Atividade 2 – Temperatura e calor

Os termos Temperatura e Calor muitas vezes são usados como sinônimos. Embora os dois conceitos estejam associados, eles possuem definições diferentes.

Temperatura e calor são conceitos fundamentais da Termologia, que é a área da Física que estuda os fenômenos associados ao calor, como a temperatura, dilatação, propagação de calor, comportamento dos gases, entre outros. Muitas vezes, esses dois conceitos são utilizados como sinônimos, porém, apesar de estarem associados, são aspectos distintos.

temperatura é uma grandeza física utilizada para medir o grau de agitação ou a energia cinética das moléculas de uma determinada quantidade de matéria. Quanto mais agitadas essas moléculas estiverem, maior será sua temperatura.

O aparelho utilizado para fazer medidas de temperatura é o termômetro, que pode ser encontrado em três escalas: Celsius, Kelvin e Fahrenheit. Conversão entre Escalas Termométricas.

A menor temperatura a que os corpos podem chegar é chamada de Zero absoluto, que corresponde a um ponto em que a agitação molecular é zero, ou seja, as moléculas ficam completamente em repouso. Essa temperatura foi definida no século XIX pelo cientista inglês Willian Thompson, mais conhecido como Lord Kelvin. O zero absoluto tem os seguintes valores: 0K – escala Kelvin e -273,15 ºC – na escala Celsius.Não pare agora… Tem mais depois da publicidade 😉

  • Calor

calor, que também pode ser chamado de energia térmica, corresponde à energia em trânsito que se transfere de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura. Essa transferência ocorre sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura até que atinjam o equilíbrio térmico.

É muito comum ouvirmos algumas expressões cotidianas associando calor a altas temperaturas. Em um dia quente, por exemplo, usa-se a expressão “Hoje está calor!”. Porém, corpos com baixas temperaturas também possuem calor, só que em menor quantidade. Isso quer dizer apenas que a agitação das moléculas é menor em corpos “frios”.

A unidade de medida mais utilizada para o calor é a caloria (cal), mas a sua unidade no Sistema Internacional é o Joule (J). A caloria é definida como a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1g de água em 1ºC.

A relação entre a caloria e o Joule é dada por: 1 cal = 4,186 J

O termômetro pode ser encontrado em três escalas: Celsius, Kelvin e Fahrenheit.

Os termômetros são instrumentos utilizados para medir a temperatura
Os termômetros são instrumentos utilizados para medir a temperatura

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

TEIXEIRA, Mariane Mendes. “Temperatura e calor”; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/temperatura-calor.htm. Acesso em 21 de janeiro de 2021.

Processos de propagação de Calor

Para que aconteça a troca de calor é preciso que ele seja transferido de um objeto para outro e de uma região para outra. Existem três processos de propagação de calor: condução, convecção e irradiação.

Falar a respeito do tema calor ainda pode trazer confusão para algumas pessoas. Em termologia, calor está ligado à transferência de energia térmica de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura, ou seja, calor é a energia em trânsito. Para melhor assimilação, vamos ao seguinte exemplo:

Vamos imaginar que, em um sistema isolado (dentro de uma caixa de isopor, por exemplo), foram colocados dois objetos. O objeto A, à temperatura de 200°C; e o objeto B, à temperatura de 20ºC. De acordo com a lei zero da termodinâmica, com o passar do tempo, a temperatura do objeto A diminui enquanto que a temperatura do objeto B aumenta, até que ambos atinjam a mesma temperatura, ficando em equilíbrio térmico. A energia que se transferiu do objeto A para o objeto B é chamada de calor ou energia térmica.

Mapa Mental: Calor

Mapa Mental: Calor

Transmissão de Calor

Para que ocorra troca de calor, é necessário que ele seja transferido de uma região a outra através do próprio corpo, ou de um corpo para outro. Existem três processos de transferência de calor estudados na termologia, são eles: condução, convecção e irradiação. A irradiação é a propagação de ondas eletromagnéticas que não precisam de meio para se propagar, enquanto que a condução e a convecção são processos de transferência que necessitam de um meio material para se propagar.

Condução

Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de condução de calor é denominado condução. No caso dos metais, além da transmissão de energia de átomo para átomo, há a transmissão de energia pelos elétrons livres, ou seja, são os elétrons que estão mais afastados do núcleo e que são mais fracamente ligados aos núcleos, portanto, esses elétrons, colidindo entre si e com átomos, transferem energia com bastante facilidade. Por esse motivo, o metal conduz calor de modo mais eficiente do que outros materiais.Não pare agora… Tem mais depois da publicidade 😉

Convecção

Da mesma forma que o metal, os líquidos e os gases são bons condutores de calor. No entanto, eles transferem calor de uma forma diferente. Esta forma é denominada convecção. Esse é um processo que consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido. Por exemplo, vamos considerar uma vasilha que contenha água à temperatura inicial de 4°C. Sabemos que a água acima de 4ºC se expande, então ao colocarmos essa vasilha sobre uma chama, a parte de baixo da água se expandirá, tendo sua densidade diminuída e, assim, de acordo com o Princípio de Arquimedes, subirá. A parte mais fria e mais densa descerá, formando-se, então, as correntes de convecção. Como exemplo de convecção temos a geladeira, que tem seu congelador na parte de cima. O ar frio fica mais denso e desce, o ar que está embaixo, mais quente, sobe.

Irradiação

Podemos dizer que a irradiação térmica é o processo mais importante, pois sem ela seria praticamente impossível haver vida na Terra. É por irradiação que o calor liberado pelo Sol chega até a Terra. Outro fator importante é que todos os corpos emitem radiação, ou seja, emitem ondas eletromagnéticas, cujas características e intensidade dependem do material de que é feito o corpo e de sua temperatura. Portanto, o processo de emissão de ondas eletromagnéticas é chamado de irradiação. A garrafa térmica é um bom exemplo de irradiação térmica. A parte interna é uma garrafa de vidro com paredes duplas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor por condução. As partes interna e externa da garrafa são espelhadas para evitar a transmissão de calor por irradiação.

Efeitos do calor no organismo

Durante a exposição ao calor ambiental excessivo, o organismo também produz mais calor, embora estabeleça mecanismos de regulação para reduzir a sua temperatura. Porém, se a exposição prolongada ao calor em excesso persistir, é possível que o indivíduo desenvolva um aumento da irritabilidade, fraqueza, depressão, ansiedade e incapacidade para se concentrar. Nos casos mais graves podem ocorrer alterações físicas. Os principais sintomas no organismo são:

Cãibras

Câncer de Pele

DesidrataçãoExantema Cutâneo

Insolação Lesões de Órgãos

Algumas recomendações para prevenir os efeitos do calor no organismo:

  • Aumentar a ingestão de água, ou sucos de frutas natural, sem açúcar, mesmo sem ter sede;
  • Fazer refeições leves e mais frequentes, evitando refeições pesadas e muito condimentadas;
  • Permanecer em ambientes frescos, ou com ar condicionado;
  • Tomar ducha de água fria no período de maior calor, evitando contudo as mudanças bruscas de temperatura;
  • Evitar a exposição direta ao Sol, principalmente entre as 10 e as 16 horas. Caso haja exposição solar utilizar um protetor com fator de proteção no mínimo 30 FPS;
  • Usar óculos e chapéu, de preferência de abas largas;
  • Usar roupas largas e soltas, de preferência em algodão e com cores claras;
  • Evitar atividades que exijam esforços físicos.

Dilatação térmica dos sólidos

A dilatação térmica dos sólidos ocorre quando um corpo tem sua temperatura aumentada. Assim, o grau de agitação de suas moléculas também aumenta, aumentando também a temperatura e, consequentemente, variando suas dimensões.

Dilatação térmica é um fenômeno físico decorrente do aumento da temperatura de um corpo. Quando um corpo é exposto a alguma fonte de calor, sua temperatura pode sofrer variações, aumentando a agitação das moléculas, que oscilam em torno de um espaço maior.

Essa microscópica variação na vibração das moléculas pode ser percebida em escala macroscópica, como quando uma barra de ferro fica ligeiramente maior em decorrência de um aquecimento.

Dilatação linear

Dilatação linear dos sólidos é o fenômeno físico que ocorre quando corpos de formato linear que se encontram no estado sólido, como fios, cabos, agulhas, barras, canos, sofrem uma variação de temperatura. Para calcular a magnitude da dilatação linear, utilizamos o coeficiente de dilatação linear do material.

Exemplos de dilatação térmica linear

  • Entortamento dos trilhos de trens em decorrência da grande amplitude térmica durante os ciclos do dia e da noite. Por conta desse efeito, utiliza-se a junta de expansão, um pequeno espaço entre duas barras consecutivas.
  • Os fios de cobre utilizados na transmissão de corrente elétrica nos postes são sempre maiores que a distância entre os postes. Caso não fossem, em dias frios, esses condutores sofreriam variações negativas em seu comprimento, podendo sofrer rupturas

Dilatação superficial

Dilatação superficial de sólidos é a variação da área de um corpo que se encontra no estado sólido em razão de um aumento de sua temperatura. O cálculo da dilatação superficial de um sólido depende de seu coeficiente de dilatação superficial.

Exemplos de dilatação térmica superficial

  • Entre as placas de azulejo, utilizadas em pisos residencias e em calçadas, deixa-se um pequeno espaço livre, que é ocupado pelo rejunte, um material poroso capaz de absorver parte da dilatação sofrida pelas peças cerâmicas.
  • É comum ver mecânicos aquecerem uma porca presa em um parafuso a fim de removê-la, pois o aquecimento provoca a dilatação da porca, facilitando sua retirada.

Dilatação volumétrica

Dilatação volumétrica é a expansão do volume de um corpo mediante o aumento de sua temperatura. A dilatação volumétrica é calculada a partir do coeficiente de dilatação volumétrica do corpo.

Exemplos de dilatação térmica volumétrica

  • Parafusos utilizados na fuselagem de aviões podem ser colocados em baixíssimas temperaturas antes de serem rosqueados. Após o rosqueamento, o aumento da temperatura do parafuso dilata suas dimensões, tornando quase impossível removê-lo depois.

Coeficiente de dilatação térmica

Enquanto alguns materiais devem sofrer enormes variações de temperatura para que sua dilatação torne-se perceptível, outros precisam ter sua temperatura variada em poucos graus para que se percebam diferenças em suas dimensões.

A propriedade física que determina a facilidade ou a dificuldade de o material ter suas dimensões alteradas mediante uma variação de temperatura é chamada de coeficiente de dilatação térmica.

Agitação térmica
Com o aumento da temperatura, as moléculas de um corpo passam a ocupar um espaço maior.

Veja tambémCalorimetria

Cada material apresenta seu próprio coeficiente de dilatação térmica, que pode ser de três tipos distintos: coeficiente de dilatação linearsuperficial e volumétrica. Para calcular a dilatação sofrida por um corpo, utilizamos somente um desses coeficientes, determinado de acordo com o formato apresentado pelo corpo.

Apesar de sofrerem dilatação superficial e volumétrica, os corpos alongados que possuem simetria linear, como cabos e fios, estão sujeitos a dilatações em seu comprimento muito superiores às dilatações em sua área ou volume.

Os coeficientes de dilatação linearsuperficial e volumétrico são denotados, respectivamente, pelas letras gregas αβ, e γ, e sua unidade de medida é o ºC-1.

O efeito da dilatação térmica dos sólidos tem uma grande importância comercial e tecnológica. A construção civil, por exemplo, utiliza materiais que são frequentemente expostos a grandes e, por vezes, bruscas variações de temperatura. Nesse caso, é indispensável o conhecimento dos coeficientes de dilatação de cada material empregado na construção civil a fim de evitar o surgimento de rachaduras e de outros defeitos estruturais.

Relação entre os coeficientes de dilatação do sólidos

Corpos com diferentes simetrias feitos do mesmo material sofrem diferentes formas de dilatação. Uma barra de ferro, por exemplo, sofre dilatação linear, enquanto uma chapa desse mesmo material sofre dilatação superficial. Isso ocorre porque o coeficiente de dilatação superficial equivale ao dobro do coeficiente de dilatação linear, enquanto o coeficiente de dilatação volumétrica é três vezes maior que o coeficiente de dilatação linear. Observe:Não pare agora… Tem mais depois da publicidade 😉

 Coeficientes de dilatação superficial e volumétrico

α – coeficiente de dilatação linear
β – coeficiente de dilatação superficial
γ – coeficiente de dilatação volumétrica

Dilatação térmica em pontes

Os efeitos da dilatação térmica são especialmente importantes em construções que não podem apresentar deformações ou rachaduras em sua estrutura, como as pontes. É por isso que, nesse tipo de construção, são utilizadas diversas juntas de expansão.

A imagem abaixo mostra a junta de expansão de uma ponte. Observe:

Junta de expansão de ponte
As juntas de expansão reduzem as chances de surgirem rachaduras em decorrência da dilatação do concreto das pontes.

Fórmulas da dilatação térmica

Confira abaixo as fórmulas utilizadas para o cálculo das dilatações lineares, superficiais e volumétricas de sólidos.

Fórmula da dilatação linear

A fórmula da dilatação linear pode ser apresentada de duas maneiras: uma para calcular o tamanho final do corpo e outra para calcular a variação de comprimento sofrida durante a dilatação:

Fórmulas da dilatação linear

L – comprimento final
L0 – comprimento inicial
ΔT – variação de temperatura
ΔL – variação de comprimento

Fórmula da dilatação superficial

Assim como a fórmula da dilatação linear, a fórmula da dilatação superficial também pode ser escrita de duas maneiras distintas:

Fórmulas da dilatação superficial

S – área final
S0 – área inicial
ΔT – variação de temperatura
ΔS – variação da área

Fórmula da dilatação volumétrica

Por fim, temos as expressões que nos permitem calcular o volume final de um corpo ou sua variação volumétrica:

Fórmulas da dilatação volumétrica

V – volume final
V0 – volume inicial
ΔT – variação de temperatura
ΔV – variação do volume

Resumo

  • Quando um sólido é aquecido, suas moléculas passam a vibrar com mais amplitude, ocupando um espaço maior. Dependendo do aquecimento e do coeficiente de dilatação do material, o efeito pode ser observado a olho nu.
  • Os coeficientes de dilatação superficial e volumétrico de um mesmo material homogêneo (feito de uma única substância) são, respectivamente, o dobro e o triplo do coeficiente de dilatação linear.
  • Todo corpo sofre os três tipos de dilatação simultaneamente, no entanto, um deles é mais significativo que os outros, pois é mais privilegiado pelo formato do corpo.

Exercícios sobre dilatação térmica

Uma barra de ferro de 2,0 m de comprimento cujo coeficiente de dilatação linear é α=1,2.10-5 ºC-1 encontra-se em temperatura ambiente (25ºC). Esse corpo é, então, exposto a uma fonte de calor, atingindo, ao final de seu aquecimento, uma temperatura de 100 ºC.

Determine:

a) a dilatação sofrida pela barra.

b) o comprimento final da barra.

c) os coeficientes de dilatação superficial e volumétrico do material do qual essa barra é feita.

Resolução

a) Para calcularmos a dilatação sofrida pela barra, precisamos lembrar que seu formato é linear, por isso, essa é a forma de dilatação mais importante sofrida por ela. Usando a fórmula da dilatação linear, teremos:

Cálculo da dilatação linear

De acordo com o resultado acima, essa barra sofreria uma expansão de 1,8 mm em seu comprimento.

b) O comprimento final da barra pode ser facilmente encontrado, uma vez que já sabemos a dilatação sofrida por ela. Seu comprimento final será de 2,0018 m (2 metros e 1,8 milímetros)

c) Os coeficientes de dilatação superficial e volumétrica são múltiplos do coeficiente de dilatação linear. Seus valores são, respectivamente, 2,4.10-5 ºC-13,6.10-5 ºC-1.

​​​Por Me. Rafael Helerbrock

Os trilhos de trem contam com pequenos espaços entre suas barras, chamados juntas de expansão, usados para diminuir os efeitos da dilatação térmica.
Os trilhos de trem contam com pequenos espaços entre suas barras, chamados juntas de expansão, usados para diminuir os efeitos da dilatação térmica.

Determine o módulo do coeficiente de dilatação superficial de uma viga metálica homogênea de 5,0 m de comprimento que, quando aquecida a 50 ºC, apresenta uma dilatação linear de 5.10-3 m.

a) 4.10-5 ºC-1

b) 2.10-5 ºC-1

c) 3.10-5 ºC-1

d) 1.10-5 ºC-1

e) 0,5.10-5 ºC-1Questão 2

Sabendo que determinado material sólido e homogêneo apresenta um coeficiente de dilatação volumétrica constante e igual a 1,2.10-5 °C-1, determine o coeficiente de dilatação superficial desse material e assinale a alternativa correta:

a) 0,4.10-5 °C-1

b) 0,8.10-5 °C-1

c) 2,4.10-5 °C-1

d) 3,6.10-5 °C-1

e) 1,8.10-5 °C-1

Assinale a alternativa que define de forma correta o que é temperatura:

(a) É a energia que se transmite de um corpo a outro em virtude de uma diferença de temperatura.

(b) Uma grandeza associada ao grau de agitação das partículas que compõe um corpo,     quanto mais agitadas as partículas de um corpo, menor será sua temperatura.

(c) Energia térmica em trânsito.

(d) É uma forma de calor.

(e) Uma grandeza associada ao grau de agitação das partículas que compõe um corpo, quanto mais agitadas as partículas de um corpo, maior será sua temperatura.Questão 2

(AFA-SP) Assinale a alternativa que define corretamente calor.

(a) Trata-se de um sinônimo de temperatura em um sistema.

(b) É uma forma de energia contida nos sistemas.

(c) É uma energia de trânsito, de um sistema a outro, devido à diferença de temperatura entre eles.

(d) É uma forma de energia superabundante nos corpos quentes.

(e) É uma forma de energia em trânsito, do corpo mais frio para o mais quente.

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Sobre bbraga

Atuo como professor de química, em colégios e cursinhos pré-vestibulares. Ministro aulas de Processos Químicos Industrial, Química Ambiental, Corrosão, Química Geral, Matemática e Física. Escolaridade; Pós Graduação, FUNESP. Licenciatura Plena em Química, UMC. Técnico em Química, Liceu Brás Cubas. Cursos Extracurriculares; Curso Rotativo de química, SENAI. Operador de Processo Químico, SENAI. Curso de Proteção Radiológica, SENAI. Busco ministrar aulas dinâmicas e interativas com a utilização de Experimentos, Tecnologias de informação e Comunicação estreitando cada vez mais a relação do aluno com o cotidiano.

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