Temperatura, calor e mudanças de estado

Entenda o conceito

Temperatura caracteriza o estado térmico e permite prever o sentido da troca espontânea de energia. Calor é energia transferida por diferença de temperatura, não algo armazenado dentro de um corpo. Uma piscina e uma xícara podem ter a mesma temperatura e quantidades muito diferentes de energia interna. Ao contato, a energia flui espontaneamente do mais quente para o mais frio até o equilíbrio térmico.

A lei zero permite usar termômetros: se A está em equilíbrio térmico com C e B também, A e B estão em equilíbrio entre si. Em escalas usuais, K=°C+273,15 e °F=(9/5)°C+32. Uma variação de 10 °C corresponde a 10 K, sem somar 273,15; em Fahrenheit, corresponde a 18 °F. Kelvin não usa símbolo de grau.

Capacidade calorífica C mede a energia necessária por variação de temperatura de um corpo: C=Q/ΔT. Calor específico c é por unidade de massa: C=mc. Sem mudança de fase e com c aproximadamente constante, Q=mcΔT. Q positivo indica energia recebida pelo sistema; se a temperatura cai, ΔT e Q são negativos nessa convenção.

Durante fusão ou vaporização de substância pura a pressão fixa, pode entrar energia sem mudar a temperatura. Essa energia altera a organização das partículas: Q=mL, em que L é calor latente da transformação. Uma curva de aquecimento tem trechos inclinados, para Q=mcΔT, e patamares, para Q=mL. Misturas e pressão variável não precisam apresentar patamares na mesma forma.

Em calorímetro ideal isolado, a soma das energias trocadas pelos corpos é zero. Para misturar massas iguais da mesma substância, sem fase mudando e com c constante, a temperatura final é a média das iniciais. Com massas ou calores específicos diferentes, faça o balanço mc(Tf−Ti) de cada corpo, incluindo o recipiente se sua capacidade não for desprezível.

Condução transfere energia através da interação entre partículas sem transporte macroscópico de material; convecção envolve movimento de fluido; radiação usa ondas eletromagnéticas e dispensa meio material. Num fluxo estacionário através de placa uniforme, a taxa por condução é kAΔT/L, com k condutividade térmica. Essa taxa é potência em watts, não energia em joules.

Materiais normalmente se dilatam ao aquecer. Para pequenas variações, ΔL=αL₀ΔT; em sólidos isotrópicos, coeficientes superficial e volumétrico são aproximadamente 2α e 3α. Um furo numa placa dilata como se fosse preenchido pelo mesmo material. Para líquidos em recipiente, a dilatação aparente é a real do líquido menos a do recipiente. A água apresenta comportamento anômalo entre aproximadamente 0 °C e 4 °C: ao aquecer nesse intervalo, seu volume diminui.

Para comparar dilatação real e aparente, comece pelos volumes iniciais. Se um frasco cheio de 1 litro tem coeficiente volumétrico γf e o líquido tem γl, ao aquecer ΔT, o líquido aumenta V₀γlΔT e a capacidade aumenta V₀γfΔT. O excesso ideal é V₀(γl−γf)ΔT. Para o frasco isotrópico, γf≈3α; área superficial usa β≈2α. A aproximação ignora termos quadráticos em αΔT e pressupõe coeficientes constantes no intervalo.

Um diagrama de fases relaciona pressão p e temperatura T, não calor recebido e temperatura. Cada região indica fase estável; linhas indicam coexistência de duas fases. Três linhas encontram-se no ponto triplo. A curva líquido-vapor termina no ponto crítico: acima de sua temperatura não há transição líquido-vapor descontínua ao comprimir isotermicamente. Abaixo da pressão do ponto triplo de uma substância típica, aquecer pode levar diretamente de sólido a vapor, por sublimação. Não confunda essa curva p×T com um patamar numa curva de aquecimento a pressão fixa.

A posição das fronteiras depende da substância. A linha de fusão da água tem inclinação negativa perto das condições usuais, ao contrário da maioria das substâncias: pressão maior pode favorecer o líquido. Num trajeto a pressão constante, desenhe uma horizontal no diagrama p×T e leia quais fronteiras ela cruza. A lei zero justifica equilíbrio; o diagrama identifica fases em equilíbrio, não a velocidade com que a transformação acontece.

Para escolher o mecanismo de transferência, observe o que transporta energia. Uma barra metálica com uma ponta quente transmite por condução; circulação macroscópica de água aquecida é convecção; energia solar atravessando o vácuo é radiação. Os mecanismos podem coexistir. A intensidade de emissão térmica depende da temperatura e das propriedades da superfície; calor não é uma substância que sobe, embora fluido aquecido possa subir por diferenças de densidade sob gravidade.

Calor sensível

Energia transferida associada a variação de temperatura, sem mudança de fase.

Calor latente

Energia por massa associada à mudança de estado.

Equilíbrio térmico

Estado sem troca líquida de calor entre corpos em contato.