trânsito, que se manifesta quando existem dois ou mais sistemas com temperaturas diferentes e que flui, espontaneamente, dos corpos mais quentes para os mais frios, até que se atinja o equilíbrio térmico ou que a interação entre eles seja desfeita. 

Logo, calor não é algo que um corpo possua ou armazene. Um corpo quente não é um corpo que possui muito calor, mas sim um corpo com muita energia térmica média. Calor é apenas o nome da energia trocada por dois ou mais corpos.

É importante ressaltar que o nome calor também é dado à sensação corpórea, causada pelo sistema nervoso. A sensação de calor acontece quando nosso corpo recebe calor (energia), enquanto a sensação de frio é causada quando nosso corpo perde calor (energia). Desta forma, não existe a grandeza física chamada frio. Por isso, expressões do tipo: “feche a geladeira para que o frio não saia” não fazem sentido em ciência. O que acontece é que, na abertura da porta, o ambiente externo cede calor ao ar frio da geladeira, fazendo com que a sua temperatura aumente.

Quantidade de calor

Para relacionarmos um valor numérico, o qual denominaremos quantidade de calor (cujo símbolo será o Q), a esse fluxo de energia, vamos convencionar o seguinte:
Q > 0 – corpo ganha calor
Q < 0 – corpo cede calor

Além disso, precisamos observar que essa troca de energia pode acarretar dois fenômenos diferentes. Ao receber calor, por exemplo, a temperatura dos corpos tende a aumentar. Mas, para substâncias puras, quando atingidas determinadas temperaturas, o ganho de calor pode acarretar uma mudança de estado físico. Por exemplo, uma pedra de gelo a 0 ºC que começa a derreter ao receber calor do ambiente.

Como são efeitos diferentes, analisaremos os dois casos acima, de forma didática, separadamente. Mas atenção: não existem duas formas de calor! Apenas utilizaremos equações diferentes porque as consequências das trocas de calor em cada caso são diferentes.

Acreditava-se, durante muito tempo, que calor fosse um líquido que escoasse entre os corpos. Assim, como não havia a visão de calor sendo uma manifestação de energia, criou-se uma unidade para a quantidade de calor. Ela se chama caloria, cujo símbolo é o cal. A relação entre a caloria e a unidade de energia no SI, o joule, é a seguinte: 1 cal = 4,186 J

A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5 ºC para 15,5 ºC sob pressão de 1 atm.

Nos rótulos nutricionais, é muito comum encontrarmos a unidade kcal. 

1 kcal = 1,0 x 10³ cal

Calor sensível

Chamamos de calor sensível a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo quando este tem sua temperatura alterada. Seja m a massa de um objeto. Teremos:

$$$Q = m\cdot c \cdot \Delta TQ = m\cdot c \cdot \Delta T$$$

onde $$$\Delta T = T^{final} - T^{inicial}\Delta T = T^{final} - T^{inicial}$$$é a variação de temperatura do objeto e c representa o calor específico do material, uma característica da substância que forma o objeto. Sua unidade, no Sistema Internacional, é o J/kg.K. Utilizando-se unidades usuais, sua unidade seria o cal/g°C. Temos, por exemplo, para a água, o seguinte valor:  $$$c^{água}c^{água}$$$ = 1,0 cal/g ºC

Definimos a capacidade térmica (C) de um corpo como sendo a razão entre a quantidade de calor trocada pelo mesmo e a variação de temperatura sofrida. Assim:

$$$C = {Q \over \Delta T}C = {Q \over \Delta T}$$$

Sua unidade, utilizando unidades usuais, é o cal/°C. No Sistema Internacional, o J/K. 

Através da equação do calor sensível, podemos extrair o seguinte resultado:

$$$C = {Q \over \Delta T} = {m\cdot c \cdot \Delta T \over \Delta T} \Rightarrow C = m \cdot cC = {Q \over \Delta T} = {m\cdot c \cdot \Delta T \over \Delta T} \Rightarrow C = m \cdot c$$$

Logo, podemos ver que a capacidade térmica depende da massa do objeto.

Calor latente

Chamamos de calor latente a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo quando este realiza uma mudança de estado físico. Seja m a massa de um objeto. Teremos:

$$$Q = m \cdot LQ = m \cdot L$$$

onde L representa o calor latente do material, uma característica da substância que forma o objeto. Sua unidade, no Sistema Internacional, é o J/kg. Utilizando-se unidades usuais, sua unidade seria o cal/g. Temos, por exemplo, para a água, o seguinte valor:

$$$L_{fusão}L_{fusão}$$$ = 80 cal/g
$$$L_{vaporização}L_{vaporização}$$$ = 540 cal/g
$$$L_{solidificação}L_{solidificação}$$$ = -80 cal/g
$$$L_{condensação}L_{condensação}$$$ = -540 cal/g

Isso significa, por exemplo, que cada grama de gelo a 0°C necessita de 80 calorias para tornar-se água líquida a 0°C.

Exercício

(PUC-RJ) Um líquido é aquecido através de uma fonte térmica que provê 50,0 cal por minuto. Observa-se que 200 g deste líquido se aquecem de 20,0 °C em 20,0 min.

Qual é o calor específico do líquido, medido em cal/(g °C)? 

Resolução 
Potência é definida com sendo a razão entre a quantidade de energia trocada por um sistema e o intervalo de tempo para isso, ou seja:

$$$P_{ot} = {\Delta E \over \Delta t}P_{ot} = {\Delta E \over \Delta t}$$$

Neste caso, como a quantidade de energia representa a quantidade de calor, podemos escrever da seguinte forma:

$$$P_{ot} = {Q \over \Delta t}P_{ot} = {Q \over \Delta t}$$$

Assim, teremos o seguinte, utilizando os dados da questão: