Calor
Em física, engenharia, e outras áreas da ciência e tecnologia, calor é energia que é transferida entre parcelas de matéria devido à diferença de temperaturas entre elas.
Equivalência de energia e calor
Desde a Pré-História sabe-se que o calor é algo que geralmente flui de objetos mais quentes para objetos mais frios. Na Idade Moderna e Renascença, foi formulada a teoria do calórico, suposto fluido que constituiria o calor. Nessa teoria, combustíveis conteriam quantidade desse fluido, que seria liberado na combustão. A observação de que o atrito de dois corpos gerava calor levou também a supor que o desgaste dos sólidos liberava calórico armazenado neles. Lavoisier inicialmente incluiu o calórico em sua tabela de elementos químicos. A noção de que o calor é uma forma de energia surgiu, em termos históricos, muito recentemente no desenvolvimento da ciência. Em 1798, Benjamim Thompson (também conhecido como o Conde de Rumford), supervisionando a perfuração de canhões do arsenal de Munique, notou que o calor era liberado mesmo depois que as brocas ficavam cegas; o que contrariava uma opinião então vigente, de que o calor liberado era consequência de um suposto menor calor específico das aparas de ferro em relação ao ferro maciço.
Calor não é nem energia térmica nem energia interna
O calor é apenas energia transferida entre corpos, não energia armazenada nos corpos. Não tem sentido dizer que um dado corpo "contém" ou "possui" uma certa quantidade de calor. A transferência de uma quantidade Q de calor (energia) para um corpo causa um aumento de Q na sua energia interna; mas esta é composta por duas parcelas, a energia térmica (energia cinética dos movimentos incoerente dessas partículas) e a energia potencial (que inclui a energia armazenada na distorção de ligações entre átomos). [Ref. 1][Ref. 2] A transferência de calor entre corpos (ou partes de um corpo) por contato não é a única maneira de mudar a energia interna de um sistema. Esta pode ser alterada exercendo ou extraindo trabalho mecânico no ou do sistema, ou por meio de campos elétricos, magnéticos ou gravitacionais,
Transferência e fluxo de calor por condução
A transferência de calor entre corpos sólidos em contato ocorre por condução: interações entre as partículas adjacentes à fronteira, que transferem a energia térmica no sentido da maior temperatura para a menor temperatura. O mesmo mecanismo é responsável pela transferência de calor entre partes diferentes do mesmo corpo sólido que não está a uma temperatura uniforme. O corpo em questão pode ser conceitualmente dividido em inúmeros corpos pequenos, cada qual com temperatura aproximadamente uniforme. O fluxo do calor dentro do corpo consiste então das transferências de calor através das fronteiras entre essas várias partes. O calor transferido ente dois sistemas complexos — como entre o corpo humano e o ar ambiente, ou entre os oceanos e a atmosfera — é a soma do calor transferido através de todas as partes da fronteira entre os dois sistemas.
Transferência de energia por radiação
Além de transferência por contato ("condução"), costuma-se dizer que calor também pode ser transferido por "radiação". Na verdade, este fenômeno é uma transferência indireta de energia: parte da energia térmica (energia cinética das vibrações das partículas) de um corpo produzem ondas eletromagnéticas, que, ao atingir o segundo corpo, causa um aumento da energia térmica de suas partículas. Esta forma de transmissão de energia portanto pode ocorrer entre corpos separados por vácuo ou grandes distâncias (como entre o Sol e a Terra) ou através de meios materiais transparentes à radiação (como através de uma folha de vidro).
Transferência de energia por troca de matéria
Outra maneira de transferir energia interna entre dois sistemas, ou duas partes do mesmo sistema, é através da transferência de matéria. Por exemplo, se a parede que separa dois volumes de gás com temperaturas diferentes é removida subitamente, ocorre o fenômeno de difusão: as moléculas de gás de cada volume atravessam a fronteira ideal onde estava a parede e se misturam às do outro volume, levando consigo sua energia cinética. Outras variantes deste modo de transferência de energia ocorrem quando dois líquidos miscíveis são colocados em contato, e quando há dissolução ou cristalização entre um sólido e um líquido de temperaturas diferentes. Outra modalidade semelhante de transferência de energia é quando uma porção de matéria, por exemplo um fluido, passa de um sistema para o outro (ou de uma parte a outra do mesmo sistema) sem se misturar de imediato. Por exemplo, a energia captada por um aquecedor solar é transferida para o tanque de água quente pelo movimento da água aquecida.
Embora a caloria (cal) corresponda à unidade usualmente empregada, a unidade para a medida de calor no Sistema Internacional (SI) é o joule (J). Uma caloria corresponde a aproximadamente 4,18 joules. De uso não pouco comum é também a unidade imperial BTU - British Termal Unit, em português, unidade térmica britânica. A BTU equivale a aproximadamente 252,2 calorias. O conceito de calor utilizado pela população é o já há muito estabelecido em senso comum, conceito esse notoriamente ainda apegado à ideia do calórico; fluido cuja existência há muito já foi contestada pela ciência. Em pleno verão ou mesmo no outono, as pessoas costumam reclamar da temperatura: "Que calorão!"; "Que calor insuportável!"; e vestem roupas leves quando a temperatura sobe a fim de diminuir o calor; e se agasalham quando a temperatura ambiente cai a fim de "conservarem o calor" de seus corpos e não exporem seus organismos às alterações térmicas que prejudicariam sua estabilidade. Poucas são as vezes nas quais acabam acertando nas expressões, e quando o fazem, o fazem contudo por motivos ainda incorretos: o ar refrigerado dá uma agradável sensação de bem-estar porque é regulado para manter o calor em nível agradável, sejam quais forem as alterações climáticas que ocorram no ambiente externo.
Calor e a Física
Embora grandezas termodinâmicas, ao contrário do que ocorre com a energia interna e suas variações, calor e trabalho não são funções de estado; ou seja, o calor e o trabalho envolvidos em processos termodinâmicos não dependem apenas dos estados inicial e final do sistema em transformação. A quantidade de calor e trabalho envolvidos em um processo são explicitamente dependentes do caminho, no espaço de estados, associado à transformação; literalmente da forma como o sistema evolui do estado inicial A para o estado final B, quer via uma evolução quase-estática e reversível - a geralmente e antes considerada - quer via processo abrupto ou irreversível. Provido que, ao término, os estados inicial A e final B do sistema sejam sempre os mesmos, evoluções diferentes implicam quase sempre valores diferentes para as grandezas trabalho e calor.
Calor e a Biologia
Se alguém afirmasse que quanto mais baixa é a temperatura ambiente, mais calor há; e que quando a temperatura ambiente sobe para valores próximos à temperatura corporal, o mal estar associado deve-se não ao excesso, mas sim à falta, de calor; isso certamente chamaria a atenção e seria motivo de espanto, se não para todos pelo menos para a grande maioria das pessoas. Pois cientificamente é exatamente isso que ocorre no caso dos organismos homeotérmicos, a exemplo o do ser humano. Em organismos homeotérmicos há um sistema pertinente que regula a temperatura corporal, essa regulando-se normalmente em valor acima da temperatura média do ambiente no ecossistema ao qual os espécimes pertencem. Boa parte da fisiologia de tais organismos desenvolveu-se fundada em reações químicas isotérmicas, de forma que variações nas temperaturas corporais desses organismos implicam, quase sempre, risco de morte apreciável para os mesmos.
Calor e a Química
Reações químicas são processos que em escala atômica levam a alterações nas posições relativas de átomos ou íons de forma a dar-lhes nova configuração molecular, iônica ou similar. Basicamente há uma redistribuição da nuvem eletrônica entre os núcleos atômicos que estruturam a matéria e suas micropartes, de forma que, na nova configuração, essa geralmente situa-se em posições distintas das ocupadas antes da reação. Na reação entre hidrogênio e oxigênio, a exemplo, nuvens eletrônicas que antes estendiam-se por sobre dois núcleos de hidrogênio justapostos, ou por sobre dois íons de oxigênio justapostos, são desfeitas; e novas nuvens eletrônica são estabelecidas sobre um núcleo de oxigênio e dois de hidrogênio, ligando-os quimicamente através de ligações no caso específico nomeadas ligações covalentes. Hidrogênio e oxigênio reagem estequiometricamente de forma explosiva a fim de formar água.
Os processos físicos atrelados à existência de calor podem ser separados essencialmente em dois grupos: os que demandam a existência de matéria entre os sistemas ou entre as partes em consideração; e os que ocorrem mesmo em ausência de matéria entre as partes. Nesse último grupo, os processos físicos apoiam-se essencialmente no princípio do calor por radiação. No primeiro grupo, contudo, separam-se os processos físicos em dois subconjuntos: um onde agrupam-se os processos que demandam a existência de matéria sem contudo implicarem a dinâmica dessa, apoiados no princípio do calor por condução; e outro onde os processos não apenas requerem mas também implicam dinâmica material, esses fundamentalmente apoiados no principal do calor por convecção. De forma elucidativa, citam-se como exemplos que, entre a chama de um fogareiro e o alimento sendo cozido no interior de uma panela metálica, verifica-se a presença de calor por condução; que no interior de uma geladeira com um congelador em sua parte superior verifica-se movimento de ar quente em sentido ascendente e de ar frio em sentido descendente, estabelecendo a presença de calor por convecção. Já a transferência de energia entre o Sol e a Terra dá-se em totalidade prática via calor por radiação.
Condução
Aparte os gases ideais - uma idealização extremamente útil como primeiro passo no estudo e compreensão dos sistemas físicos termodinâmicos - verifica-se que a estrutura da matéria conforme atualmente concebida implica relações ora mais ora menos vigorosas entre as partículas fundamentais que a integram. Particularmente importante no estado sólido, e gradualmente menos significativa nos líquidos e nos gases reais, em escala atômica as relações entre as partículas em questão - os átomos - são sobretudo as determinadas por interações de natureza elétrica. Quer ionizados quer não, em sólidos os átomos assumem posições relativas tais que, caso esses tentem se afastar demasiadamente, os efeitos elétricos oriundos da interação das nuvens eletrônicas entre si e com os respectivos núcleos atômicos estabelecem forças que novamente os aproximam. Contudo a aproximação em demasia também implica forças de natureza elétrica, agora repulsivas. O balanço entre as duas situações estabelece configurações espaciais de equilíbrio, sendo responsável, entre outros, pelas estruturas das ligações covalentes bem como da amostra como um todo em compostos moleculares; pelas disposições dos íons bem como pelo parâmetros de rede em estruturas iônicas cristalinas; e pelas características dos materiais com ligações metálicas.
Convecção
A convecção já não é a nível molecular como era o caso da condução. Esta já pode ser de duas formas, por convecção natural em que é devido à diferença de densidade do fluido devido ao aquecimento do fluido ou por convecção forçada em que existe um mecanismo externo ao sistema a forçar o movimento do fluido. Este mecanismo é segundo a Lei de Newton. q=h(T_s-T_∞) Em que: qx é a taxa de transferência de calor por unidade de área perpendicular à superfície em [W/m²]. h é o coeficiente de transferência de calor que depende das condições e natureza do escoamento, da geometria da superfície e das propriedades do fluido em [W/m²*K].
Radiação
Qualquer corpo ou superfície a uma temperatura superior ao zero absoluto emite radiação electromagnética por alteração na configuração electrónica de átomos e moléculas. A radiação térmica está restrita aos comprimentos de onda entre 0,1 e 100 μm do espectro electromagnético. A propagação de ondas electromagnéticas (ou fotões) ocorre através de corpos ou fluidos não opacos, ou no vácuo, não precisando, portanto, da existência de matéria. A lei básica é a lei de Stefan-Boltzmann. Como se pode concluir, o transporte de energia associado a este mecanismo é qualitativamente diferente dos mecanismos referidos acima (condução e convecção). Contudo, uma vez que todas as superfícies emitem radiação térmica, e esta será tanto maior quanto mais elevada for a temperatura, se um corpo emitir mais energia do que aquela que recebe proveniente das superfícies envolventes, a temperatura desse corpo diminuirá.
Para calcular o calor latente é necessário utilizar a seguinte expressão: Onde Q é a quantidade de calor recebida ou cedida pelo corpo, m é a massa do corpo e L é o calor latente ou calor de transformação mássico (é a energia necessária fornecer á massa de 1 kg de substância para que mude de estado).
Ao contrário da capacidade térmica, o calor específico não é característica do corpo, mas sim característica da substância. Corresponde à quantidade de calor recebida ou cedida por 1 g da substância que leva a uma variação de 14,5 °C para 15,5 °C na temperatura do corpo em questão. É dado pela relação da capacidade térmica do corpo pela sua massa. É representado pela letra c (minúscula) e é medido em cal/g.°C ou cal/g.K: Onde c é o calor específico, C é a capacidade térmica e m é a massa.
Grandeza física que determina a variação na quantidade de energia térmica em um corpo, ou seja, determina a energia térmica que transitou para outro corpo ou que mudou de natureza. A unidade do SI para quantidade de calor é o J (Joule), mas é comum usar cal (Caloria) ou Cal (Caloria lateral).
A quantidade de calor pode ser representada por Δ E T , {\displaystyle \Delta E_{T},} representando uma variação de energia térmica no corpo (perceba que a energia não se perde, apenas transita ou muda de natureza).
Quantidade de calor sensível
Essas são as fórmulas para se calcular a quantidade de calor que não causa mudança de estado físico, apenas de temperatura. A quantidade de calor sensível ( Q c S {\displaystyle Q_{c_{S}}} ) pode ser calculada a partir da potência de uma fonte térmica ( P o t T {\displaystyle Pot_{T}} ) e do tempo de fornecimento de energia a partir dessa fonte térmica ( Δ t {\displaystyle \Delta t} ). Q c S = Δ t ⋅ P o t T {\displaystyle Q_{c_{S}}=\Delta t\cdot Pot_{T}} Também é possível calcular a quantidade de calor a partir da massa da substância que sofre variação térmica ( m {\displaystyle m} ), do calor específico dela ( c {\displaystyle c} ) e da variação térmica que o corpo sofre ( Δ T {\displaystyle \Delta T} ).
Quantidade de calor latente
É a quantidade de calor que causa mudança de estado físico, mas não de temperatura. A quantidade de calor latente ( Q c L {\displaystyle Q_{c_{L}}} ) pode ser calculada pelo calor latente ( L {\displaystyle L} ) e pela massa da substância.
