Termodinâmica e temperatura

Você já quebrou um copo ao colocá-lo quente na pia gelada? Já percebeu que no verão os fios dos postes parecem mais compridos que no inverno? Tudo isso pode ser explicado pelos conceitos de Física, como a termodinâmica e a temperatura.

Neste post, você terá algumas de dicas de como trabalhar com as variáveis de temperatura e calor num tema que costuma cair bastante no Enem: a termodinâmica.

Dilatação dos Sólidos

As dimensões de um corpo sólido são influenciadas pela variação de temperatura. Um exemplo mais visível desse fenômeno é o fato de uma barra metálica ou um fio (como os que levam eletricidade nos postes) aumentar/diminuir seu tamanho com o aumento/diminuição da temperatura.

Em física, essa variação das dimensões de um corpo chama-se dilatação/contração térmica.

Um exemplo de uma situação bem prática da aplicação da dilatação (ou expansão térmica) é aquele pote cuja tampa é difícil de abrir. Algumas pessoas costumam colocá-la sob água quente para facilitar a abertura e intuitivamente estão utilizando o fenômeno de expansão térmica.

Outro exemplo de aplicação da expansão térmica se dá em termômetros de mercúrio onde uma coluna desse líquido se expande à medida que a temperatura aumenta e se contrai caso a temperatura diminui.

O fenômeno de dilatação térmica pode ser classificado em linear, superficial e volumétrico dependendo da dimensão em que se dá a expansão/contração.

Dilatação linear

Considere uma barra de ferro submetida ao contato com as chamas de uma vela, como na figura abaixo. A variação de comprimento da barra  é diretamente proporcional ao seu comprimento inicia , à variação de temperatura e depende do material que constitui a barra.

Matematicamente podemos escrever:

A tabela abaixo apresenta os coeficientes de dilatação linear de alguns materiais. Perceba que quanto maior o coeficiente, maior será a dilatação/contração sofrida pelo material caso ocorra alguma variação de temperatura.

Dilatação superficial e volumétrica

Analogamente ao caso da dilatação linear, temos a dilatação superficial (relacionada ao aumento das dimensões de uma área) e a dilatação volumétrica (aumento das dimensões de volume de um objeto).

Como os fenômenos são análogos, podemos descrever a dilatação superficial como:

Já para a dilatação volumétrica temos:

OBS.: A unidade de medida dos coeficientes de dilatação é °C^-1.

Calor

Calor (Q) nada mais é do que energia térmica em trânsito. Isso mesmo, calor é ENERGIA que está em trânsito, portanto não podemos dizer (pelo menos em terminologia correta da física) a famosa expressão “estou com calor”.

O correto seria dizer “estou com uma sensação térmica de aumento de temperatura”. Deixando o trocadilho de lado, passamos agora a investigar o que ocorre quando há calor.

Primeiramente, para que haja calor, é necessária uma diferença de temperatura entre os corpos. A figura abaixo apresenta dois corpos A e B com temperaturas diferentes  isolados termicamente do ambiente externo. Assim, surge espontaneamente uma troca de calor que flui do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

Essa troca de calor ocorrerá até que os corpos possuam a mesma temperatura, isto é, até que seja alcançado o equilíbrio térmico.

OBS.: A unidade de medida de calor é a caloria (cal), onde 1 cal = 4,18 J.

O calor cedido ou absorvido por um corpo pode ser classificado em calor sensível e calor latente. O calor sensível é responsável pela mudança de temperatura enquanto que o calor latente é responsável pela mudança de fase.

Por exemplo, enquanto aquecemos 1 L de água para fazermos um café (lembre-se que para fazer um bom café não podemos deixar a água ferver) aumentamos a temperatura da água da temperatura ambiente, seja 20°C, até aproximadamente 80°C.

A quantidade de calor que a água absorveu das chamas foi capaz de elevar a temperatura da água, portanto calor sensível. Agora considere o caso de um cubo de gelo em cima de uma mesa exposto ao meio ambiente. Esse gelo vai gradativamente derretendo, ou seja, o gelo vai se fundindo até o ponto de todo o gelo virar água.

Neste processo, NÃO HÁ mudança de temperatura, ocorre apenas uma mudança de fase, e, assim, a quantidade de calor recebida pelo gelo é chamada de calor latente.

Matematicamente calculamos o calor sensível através da equação:

OBS.: A unidade de medida do calor específico é geralmente cal/g°C.

A quantidade de calor latente é dada pela seguinte relação:

OBS.: A unidade de medida do calor latente é cal/g.

O que é Termodinâmica?

A termodinâmica se baseia em três leis. A primeira delas é uma decorrência direta do princípio da conservação da energia. Basicamente ela diz que há uma variação da energia interna de um sistema quando calor é absorvido/cedido realizando trabalho. Matematicamente, escrevemos:

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica diz que o calor flui naturalmente e espontaneamente do corpo com maior temperatura para o de menos temperatura e JAMAIS no sentido contrário. Você provavelmente deve estar se perguntando “mas como as geladeiras podem tirar o calor dos alimentos?”.

Esse é um processo que NÃO É espontâneo e ocorre por que existe uma máquina/motor na geladeira que está cedendo calor para o meio ambiente. Você provavelmente já viu que o fundo das geladeiras é bem quente e possui um “circuito” metálico que é utilizado para a dissipação de calor.

Terceira lei da termodinâmica

A terceira e ultima lei da termodinâmica diz que é impossível atingirmos o zero absoluto. O zero absoluto neste caso está relacionado com a temperatura. Para diminuirmos a temperatura de um objeto devemos realizar um processo e para diminuir cada vez mais, você precisará de infinitos processos para fazê-lo o que torna o procedimento IMPOSSÍVEL.

Uma outra interpretação para essa lei é o fato de os acontecimentos do universo sempre tenderem para a desordem, que em física chamamos de entropia. A entropia é a quantidade física que mede o grau de desordem de um sistema.

Um ovo ao cair de sua mão diretamente no chão, espatifando-se ao final da queda, aumenta a desordem do universo (você nunca vai encontrar um ovo espatifado no chão se reintegrando e subindo de volta para sua mão em sua forma perfeita). Matematicamente podemos determinar a variação entropia  através da seguinte equação:

Veja a aula do prof. Rossetto e continue aprendendo o conteúdo de termodinâmica!

Agora resolva 10 exercícios sobre termodinâmica e continue estudando:

Sobre o(a) autor(a):

O texto acima foi elaborado pelo Prof. Dr. Fernando Henrique Martins. Fernando é bacharel e licenciado em Física pela Universidade de Brasília, possui Mestrado (pela UnB) e Doutorado em Nanotecnologia pela Université Pièrre et Marie Curie (Paris/França). Foi professor de ciências, matemática e física em várias escolas de Brasília e Florianópolis atuando desde o ensino fundamental ao ensino médio. Fernando também lecionou disciplinas de física para diversos cursos de engenharia e física na Universidade Federal de Santa Catarina. E-mail: [email protected] Facebook: https://www.facebook.com/nando.martins.376?ref=bookmarks