A termologia é um da física que está presente em praticamente todos os vestibulares brasileiros. O tema estuda os fenômenos relacionados ao calor, à temperatura e às transformações térmicas que ocorrem nos corpos, permitindo compreender desde situações cotidianas, como o funcionamento de uma garrafa térmica, até processos industriais e climáticos.
Além de possuir grande aplicação prática, a termologia reúne fórmulas relativamente simples e conceitos bastante cobrados em questões conceituais e de interpretação.
Por isso, compreender seus fundamentos é essencial para resolver problemas envolvendo aquecimento, mudanças de estado físico, dilatação dos materiais e leis da termodinâmica. Leia este artigo para saber mais!
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Conceitos fundamentais de termologia
A termologia é a área da física responsável pelo estudo dos fenômenos relacionados à energia térmica. Ela analisa como o calor é transferido entre os corpos, como a temperatura varia e quais efeitos essas variações produzem.
Todo corpo é constituído por átomos e moléculas em constante movimento. Quanto maior for a agitação dessas partículas, maior será sua energia cinética média e, consequentemente, maior será sua temperatura. Entre os principais conceitos estão:
- Sistema: parte do universo que está sendo estudada;
- Meio externo: tudo aquilo que está fora do sistema;
- Equilíbrio térmico: ocorre quando dois corpos possuem a mesma temperatura e não há troca de calor entre eles; e
- Energia térmica: soma das energias cinéticas das partículas que constituem um corpo.
Esses conceitos servem como base para praticamente todos os demais conteúdos da termologia.
Diferença entre calor e temperatura
Um dos erros mais comuns entre estudantes é considerar calor e temperatura como sinônimos. Na física, entretanto, eles representam conceitos completamente diferentes.
A temperatura mede o grau de agitação das partículas de um corpo. Quanto maior essa agitação, maior será a temperatura. Já o calor é a energia térmica em trânsito, isto é, a energia transferida espontaneamente entre corpos devido à diferença de temperatura. Nesse sentido, o calor sempre flui do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura até que seja atingido o equilíbrio térmico.
Além disso, no Sistema Internacional (SI), as unidades de temperatura são distintas das unidades de calor. Para temperatura, a unidade oficial é o kelvin (K) e para medir o calor (energia), a unidade oficial é joule (J). Também é comum utilizar a unidade caloria (cal), cuja relação é 1 cal = 4,18 J.
Escalas termométricas
A temperatura pode ser medida por diferentes escalas termométricas, sendo as principais:
Escala Celsius (ºC)
É a mais utilizada no Brasil.
- Fusão da água: 0 °C
- Ebulição da água: 100 °C
Escala Fahrenheit (ºF)
Muito utilizada nos Estados Unidos.
- Fusão da água: 32 °F
- Ebulição da água: 212 °F
Escala Kelvin (K)
É a escala absoluta utilizada pela física.
- Zero absoluto: 0 K
- Fusão da água: 273 K
- Ebulição da água: 373 K
Conversão entre escalas
Nos vestibulares, é comum aparecerem questões envolvendo conversões entre Celsius, Fahrenheit e Kelvin, exigindo atenção aos pontos fixos de cada escala. Por isso, é importante que você memorize os pontos de fusão e ebulição da água em cada escala supracitada e o zero absoluto da escala Kelvin.
A conversão entre escalas é dada pela expressão:
Simplificando os denominadores:
- Tc é a temperatura em Celsius medida a partir de 0 °C;
- Tf − 32 representa a distância, em Fahrenheit, a partir do ponto de fusão da água; e
- Tk − 273 representa a distância, em Kelvin, a partir de 273 K, que corresponde a 0 °C.
Outra fórmula de conversão muito utilizada é:
Tk = Tc + 273
Dilatação térmica de sólidos e líquidos
Quando um corpo sofre aquecimento, suas partículas aumentam sua agitação e tendem a ocupar maior espaço, provocando a chamada dilatação térmica.
Dilatação linear
Ocorre em barras e fios, para calcular a dilatação linear, utilizamos a fórmula:
ΔL = L0 . αΔT
- L0 = comprimento inicial;
- ΔL = variação do comprimento;
- α = coeficiente de dilatação linear; e
- ΔT = variação de temperatura.
Dilatação superficial
Ocorre em objetos como chapas e placas, provocando alterações em sua área devido à variação de temperatura. É calculada pela fórmula:
ΔA = A0 . βΔT
Nessa fórmula, β é o coeficiente de dilatação superficial. Para materiais isotrópicos, β = 2α.
Dilatação volumétrica
Nesse tipo de dilatação, há alterações no volume do objeto, de acordo com a fórmula:
ΔV = V0 . γΔT
Nessa fórmula, γ é coeficiente de dilatação volumétrica, sendo, normalmente γ = 3α.
Calor sensível, calor latente e trocas de calor
Existem duas formas principais de absorção ou liberação de calor:
Calor sensível
É aquele que provoca apenas variação de temperatura, sem mudança de estado físico. Sua expressão é:
Q = m⋅c⋅ΔT
- Q = quantidade de calor;
- m = massa;
- c = calor específico; e
- ΔT = variação da temperatura.
Calor latente
O calor latente é a energia recebida quando ocorre mudança de estado físico (fusão, vaporização, condensação ou solidificação), sem que ocorra variação de temperatura. Durante a fusão do gelo, por exemplo, toda a energia recebida é utilizada para romper as ligações entre as moléculas, sem aumentar a temperatura até que toda a massa tenha derretido.
A quantidade de é dada por:
Q = m⋅L
- Q = quantidade de calor;
- m = massa;
- L = calor latente.
Processos de propagação de calor
O calor pode ser transferido de três maneiras diferentes. Cada mecanismo depende das características do meio e das condições do ambiente.
Condução
Na condução, o calor é transmitido por contato direto entre as partículas, sem transporte de matéria. Esse processo ocorre principalmente nos sólidos.
Os metais são excelentes condutores térmicos, enquanto madeira, plástico e isopor são bons isolantes.
Convecção
Na convecção ocorre transporte de matéria. Esse processo acontece em líquidos e gases devido às diferenças de densidade provocadas pela variação de temperatura.
Irradiação
Na irradiação, o calor é transmitido por ondas eletromagnéticas, dispensando qualquer meio material. É o único mecanismo capaz de ocorrer no vácuo, como o calor proveniente do Sol chegando à Terra
Leis da termodinâmica
A termodinâmica estuda as relações entre calor, trabalho e energia.
Lei zero
Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, então estão em equilíbrio térmico entre si. Essa lei fundamenta o funcionamento dos termômetros.
Primeira lei da termodinâmica
É o princípio de conservação de energia. Ela define que a energia não pode ser criada nem destruída, mas apenas transformada em calor e trabalho. Sua expressão é:
Q = ΔU+τ
- Q = calor fornecido ao sistema;
- ΔU = variação da energia interna; e
- τ = trabalho realizado pelo sistema.
Segunda lei da termodinâmica
Estabelece que o calor flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura e que nenhuma máquina térmica pode apresentar rendimento de 100%. Essa lei explica por que sempre existem perdas de energia em forma de calor nos processos naturais e industriais.
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