Definição de Calor

Teoria Completa

O que é calor Q ?

Na maioria das vezes, o primeiro passo para lavar uma panela quente é jogar água fria dentro dela. Se a gente fizer isso, a água vai esquentar e a panela vai esfriar até as duas ficarem com a mesma temperatura, certo? Mas por que a temperatura da água aumenta e a temperatura da panela diminui? Isso acontece, porque a panela dá um pouco da sua energia para a água!

Dizendo isso de outro jeito, quem tem temperatura maior (panela) passa energia para quem tem temperatura menor (água). Ou seja, essa troca de energia só existe por causa da diferença de temperatura entre a panela e a água! Essa transferência de energia que ocorre por conta da diferença de temperatura é chamada de calor.

Em termodinâmica, a letra que Q é usada para representar a quantidade de energia que foi passada do objeto mais quente pro objeto mais frio por calor. Pra simplificar, ao invés da gente chamar Q de quantidade de energia transferida por calor, vamos chamar só de calor ou calor trocado. A unidade de Q em S.I. (Sistema Internacional de Unidades) é o joule J .

Como saber se o valor do calor trocado Q é positivo ou negativo?

Se a gente quiser ferver 1   k g de água em uma panela à pressão atmosférica, precisamos dar 2256000   J de energia através de calor para a água líquida.

Ou seja, se a gente considerar a água como o sistema termodinâmico que queremos estudar, dizemos que ela recebe uma quantidade de energia por calor igual a:

Q = 2256000   J

Em outras palavras, quando o sistema (água) recebe energia, falamos que o valor do calor trocado Q através da sua fronteira é positivo.

Q > 0

Se a gente colocar a panela na geladeira para fazer o quilograma de vapor virar líquido de novo, ela vai precisar perder os mesmos 2256000   J que tinha ganhado antes. Nesse caso:

Q = - 2256000   J

Dizendo isso de outro jeito, quando o sistema (água) perde energia, falamos que o valor do calor trocado Q através da sua fronteira é negativo.

Q < 0

Processo adiabático Q = 0

Quando o sistema ganha calor, falamos que ele passa por um processo de aquecimento Q > 0 . Quando o sistema perde calor, falamos que ele passa por um processo de resfriamento Q < 0 . Qual é o nome do processo, quando o sistema não troca calor com o ambiente Q = 0 ? Chamamos esse processo de processo adiabático!

Cuidado! Não confunda processo adiabático com processo isotérmico! Eles são dois processos diferentes! No processo isotérmico, a temperatura do sistema não varia. No processo adiabático, o sistema não troca calor com sua vizinhança. Existem formas de fazer a temperatura do sistema variar sem ele precisar trocar calor com o ambiente ao redor!

A figura acima mostra uma dessas formas de variar a temperatura do sistema sem a troca de calor. Nesse processo, alguém está comprimindo uma seringa com vapor d’água. Ou seja, a pessoa está dando energia para o vapor através da força que ela faz no êmbolo. Essa energia a mais faz com que as moléculas de água se agitem mais e a sua temperatura aumente sem a água precisar ganhar calor!

O calor Q não é uma propriedade termodinâmica do sistema!

Quando a gente vai lavar uma panela quente, a gente joga água nela primeiro para ela ficar mais fria e não queimar nossa mão. Mas por que uma panela mais quente consegue queimar a nossa mão e uma panela com uma temperatura menor não é capaz disso?

Isso acontece, porque quanto maior a diferença de temperatura entre a nossa mão e a panela Δ T , mais calor é trocado entre as duas Q . A panela quente libera mais energia para a nossa mão do que a panela mais fria! Quando nossa mão ganha mais energia, ela se queima!

Q ↑ = Δ T ↑

Falando isso de outra forma, precisamos saber quanto vale essa diferença de temperatura Δ T durante todo o processo para a gente conseguir calcular a quantidade de energia que foi trocada por calor Q ! Se a gente considerar que a panela é o nosso sistema, podemos dizer que precisamos saber a história do sistema para conhecer o calor que ele liberou.

A imagem de cima relembra a pergunta que precisamos fazer para descobrir se uma variável é uma propriedade termodinâmica do sistema. Ela é uma propriedade, se conseguimos descobrir o seu valor sem precisar saber a história que trouxe o sistema até o seu estado. Por causa disso, o calor realizado pelo sistema não pode ser considerado uma propriedade!

Como saber se a transferência de energia é calor Q ou trabalho W ?

Trabalho W e calor Q são dois tipos diferentes de transferência de energia entre o sistema e sua vizinhança. Pode parecer fácil determinar, se a energia atravessa a fronteira do sistema por calor ou por trabalho, mas isso pode ficar complicado as vezes. Saber fazer essa decisão é muito importante para conseguir usar as fórmulas que veremos no futuro!

Imagine um copo d’água sendo aquecido por uma resistência elétrica. A resistência elétrica fica quente por causa dos elétrons que se movimentam por ela. Vimos que esse movimento é causado pela força elétrica. Por isso, podemos achar que a resistência realiza trabalho sobre a água. Será que essa lógica está certa? É por causa do trabalho que a energia entra na água?

Então fica uma dúvida! Se a gente considerar que a água é o nosso sistema, podemos nos perguntar: a resistência elétrica realiza trabalho sobre o sistema ou dá calor para ele? Fica mais fácil de entender a questão, perguntando de outra forma: o que faz a energia atravessar a fronteira do nosso sistema (água do copo) é o calor ou o trabalho?

Para responder essa pergunta, precisamos achar a solução de outra: a energia da resistência elétrica entraria na água, caso o líquido tivesse a mesma temperatura da resistência? Ou seja, se não tivesse diferença de temperatura entre o sistema (água) e sua vizinhança (resistência elétrica), a energia cruzaria a fronteira e entraria na água? A resposta é não!

A energia só cruza a fronteira, por causa dessa diferença de temperatura. Como a transferência de energia causada por um Δ T é chamada de calor, falamos que a resistência dá calor pra água! No entanto, se a fronteira do nosso sistema incluísse uma parte da resistência elétrica, acharíamos outra resposta! Por isso, é importante saber qual é a fronteira do sistema!

Nesse caso, a transferência de energia através da fronteira é causada pela corrente elétrica. É a força elétrica que empurra os elétrons e causa essa corrente. Por causa disso, dizemos que a resistência dá energia para o sistema através dessa força. Nesse exemplo, podemos dizer que a vizinhança (parte da resistência) realiza trabalho sobre o sistema (água e bobina elétrica).

Agora fica mais fácil decidir se uma troca de energia entre o sistema e a sua vizinhança é por calor ou por trabalho. É só se perguntar a energia atravessa a fronteira do sistema por causa de um Δ T ou de uma força! Se a causa for uma diferença de temperatura, a troca de energia acontece por calor. Se a causa for uma força, ela acontece por trabalho.

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Um copo de água gelada a 6   ° C é esquecido sobre a mesa. Suponha que a temperatura do ar ambiente vale 25   ° C . Considerando que a água seja o nosso sistema termodinâmico, a troca de calor entre a água e o ambiente é positiva ou negativa?

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Passo 1

Quando o enunciado pergunta se a troca de calor Q entre a água e o ambiente é positiva Q > 0 ou negativa Q < 0 , ele quer saber se a água ganha energia ou perde energia nessa troca. Se ela ganhar energia, o calor trocado é positivo Q > 0 . Se ela perder energia, o calor trocado é negativo Q < 0 .

Mas como podemos descobrir se a energia está entrando na água ou saindo dela? Vamos responder essa pergunta no próximo passo.

Passo 2

A gente descobre isso, lembrando o que é calor. Calor é uma troca de energia que acontece do objeto mais quente para o objeto mais frio. Em outras palavras, a energia trocada por calor sai sempre do objeto com temperatura maior para entrar no objeto com temperatura menor.

Como a temperatura da água T á g u a é menor que a temperatura do ar ambiente T a m b , a energia sai do ambiente e entra na água. Por causa disso, dizemos que o calor trocado pelo nosso sistema (água) é positivo!

Q > 0

Resposta

Q > 0

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Considere uma resistência elétrica dando energia para um copo d’água. A resistência elétrica fica quente por causa dos elétrons que se movimentam por ela. A água recebe energia por calor ou por trabalho?