TEMPERATURA,

CALOR E(~)

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ENERGIA INTERNA

Temperaturae calor são palavras utilizadas popu-larmentecom significado diverso daquele que a ciênciaIhes empresta. Diz-se: "que calor fez hoje", "senti umcalor" etc, o que, como veremos, não tem sentido, seentendida a palavra calor, dentro do conceito que aciência lhe dá. Talvez concorra para estaconfusão o fa-to de considerarmos como antônimos frio e calor, damesma forma que frio e quente.

Temperaturaé a propriedade "quente" ou "frio",medida de algum modo. Para isto, devemos estabele-cer estados de quente e de frio bem definidbs e asso-ciarmos números a eles: por exemplo, Oe 100. É destamaneira que se constroi a chamada escala centígradaou Celsius, tomando para estados de frio e de quente,respectivamente, o do gelo em fusão e o da água emebulição, sob pressão de 760 mm de Hg.

Calor é alguma coisa que torna as coisas maisquentes, derrete o gelo ou ferve a água.

Notemos que as grandezas físicas não são defini-das apenas pela redução verbal a outras grandezas ouconceitos mais familiares, mas através da indicaçãodas operações ou modelos que nos ajudam a entendê-Ias e medi-Ias.

A teoria cinética dos gases propõe um modelo se-gundo o qual os gasessão conjuntosde pequenasesfe-ras elásticas(as moléculas).A partir da aceitação dessemodelo, pode-sededuzir que as pressõesexercidaspe-los gases sãodiretamente proporcionais à energiacíne-tica média de suas moléculas.

Esse resultado, associado ao fato conhecido deque a pressãoexercida por um gás cresce linearmentecom sua temperatura, leva à concepção do termômetrode gás, esquematizadona Fig. 1. A altura da coluna demercúrio, no barômetro, indica a pressão do gás e, apartir da pressão, determina-se a temperatura da se-guinte maneira:

Antonio de Souza Teixeira Jr.

Fundação Brasileira para o Desenvolvimento do Ensino de CiênciasFUNBEC

Instituto Brasileiro de Educação, Ciência e CulturaIBECC

BARÔMETRO

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MERCÚRIOLÍQUIDO PARAAQUECIMENTOOU RESFRIAMENTODO GÁS RECIPIENTE

RíGIDO COM GÁS

Fig.1

As pressões correspondentes às temperaturas deO°C e 100°C são transferidas para um gráfico (Fig. 2).Pelosdois pontos obtidos, traça-sea reta que represen-ta a relação entre as duas grandezas. Num caso inter-mediário, a temperatura (desconhecida),corresponden-te à pressão indicada pelo bar.ômetro,pode ser obtidaatravés do gráfico (Fig. 3).

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o termômetro de gás oferece também uma su-gestão importante, quando se efetuam extrapolaçõespara,os valores negativos da temperatura: o ponto emque, a reta do gráfico corta o eixo das temperaturas(- 273°C) corresponde ao valor zero da pressão.

Se a pressão é diretamente proporcional à energiacinética média das moléculas do gás, de acordo com omodelo estabelecido, o valor zero da pressão significaausência de movimento das moléculas. A temperatura- 273°C corresponde, então, a algo absoluto, abaixodo qual não há o que associar, pois ou há movimentoou não há: a energia cinética não pode assumir valoresnegativos. O valor - 273°C assume, assim, o caráterde zero absoluto, a partir do qual define-se a escala ab-soluta ou Kelvin.

É possívelque, associandoa temperatura ao movi-mento das moléculas, mais especificamente ao valorda energia cinética da molécula que possui o valor mé-dio da amostra, tenhamos uma melhor noção do que étemperaturae possamos distingui-Iamelhor da grande-za calor.

Em geral, a temperatura de um corpo é a mesmaem toda a sua extensão: a temperatura de uma pedrapode ser igual à da pedreira da qual ela acaba de sedestacar. Por esse motivo, a determinação da tempera-tura de um sistema se faz normalmente pela medida datemperaturade uma de suas partes. Isto pode ser com-preendido facilmente se lembrarmos que a energia ci-nética média de um pequeno grupo de moléculas podeser a mesma de um grande conjunto de moléculas.

O calor é algo inteiramentediverso. Por definição,calor é a energia em trânsito, isto é, a energia que pas-sa de um corpo para outro em virtude somente de umadiferença de temperatura. O calor vem do Sol à Terra,sob forma de energia radiante, porque o Sol se apresen-ta em média a 6.000°C e a Terra a 30°C. O calor, comoenergia eletromagnética em trânsito, pode existir inde-pendentemente da existência de matéria. ao contrárioda temperatura. O espaço vazio pode apresentar gran-de quantidade de calor, mas não se lhe pode associartemperatura.

o<O'"'"Q)à:

Pressãoa ooe

Pressãoa 100°e

Temperatura

ooe 100°e

Fig.2

o'o'"'"Q)à:

pressão indicadopelo barômetro --+

---.....--------

.....------ ----------

---- - 273°e

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Temperatura

ooe

1

loooe

Temperaturadesconhecidacorrepondenteà pressãoindicadopelo barômetro.

Fig.3

Quando o calor chega a um corpo, pode ser emparte refletido e em parte absorvido. O calor absorvido,não sendo mais energia em trânsito (está !ocalizada nocorpo), pode se apresentar como energia potencial oucinética das moléculas. Por esse motivo, o calor absor-vido não se traduz necessariamente num aumento detemperatura: se o calor absorvido contribuir somentepara um aumento da energia potencial das moléculas,não ocorrerá aumentoda temperatura; se o calor absor-vido contribuir também para um aumento da energiacinética das moléculas, ocorrerá aumento de tempera-tura.

O exemplo mais comum das duas possibilidades éo do gelo transformando-seem água: se o gelo a ooerecebe calor, passa para o estado líquido e pode conti-nuar a 0° C; se a água resultante recebe mais calor,sua temperatura se eleva.

O calor absorvido por um corpo, quer se apresentecomo energia potencial, quer corno energia cinéticadas moléculas, contribui para aumentar o que chama-mos energia interna do corpo. No exemplo citado aci-ma:

geloa ooe - águaa ooeáguaa ooe -- águaacimade ooe

há aumentoda energiainterna,nasduasetapas.

Pode ocorrer também que o calor recebido sirvapara executar algum trabalho: aquecendo a água deuma chaleira com tampa, alémdo aumentode tempera-tura e formação de vapores, estes podem levantar atampa, executando trabalho. No fundo é isto que osconstrutores de máquinastérmicas procuram obter: emvez de só aumentar a energia internado sistema, o ob-jetivo é maximizar a realizaçãode trabalho útil à custade menor aumento de energia interna.

É isto que o Primeiro Princípio da Termodinâmicaafirma: se um sistema recebe a quantidade de calorflQ, sua energia interna se altera da quantidade flU, eele pode ainda executar o trabalho /:::;. T. Podemos escre-ver:

flQ = flU + fl T

Convém notar que, além das confusões habituaisentre os conceitos de calor e temperatura, o mesmoocorre com calor e energia interna que são muitas ve-zes tomados como sinônimos, o que causa igualmentegrande confusão. O primeiro princípio da termodinâmi-ca estabelece a distinção: fl Q (calor absorvido pelosistema) e flU (acréscimo da energia interna do siste-ma) não se identificam, podendo, no máximo, ter valo-res númericos iguais (nos casos em que fl T = O, ou se-ja, nos casos em que o sistema não efetua nem recebetrabaiho).

Assim, se 80 calorias de energia solar derretem 1grama de gelo a ooe, transformando-o em 1 grama deágua a 0° C, a energia em trânsito desaparece e no seulugar resultam 80 calorias absorvidas pela água, que re-presentam o acréscimo de sua energia interna. Nestecaso, as 80 calorias foram utilizadas só para executar adestruição do edifício formado pelas moléculas do gelo,convertendo-o em 1 grama de água. Esta encerra maisenergia interna que o 1 grama de gelo que lhe deu ori-gem, embora estejam à mesma temperatura.

No caso particular dos gases, como não há forçasde ligação apreciáveis entre as moléculas, qualqueracréscimo de calor, a volume constante, se traduz numaumento da temperatura, isto é, da energia cinética dasmoléculas. Em particular, denominamos gás perfeitoàquele cuia energia interna é diretamente proporcionalà sua temperatura absoluta, não dependendo de outrosfatores. .

Embora os gases perfeitos constituam uma ideali-zação, o ar e a maioria dos gases sob pressões meno-res ou da ordem de 1 atmosfera comportam-se, comboa aproximação, como gases perfeitos.

A compreensão que se estabelece a respeito docomportamento dos gasesé desenvolvidaa partirda hi-pótese simplificadora do modelo dos gases perfeitos.Isto torna seu equacionamento muito facilitado, a partirsó do relacionamento das variáveis pressão, volume etemperatura, o que não ocorre em relação aos líquidose sólidos, cujas "equações de estado", por serem fun-ções de muitas variáveis, têm pouca utilidade prática.

(O~) CI~NCIAS AMBIENTAIS (O~)PARA O 19 GRAU

o Projeto CIÊNCIAS AMBIENTAIS PARA O PRIMEIRO GRAU visa cons-cientizar os alunos dos problemas ambientais da atualidade, analisando as re-lações entre os seres vivos e o ambiente, com destaque especial para o ho-mem. Procura atingir esse objetivo desenvolvendo as seguintes idéias básicas:

(continua na pãg. 30)(O)~(O~)

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