Na física, o conceito de "calor" está associado à transferência de energia térmica entre diferentes corpos. Devido a esses processos, ocorre o aquecimento e resfriamento dos corpos, bem como uma mudança em seus estados de agregação. Vamos considerar com mais detalhes a questão do que é calor.
Conceito
O que é calor? Cada pessoa pode responder a esta pergunta de um ponto de vista cotidiano, ou seja, sob o conceito em consideração, as sensações que ele tem quando a temperatura ambiente aumenta. Na física, esse fenômeno é entendido como o processo de transferência de energia associado a uma mudança na intensidade do movimento caótico das moléculas e átomos que formam o corpo.
Em geral, podemos dizer que quanto maior a temperatura do corpo, mais energia interna é armazenada nele e mais calor ele pode fornecer a outros objetos.
Calor e temperatura
Sabendo a resposta para a pergunta sobre o que é calor, muitos podem pensar que este conceito é semelhante ao conceito de "temperatura", mas não é. Calor é energia cinética, temperatura é uma medida destaenergia. Assim, o processo de transferência de calor depende da massa da substância, do número de partículas que a compõem, bem como do tipo dessas partículas e da velocidade média de seu movimento. Por sua vez, a temperatura depende apenas do último dos parâmetros listados.
A diferença entre calor e temperatura é fácil de entender se você realizar um experimento simples: você precisa despejar água em dois recipientes para que um recipiente fique cheio e o outro apenas pela metade. Colocando os dois vasos no fogo, pode-se observar que aquele em que há menos água começa a ferver primeiro. Para que o segundo recipiente ferva, ele precisará de um pouco mais de calor do fogo. Quando os dois recipientes estiverem fervendo, você pode medir sua temperatura, será a mesma (100 oC), mas foi necessário mais calor para um recipiente cheio ferver água nele.
Unidades de calor
De acordo com a definição de calor na física, pode-se supor que ele é medido nas mesmas unidades de energia ou trabalho, ou seja, em joules (J). Além da unidade principal de calor, na vida cotidiana, muitas vezes você pode ouvir sobre calorias (kcal). Este conceito é entendido como a quantidade de calor que precisa ser transferida para um grama de água para que sua temperatura aumente em 1 kelvin (K). Uma caloria é igual a 4,184 J. Você também pode ouvir falar de calorias grandes e pequenas, que são 1 kcal e 1 cal, respectivamente.
O conceito de capacidade calorífica
Sabendo o que é calor, vamos considerar uma grandeza física que o caracteriza diretamente - capacidade calorífica. Sob este conceito,física significa a quantidade de calor que deve ser dada ou retirada de um corpo para que sua temperatura varie em 1 kelvin (K).
A capacidade calorífica de um determinado corpo depende de 2 fatores principais:
- sobre a composição química e estado de agregação em que o corpo se apresenta;
- de sua massa.
Para tornar essa característica independente da massa de um objeto, na física do calor foi introduzida outra quantidade - a capacidade calorífica específica, que determina a quantidade de calor transferida ou recebida por um determinado corpo por 1 kg de sua massa quando a temperatura muda em 1 K.
Para mostrar claramente a diferença nas capacidades específicas de calor para diferentes substâncias, por exemplo, pegue 1 g de água, 1 g de ferro e 1 g de óleo de girassol e aqueça-os. A temperatura mudará mais rapidamente para a amostra de ferro, depois para a gota de óleo e por último para a água.
Observe que a capacidade calorífica específica depende não apenas da composição química da substância, mas também do seu estado de agregação, bem como das condições físicas externas sob as quais ela é considerada (pressão constante ou volume constante).
A equação principal do processo de transferência de calor
Tendo lidado com a questão do que é o calor, deve-se dar a principal expressão matemática que caracteriza o processo de sua transferência para absolutamente quaisquer corpos em qualquer estado de agregação. Esta expressão tem a forma: Q=cmΔT, onde Q é a quantidade de calor transferido (recebido), c é o calor específico do objeto em questão, m -sua massa, ΔT é a mudança na temperatura absoluta, que é definida como a diferença nas temperaturas do corpo no final e no início do processo de transferência de calor.
É importante entender que a fórmula acima sempre será válida quando, durante o processo considerado, o objeto mantiver seu estado de agregação, ou seja, permanecer líquido, sólido ou gasoso. Caso contrário, a equação não pode ser usada.
Mudança no estado de agregação da matéria
Como você sabe, existem 3 estados agregados principais nos quais a matéria pode estar:
- gás;
- líquido;
- corpo sólido.
Para que ocorra a transição de um estado para outro, é necessário que o corpo informe ou retire calor dele. Para tais processos em física, foram introduzidos os conceitos de calor específico de fusão (cristalização) e ebulição (condensação). Todas essas quantidades determinam a quantidade de calor necessária para alterar o estado de agregação, que libera ou absorve 1 kg de peso corporal. Para esses processos, a equação é válida: Q=Lm, onde L é o calor específico da transição correspondente entre os estados da matéria.
Abaixo estão as principais características dos processos de alteração do estado de agregação:
- Esses processos ocorrem a uma temperatura constante, como fervura ou fusão.
- São reversíveis. Por exemplo, a quantidade de calor que um determinado corpo absorveu para derreter será exatamente igual à quantidade de calor que será liberada no ambiente se esse corpo passar novamentepara um estado sólido.
Equilíbrio térmico
Esta é outra questão importante relacionada ao conceito de "calor" que precisa ser considerada. Se dois corpos com temperaturas diferentes forem colocados em contato, depois de um tempo a temperatura em todo o sistema se equilibrará e se tornará a mesma. Para atingir o equilíbrio térmico, um corpo com temperatura mais alta deve liberar calor para o sistema, e um corpo com temperatura mais baixa deve aceitar esse calor. As leis da física do calor que descrevem esse processo podem ser expressas como uma combinação da equação principal de transferência de calor e da equação que determina a mudança no estado agregado da matéria (se houver).
Um exemplo marcante do processo de estabelecimento espontâneo do equilíbrio térmico é uma barra de ferro em brasa que é jogada na água. Neste caso, o ferro quente irá liberar calor para a água até que sua temperatura se torne igual à temperatura do líquido.
Métodos básicos de transferência de calor
Todos os processos conhecidos pelo homem que acompanham a troca de energia térmica ocorrem de três maneiras diferentes:
- Condutividade térmica. Para que a troca de calor ocorra dessa forma, é necessário o contato entre dois corpos com temperaturas diferentes. Na zona de contato no nível molecular local, a energia cinética é transferida de um corpo quente para um frio. A taxa dessa transferência de calor depende da capacidade dos corpos envolvidos em conduzir calor. Um exemplo notável de condutividade térmica éhumano tocando uma haste de metal.
- Convecção. Este processo requer o movimento da matéria, por isso é observado apenas em líquidos e gases. A essência da convecção é a seguinte: quando as camadas de gás ou líquido são aquecidas, sua densidade diminui, então elas tendem a subir. Durante o aumento do volume de líquido ou gás, eles transferem calor. Um exemplo de convecção é o processo de ferver água em uma chaleira.
- Radiação. Este processo de transferência de calor ocorre devido à emissão de radiação eletromagnética de várias frequências por um corpo aquecido. A luz do sol é um excelente exemplo de radiação.
