O que é termologia e como ela está presente no dia a dia?

A termologia é uma das grandes áreas da Física. Por causa dela, a gente sabe como cozinhar ovos e os engenheiros como construir um prédio sem que ele corra o risco de cair. Pois é, ela está o tempo todo em nosso cotidiano, e talvez por isso seja bastante lembrada nas questões do Enem e dos vestibulares. Mas, afinal, o que é termologia?

De forma resumida, podemos dizer que essa área estuda os efeitos e os fenômenos térmicos, relacionados aos conceitos de temperatura e de calor. A seguir, vamos começar a entender os principais tópicos envolvendo a termologia.

O que é termologia: conceitos básicos

Temperatura e calor são a mesma coisa? Será que calor está diretamente relacionado a temperaturas muito altas? Roupas de inverno fornecem calor ao nosso corpo?

Essas questões costumam estar fortemente ligadas a concepções espontâneas que formamos ao longo da vida. Do ponto de vista da Física, elas não estão corretas, e compreender seus fundamentos é essencial para entender o que é termologia.

Para isso, precisamos definir e diferenciar temperatura e calor:

Temperatura

Sabemos que as coisas são formadas por átomos, que constituem partículas maiores, como moléculas e ligas metálicas. Nenhuma dessas partículas está parada: elas podem realizar movimentos de translação, de rotação e de vibração. Sendo assim, é possível associá-las a valores de energia cinética.

A temperatura é uma grandeza física associada à energia cinética média das partículas de um corpo. Popularmente, dizemos que ela é o "grau de agitação" dessas partículas. Quanto mais "agitadas" elas estiverem, maior será a temperatura do corpo.

No Sistema Internacional (SI), a unidade de temperatura é o kelvin (K). No Brasil, usamos a escala Celsius.

Calor

Chamamos de calor a energia térmica em trânsito entre um corpo e outro, ou entre partes diferentes de um mesmo corpo. Perceba, portanto, que, por definição, não é possível "armazenar" calor, uma vez que calor é um tipo de energia em transferência.

Essa transferência de calor ocorre por diferenças de temperatura e, espontaneamente, o calor vai de um corpo mais quente (maior temperatura) para outro mais frio (menor temperatura).

Como calor é uma forma de energia, ele é medido em joule (J) no SI.

Veja que calor não está necessariamente relacionado a temperaturas altas. Por exemplo, se houver dois corpos com temperaturas baixas e diferença de temperatura entre eles, haverá troca de calor.

Também é comum usar calor como um adjetivo: "Nossa, hoje tá muito calor!" é uma frase que a gente diz bastante! No dia a dia, não há problema nisso. No contexto da Física, no entanto, calor é uma grandeza, e não uma característica.

Neste vídeo, que está no canal do Aprova lá no YouTube, você aprende mais um pouquinho:

Equilíbrio térmico

O conceito de equilíbrio térmico é muito importante para a termologia: ele é um estado em que dois ou mais corpos estão à mesma temperatura. Quando isso acontece, não há troca de calor entre eles.

Se, por exemplo, dois corpos estiverem inicialmente a temperaturas diferentes, haverá calor sendo transferido do corpo mais quente para o corpo mais frio, certo? Isso só vai acontecer até os corpos atingirem a mesma temperatura, pois, quando isso ocorrer, eles estarão em equilíbrio térmico e não haverá mais troca de calor entre eles.

Sensações de quente e de frio

Normalmente, confiamos em nosso corpo para verificar o quão quente alguma coisa está. Colocamos a mão na testa de alguém para ver se a pessoa está com febre, por exemplo. Mas há diversas situações em que o nosso corpo pode enganar!

Imagine-se em um quarto onde a temperatura esteve constante nas últimas horas. Você toca em um edredom e em uma maçaneta metálica: qual dos objetos está mais frio? A resposta pode surpreender: os dois estarão à mesma temperatura!

Como se passou tempo o bastante com o ambiente em temperatura constante, todos os objetos puderam entrar em equilíbrio térmico entre si.

"Beleza, mas por que eu sinto sensação de frio quando toco no metal?"

Porque metais são excelentes condutores de calor, como veremos adiante! Eles retiram calor com facilidade do nosso corpo e, ao fazer isso, temos a sensação de frio.

Roupas de inverno nos esquentam?

Costumamos falar que um agasalho é quentinho, ou que vamos usar um cobertor para nos esquentar. Mas, por favor, não se decepcione: na verdade, eles não nos esquentam! Apenas são bons isolantes térmicos, minimizando a perda de calor do corpo para o ambiente e reduzindo a sensação de frio.

O Enem já cobrou isso algumas vezes, bem como várias outras noções de termologia que aprendemos acima.

Termometria

Como acontece com outras grandezas físicas, eventualmente precisaremos realizar conversões entre unidades de temperatura. As três unidades mais utilizadas são kelvin (K), grau Celsius (ºC) e grau Fahrenheit (ºF).

Perceba que a escala kelvin não recebe o nome "grau" e nem a notação º. Isso acontece porque ela é considerada a escala absoluta de temperatura, na qual não existem valores negativos.

Para realizar conversões entre as escalas, podemos trabalhar com a seguinte fórmula:

Dilatação térmica

Os corpos, no geral, se comportam de um jeito curioso quando são aquecidos: eles dilatam! De forma semelhante, eles se contraem quando são resfriados. Esse fenômeno é conhecido como dilatação térmica. Existem exceções, como é o caso da dilatação anômala da água.

Toda dilatação térmica ocorre em três dimensões, mas há casos em que ela só é relevante em uma ou em duas dimensões, de maneira que podemos simplificar a análise nos seguintes casos:

Dilatação linear

Nesse caso, a dilatação é predominante em apenas uma dimensão. Podemos calcular a dilatação linear (ΔL) usando a seguinte fórmula:

L₀ é o comprimento inicial, α é uma grandeza, que depende do tipo de material do corpo, chamada coeficiente de dilatação linear, e Δθ é a variação de temperatura.

Dilatação superficial

Recebe esse nome porque a dilatação é predominante em duas dimensões. A fórmula para a dilatação superficial (ΔA) é:

A₀ é a área inicial e β é o coeficiente de dilatação superficial, sendo que β = 2α.

Dilatação volumétrica

Nesse caso, todas as três dimensões são relevantes na dilatação. Podemos calcular a dilatação volumétrica (ΔV) por:

De forma semelhante à dos casos anteriores, V₀ é o volume inicial e γ é o coeficiente de dilatação volumétrica, sendo que γ = 3α.

Dilatação de líquidos

Para os líquidos, temos as seguintes peculiaridades:

• a dilatação é sempre volumétrica;
• sempre analisamos um líquido dentro de um recipiente, então também é preciso levar em conta a dilatação do recipiente.

O fato de o recipiente também dilatar nos leva a um conceito importante: a dilatação aparente. Para entendê-lo, imagine que um recipiente está completamente cheio de um líquido e esse sistema é aquecido. Tanto o recipiente quanto o líquido irão dilatar, certo?

Bom, os líquidos costumam dilatar mais do que os sólidos, de maneira que parte do líquido irá transbordar. Esse líquido transbordado, no entanto, não corresponde à sua "dilatação real", já que também houve dilatação do recipiente. Chamamos a porção transbordada de dilatação aparente do líquido.

Sendo assim, a dilatação real (ΔV_real) do líquido corresponde à soma da dilatação do recipiente (ΔV_rec) com a dilatação aparente (ΔV_ap).

Calorimetria

Na calorimetria, calculamos a quantidade de calor que um corpo recebe ou cede. Quando há troca de calor envolvendo um corpo, duas coisas podem acontecer com ele:

• Ele sofrerá variação de temperatura;
• Ele mudará seu estado físico.

Trocas de calor com variação de temperatura

Quando um corpo de massa m recebe ou cede calor e isso lhe provoca uma variação de temperatura Δθ, podemos calcular a quantidade de calor Q trocada usando a fórmula:

O termo c é o calor específico, uma grandeza associada à substância que compõe o corpo, e indica quanto calor uma unidade de massa dessa substância deve receber ou perder para variar sua temperatura em uma unidade.

Trocas de calor com mudança de fase

Já quando um corpo de massa m recebe ou cede calor e isso lhe provoca uma mudança de fase, podemos calcular a quantidade de calor Q trocada usando a fórmula:

L é uma grandeza chamada calor latente, e depende do tipo de substância e do tipo de mudança de fase que ocorreu.

Se a substância for pura, então a mudança de fase acontece sob temperatura constante.

Transmissão de calor

Já aprendemos bastante sobre calor! Mas outro aspecto que a termologia estuda são os processos nos quais é possível transmitir calor. Esses são os principais 👇

• Condução: ocorre em meios materiais, onde o calor é transmitido ao longo do corpo, partícula a partícula, através de suas vibrações. Nesse processo, não há transporte de matéria, somente de energia. Materiais que conduzem calor com facilidade são ditos bons condutores, como ocorre em grande parte dos metais. Materiais que não conduzem calor com facilidade são ditos bons isolantes.
  
• Convecção: acontece em fluidos (líquidos e gases), nos quais são formadas correntes de convecção, que é um movimento de partes de diferentes densidades do fluido, cuja diferença é causada por diferenças de temperatura.
  
• Irradiação: o calor é transmitido através de ondas eletromagnéticas, podendo ocorrer em meios materiais e também no vácuo. É por conta disso, por exemplo, que o Sol é capaz de nos aquecer: seu calor é transmitido por irradiação através do vácuo.

Termodinâmica

A termodinâmica é a parte da termologia que estuda as relações entre calor e trabalho. Seu desenvolvimento foi incentivado, sobretudo, pela Primeira Revolução Industrial, a partir do uso de máquinas térmicas.

São quatro leis que regem a termodinâmica, sendo a primeira e a segunda as mais importantes. Vamos ver um pouco sobre o que cada uma delas nos diz 👇

• Lei zero da termodinâmica: essa lei define o estado de equilíbrio térmico, que vimos anteriormente. Ela recebeu esse nome porque foi formulada após a primeira lei, mas, como trata de uma questão ainda mais fundamental, foi chamada de “lei zero”.
  
• Primeira lei da termodinâmica: é um exemplo da lei da conservação de energia aplicada em contextos termodinâmicos. Ela relaciona três tipos de energia, que são o calor, o trabalho e a energia interna.
  
• Segunda lei da termodinâmica: essa lei pode ser enunciada de diversas formas, mas todas têm o mesmo significado. Ela diz que nenhuma máquina térmica é perfeita, ou seja, nenhuma máquina térmica consegue transformar em trabalho todo o calor que recebe.
  
• Terceira lei da termodinâmica: mostra que não é possível chegar até o zero absoluto (correspondente a 0 K). No entanto, essa lei não é vista no Ensino Médio.

Leia também:

Leis da termodinâmica: conceitos e fórmulas

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