Energia e Calor


Energia

A palavra energia é usada com muita freqüência nos nossos dias. É usada por cientistas, engenheiros, artistas, médicos, professores, até mesmo por místicos, sempre se referindo a algo que faz as coisas acontecerem ou existirem.

Neste momento de nosso curso, vamos começar a entender o que é a energia. Pense em um dia bem comum na sua vida. Em tudo o que você faz ou utiliza, a energia está presente. Os alimentos que consome lhe fornecem energia para as suas funções vitais. O chuveiro com o qual você toma banho aquece a água, convertendo energia elétrica ou à combustão de um gás em calor.

 

 

Acendemos a luz para ler um livro, ligamos a TV na tomada para assistir a um programa etc.

Tudo que fazemos envolve energia.

 

Em física classificamos a energia em: energia do movimento (mecânica), energia sonora, energia luminosa, energia elétrica, energia térmica, entre outras.

Neste momento, definiremos a energia do ponto de vista da mecânica, que é a energia do movimento.

  • Energia mecânica é a capacidade de deslocar um corpo, ou seja, de realizar Trabalho.

A unidade de energia, portanto, é a mesma do Trabalho. No sistema Internacional, essa unidade é o Joule (J).

A energia não é criada nem destruída. Ela se transforma de uma forma em outra. Esse fato caracteriza a lei de conservação de energia, uma das leis mais importantes da natureza.

Por exemplo, a energia química da gasolina, em razão da combustão que ocorre nos cilindros dos motores dos automóveis, é transformada em energia mecânica, a qual permite ao automóvel deslocar-se. Mas essa transformação não é completa, pois parte dessa energia é transformada em calor, que também é uma forma de energia, como veremos adiante. Por isso, dizemos que parte da energia é perdida (dissipada em forma de calor).

Energia potencial

Sempre que um objeto está localizado a uma certa altura do solo, e simplesmente o abandonamos, ele entra em movimento. De onde obtém energia para entrar em movimento?

Na realidade, ele não obtém energia nesse instante, mas já possui uma quantidade de energia de movimento, ou seja, de energia mecânica, armazenada. Essa energia que o corpo já possui potencialmente é denominada energia potencial gravitacional.

A energia potencial gravitacional é tanto maior quanto maior for o peso do corpo e tanto maior quanto maior for a altura em que o corpo se encontra em relação a determinado referencial.

Na linguagem matemática, temos:

em que: m é a massa do corpo;

g é a aceleração da gravidade local;

h é a altura em que o corpo se encontra em relação ao nível de referência.

Energia Mecânica

Ainda podemos encontrar energia mecânica na forma potencial quando comprimimos ou distendemos um objeto elástico, como uma mola ou um arco, para lançar uma flecha, por exemplo. Nesses casos, basta soltarmos para haver realização de Trabalho, deslocando uma flecha ou um bloco, por exemplo.

 

A expressão matemática para a energia potencial elástica é:

em que: k é a constante elástica do corpo (que depende do material);

x é a distensão sofrida pelo objeto elástico em relação à sua posição de equilíbrio.

 

Energia cinética

Quando um corpo está em movimento, ou seja, possui velocidade, dizemos que possui energia cinética.

Uma motocicleta que se desloca, a água que cai de uma cachoeira, um elevador em que um parque de diversão, um objeto que cai são exemplos de corpos que possuem energia cinética é:

em que: m é a massa do corpo;

v é a velocidade em que o corpo se desloca.

Conservação da energia mecânica

A energia mecânica de um corpo é a soma de sua energia cinética com sua energia potencial.

Se considerarmos o caso de não haver perdas por geração de calor, em geral devido ao atrito, com uma superfície ou com o ar, e, como a energia não pode ser destruída e nem criada, podemos afirmar que a energia potencial se transforma em energia cinética e vice-versa.

Para entender melhor o que é a energia mecânica, suponha que um corpo vai ser abandonado de certa altura. Neste instante ele possui energia potencial. Ao ser abandonado, à medida que vai caindo, a altura diminui e a velocidade aumenta, ou seja, a energia potencial diminui e a energia cinética aumenta. Se não houver perdas por atrito, esse corpo vai ganhando energia cinética em quantidade exatamente igual à que perdeu em energia potencial, de modo que a soma das duas sempre dá o mesmo resultado.

 

Por exemplo, numa cachoeira, a água no alto possui energia basicamente potencial. À medida que cai, sua energia potencial diminui. Em compensação, a velocidade, e portanto a energia cinética, aumenta. Essa conservação de energia potencial em cinética, e vice-versa, obedece ao princípio da conservação da energia mecânica.

Na ausência de forças de atrito, a energia mecânica se conserva.

 

Potência

Agora analisemos a seguinte situação: dois atletas levantam pesos na academia de ginástica. Eles levantam o mesmo peso à mesma altura. Entretanto, para fazer esse levantamento um atleta demora um segundo, e o outro demora dois segundos.

Ambos realizam o mesmo trabalho, ou seja, gastaram a mesma energia, mas o primeiro atleta foi mais rápido que o segundo, concorda?

Essa relação da energia com o tempo é denominada potência (P).

A unidade de potência no Sistema Internacional é o J/s, que denominamos Watt (W).

Calor

 

Escala de temperatura e sensações térmicas

Em nosso dia-a-dia, estamos acostumados a ter as sensações de quente ou de frio ao encostarmos em alguns objetos. São sensações térmicas. Estamos acostumados a associar essas sensações térmicas com o conceito de temperatura. Dizemos, por exemplo, que a temperatura de uma pedra de gelo é mais baixa que a de uma carne assada que acabou de ser retirada do forno.

Imagine-se num local de piso cerâmico. Você tira os calçados e as meias e, descalço, coloca um pé sobre um tapete e o outro diretamente sobre o piso cerâmico. Num dos pés você terá a sensação de frio e no outro não. Faça esse experimento!

Acontece que tanto o tapete quanto o piso cerâmico estão na mesma temperatura! Isso prova que, nem sempre o nosso tato é totalmente confiável para comparar a temperatura de dois objetos.

É necessário um método científico para fazer a medida da temperatura de um objeto e expressá-la por meio de uma escala numérica. Foi assim que surgiu o conceito de escala de temperatura.

 

Dilatação e contração térmica

Uma maneira comum de construir uma escala de temperatura é usar algum material que tenha propriedades que dependam da temperatura.

Considere, por exemplo, uma barra de metal sendo aquecida numa chama, como mostra a figura ao abaixo. Verifica-se que, à medida que é aquecida, a barra tem seu comprimento aumentado. O aumento do volume de uma material provocado pelo aquecimento se chama dilatação térmica.

 

 

Interrompido o aquecimento, a barra irá resfriando gradualmente e, enquanto isso ocorre, irá voltando ao volume original. A redução do comprimento de um material quando sua temperatura diminui é denominada contração térmica. Se a barra for colocada na geladeira, continuará a resfriar e sofrer contração térmica.

 

A ocorrência da dilatação e da contração térmicas nos permite afirmar que o comprimento de uma barra de metal depende da temperatura. É possível, portanto, usar essa barra para construir, um termômetro. A cada comprimento seria associado uma temperatura. Mas o comprimento de uma barra de metal sólido, durante o aquecimento ou resfriamento, geralmente varia muito pouco.

Os termômetros mais comuns se baseiam nos conceitos de dilatação e de contração térmicas, só que em vez de uma barra sólida se utiliza uma coluna de líquido, que geralmente é álcool colorido ou mercúrio.

 

Quando submetidas a diferentes temperaturas, a coluna de líquido muda consideravelmente de volume. Quanto maior o comprimento da coluna, maior a dilatação sofrida e, portanto, mais alta é a temperatura.

Escalas termométricas – Um Pouco de história

 

A título de curiosidade veja como surgiram estas três escalas mais comuns, e mais usadas.

 

Escala Kelvin

Já vimos que a temperatura é uma grandeza que mede o nível de agitação das moléculas de um corpo.  Quanto maior a agitação maior a temperatura, e quanto menor a agitação, menor a temperatura.

O que seria então lógico pensar a respeito da temperatura quando as moléculas de um corpo qualquer não tivessem agitação nenhuma ?

Pois é, a temperatura deveria ser igual a zero.  Se não tem agitação não tem também temperatura.  Este estado de ausência de agitação é conhecido como zero absoluto, e não pode ser experimentalmente alcançado, embora possa se chegar muito próximo dele.

A escala Kelvin adota como ponto de partida (0 K) o zero absoluto, ou seja, o ponto onde ocorre esta ausência total de vibração das moléculas.

Nesta escala o gelo se forma a 273K e a água ferve a 373K (ao nível do mar).

Esta escala é muito usada no meio científico, já que ela pertence ao Sistema Internacional (SI).

 

Escala Fahrenheit

Esta escala foi criada pelo inventor do termômetro de mercúrio, Daniel Gabriel Fahrenheit, lá pelos anos de 1714.  Para isso ele escolheu dois pontos de partida, chamados atualmente de pontos fixos.  Inicialmente ele colocou seu termômetro, ainda sem nenhuma escala, dentro de uma mistura de água, gelo e sal de amônio.  O mercúrio ficou estacionado em determinada posição, a qual ele marcou e chamou de zero.  Depois ele colocou este mesmo termômetro para determinar um segundo ponto, a temperatura do corpo humano.  Quando o mercúrio novamente estacionou em determinada posição ele a marcou e chamou de 100.  Depois foi só dividir o espaço entre o zero e o 100 em cem partes iguais.  Estava criada a escala Fahrenheit.

Depois disso, quando Fahrenheit colocou seu termômetro graduado numa mistura de água e gelo, obteve o valor de 32ºF, e quando colocou-o em água fervendo obteve o valor de 212ºF.  Portanto, na escala Fahrenheit a água vira gelo a 32ºF e ferve a 212ºF.

Esta escala é mais usada nos países de língua inglesa, com exceção da Inglaterra, que já adotou o Celsius.

 

Escala Celsius

A escala Celsius foi criada por Anders Celsius, um astrônomo sueco, em 1742.  Ele escolheu como pontos fixos, os quais a sua escala seria baseada, os pontos de fusão do gelo (quando o gelo vira água) e de ebulição da água (quando a água ferve).  Ele colocou um termômetro dentro de uma mistura de água e gelo, em equilíbrio térmico, e na posição onde o mercúrio estabilizou marcou o ponto zero.  Depois colocou o termômetro na água em ebulição e onde o mercúrio estabilizou marcou o ponto 100.  Estava criada a escala Celsius.  Sua vantagem era que ela poderia ser reproduzida em qualquer canto do planeta, afinal, ao nível do mar, a água sempre vira gelo e ferve no mesmo ponto, e agora também na mesma temperatura.

A escala Celsius é a mais comum de todas as escalas termométricas.

Relação entre as escalas termométricas

Como você pôde ver, cada uma das três escalas foi definida de uma maneira diferente.  Veja acima qual a relação existente entre elas levando-se em conta o ponto de ebulição da água e fusão do gelo.  Note que estes pontos mudam dependendo da escala adotada.  Se você me perguntar qual a temperatura de fusão do gelo eu posso te dar três respostas: 0ºC, 32ºF ou 273K.  Todas representam a mesma temperatura.  Seria mais ou menos se uma pessoa falasse que andou 2 metros enquanto outra falasse que andou 200 centímetros.  Embora os números sejam diferentes, a distância é a mesma nos dois casos.

Agora você deve estar se perguntando:

Como eu faço para transformar uma escala na outra ?”   Se alguém me falar que a temperatura em Nova Iorque é de 59ºF, como vou saber realmente se lá está muito quente ou frio, já que eu estou acostumado com outra escala, a Celsius ?

Existe uma equação que pode ser usada para fazer estas conversões. Com ela podemos transformar ºF em  ºC K ºC em  ºF ou  K, e outras transformações mais que quisermos.

Veja a equação abaixo:

 

Calor e troca de calor

 

Equilíbrio térmico

Imagine dois cubos de ferro sólidos, cada qual com massa de 1 quilograma (1 kg). Um deles está a 10ºC e o outro a 30ºC. Se os colocarmos em contato, percebemos que, nos minutos seguintes, suas temperaturas se modificam até chegar a uma situação em que ambos apresentam a mesma temperatura, 20ºC.

Quando os dois cubos passam a ter a mesma temperatura, dizemos que eles atingiram o equilíbrio térmico.

De modo geral, dois corpos estão em equilíbrio térmico quando apresentam a mesma temperatura. Por outro lado, quando a temperatura de dois corpos é diferente, eles não estão em equilíbrio térmico. É o caso dos dois cubos de ferro no inicio do experimento.

 

O conceito científico de calor

Por que dois corpos que estão a temperaturas diferentes atingem o equilíbrio térmico algum tempo depois de serem colocados em contato?

A explicação dos cientistas para esse acontecimento é que há transferência de energia do corpo mais quente para o mais frio. Essa é uma regra geral da natureza: quando dois corpos estão colocados em contato, energia flui do que está com uma temperatura mais alta para o outro, que está a uma temperatura mais baixa.

A energia transferida entre dois corpos (ou partes de um mesmo corpo) que têm temperaturas diferentes é denominado calor. O calor sempre flui espontaneamente do corpo mais quente para o mais frio.

O processo é chamado de troca (ou transferência) de calor e ocorre até que o equilíbrio térmico esteja estabelecido.

 

Processos de troca de calor

A transferência de energia de um corpo mais quente para outro mais frio pode acontecer por três modos distintos, sobre os quais falaremos adiante: a condução, a convecção e a irradiação. Na prática a troca de calor entre dois corpos pode até envolver um, dois ou, até mesmo, todos esses três processos. Contudo é importante que você os conheça, a fim de compreender melhor alguns acontecimentos do seu dia-a-dia.

 

Condução térmica

Considere dois cubos de ferro, um a 10ºC e outro a 30ºC, que não estejam diretamente em contato, porque entre eles foi colocada uma camada de um outro material. Se por causa disso, o equilíbrio térmico for retardado, dizemos que esse material é um isolante térmico.

Não existe um material que isole de modo perfeito e impeça completamente a troca de calor, mas há materiais que, na prática, retardam bastante essa troca. Esses materiais são bons isolantes térmicos. Entre eles podemos citar a cortiça, o isopor, a madeira, o ar, a cerâmica, o vidro e a lã de vidro.

Se, por outro lado, a camada de material colocada entre os cubos permitir a troca de calor, como se os cubos estivessem diretamente em contato, então o material é denominado condutor térmico.

Embora não exista um material que conduza de modo perfeito o calor, há vários exemplos que atuam como bons condutores de calor. Alguns deles são a prata, o cobre, o alumínio, o aço e o latão.

 

O conceito de condução térmica

Quando a troca de calor ocorre entre dois corpos em contato direto ou que estejam unidos por um material condutor de calor, o processo é chamado condução térmica.

 

No processo de condução térmica, não há movimentação de material de um corpo para outro. Há, apenas, transporte de energia, ou seja, transferência de calor.

 

 

A condução térmica no cotidiano

Desde a Pré-História o ser humano observa a natureza e aprende com ela. Os humanos primitivos perceberam que alguns animais que resistem bem ao frio são revestidos de pêlos. É o caso de ursos e renas. Essa observação deve ter inspirado o ser humano pré-histórico a usar peles de animais para se proteger do frio. Atualmente usamos roupas apropriadas para isso: os agasalhos.

 

Os agasalhos que usamos, os pelos dos animais e a camada de gordura de alguns deles têm sob a pele são bons isolantes térmicos, que dificultam a saída de calor do organismo para o ambiente frio.

As penas das aves também tem o papel de dificultar a perda de calor para o ambiente. Entre as penas, fica retido um pouco de ar, que é um bom isolante térmico e reduz ainda mais a perda de calor. O isopor, usado para fazer caixas térmicas isolantes, se vale exatamente desse mesmo princípio. Ele nada mais é do que um tipo de plástico (chamado poliestireno) fabricado de modo a conter muitas minúsculas bolhas de ar dentro de si. Essas bolhas são tão pequenas que não as conseguimos ver, mas é a sua presença que deixa o isopor fofo e o torna um bom isolante térmico.

O gelo também é, por incrível que possa parecer, um bom isolante térmico. Os esquimós possivelmente perceberam que a camada de gelo que se forma na superfície dos lagos impede o contato da água que fica abaixo dela com o ar frio, ou seja, funciona como isolante térmico e, por isso, essa água não congela. Possivelmente daí surgiu a inspiração para fazer os iglus, construções de gelo cujo interior é mais quente que o ambiente externo.

Na cozinha encontramos inúmeros exemplos de troca de calor por condução. Ao colocar gelo em um copo de refrigerante, por exemplo, a troca de calor esquenta o gelo e esfria a bebida.

Usando colheres de madeira ou de plástico, podemos misturar o alimento em fervura sem queimar as mãos. Colheres de metal, ao contrário, propagam calor rapidamente, e o cabo esquenta, oferecendo risco de queimaduras.

Alumínio e aço inox são metais empregados em panelas, pois garantem rápida transferência de calor da chama para o alimento. Já o cabo de muitas panelas é de madeira ou baquelite, que são materiais isolantes que evitam queimaduras em quem os manuseia.

Vidro e cerâmica, ao contrário dos metais, não são bons condutores de calor. Panelas e vasilhas de vidro ou de cerâmica exigem maior tempo para transferir o calor ao ambiente. É por isso que, para mantermos a temperatura do alimento, o ideal é servimos em vasilhas de cerâmica.

 

Convecção térmica

 

Convecção térmica de gases

O ar quente apresenta tendência a subir, e o ar frio, tendência a descer. O ar nas proximidades de um aquecedor fica mais quente e sobe. Isso favorece a circulação de ar no ambiente. Se o aquecedor estivesse próximo ao teto, o ar de cima ficaria aquecido e não desceria. O ar frio, por sua vez, ficaria acumulado na parte de baixo do cômodo e, assim, o aparelho não cumpriria sua finalidade: aquecer o ambiente.

Denomina-se convecção térmica o processo de transferência de calor que acontece graças a movimentação de um material.

Perceba que é exatamente isso que acontece no exemplo mostrado. O material que se move pelo ambiente é o ar e, com o movimento, o calor é distribuído pelo cômodo. A movimentação do ar, mais quente e mais frio, cria as chamadas correntes de convecção.

E no caso de um aparelho de ar condicionado: a fim de garantir eficiência no resfriamento do ar da sala, é mais indicado colocá-lo no alto ou embaixo? No alto!!

 

Convecção térmica de líquidos

Acabamos de estudar a convecção térmica envolvendo a movimentação de um material gasoso: o ar. Mas não é só no caso dos gases que pode ocorrer convecção. Com líquidos também pode. Quando se leva ao fogo uma panela com água, estabelecem-se correntes de convecção nesse líquido.

Embora não possamos observar estas correntes diretamente podemos evidenciar a sua ocorrência se jogarmos um pouco de serragem na água. Veremos a serragem se movimentar, seguindo o caminho das correntes de convecção.

Como foi dito, a convecção é um processo de transferência de calor que ocorre graças à movimentação de um material. Nos sólidos, ao contrário dos gases e dos líquidos, não pode haver movimentação de pedaços do material e, portanto, não se podem estabelecer correntes de convecção.

 

A convecção térmica no cotidiano

A geladeira é um bom exemplo para comprovar o que se estudou até aqui sobre convecção. Se colocarmos as mãos rentes ao chão, diante da geladeira aberta, sentiremos o ar frio que desce ao sair da geladeira.

Os fabricantes de geladeira levam em conta o fato de o ar quente subir e o ar frio descer. Por isso, o congelador que é o responsável pelo resfriamento interno da geladeira, fica na parte de cima. Ele resfria o ar próximo de si. Esse ar frio desce enquanto o ar quente, que está embaixo, sobe. Assim, produzem-se correntes de convecção, que mantém o interior da geladeira em constante resfriamento.

Se o congelador ficasse na parte de baixo da geladeira, o ar resfriado permaneceria na parte inferior. E o ar que estivesse em cima continuaria quente, pois não desceria para poder ser resfriado pelo congelador.

No ar das cidades também constatamos a convecção. Os gases poluentes que saem do escapamento dos veículos e das chaminés das fabricas tendem a subir, pois estão quentes. Esse é um exemplo em que as correntes de convecção favorecem a dispersão dos poluentes.

 

 

Irradiação térmica

Um terceiro modo de transferência de calor de um corpo mais quente para um mais frio é a irradiação térmica. Ao contrário dos outros dois processos, condução e convecção, a irradiação permite transferência de calor, ou calor radiante. As ondas de calor provenientes do Sol, atravessam uma grande distância, no vácuo, até chegar à Terra e transferir a ela o calor vindo do Sol.

Além do calor irradiado pelo Sol, vários outros exemplos cotidianos estão relacionados com a irradiação térmica.

O calor de uma fogueira ou de uma lareira chega a uma pessoa por meio da irradiação. Os alimentos assam nos fornos convencionais graças ao calor irradiado pela chama. As lâmpadas comuns, além de emitirem a luz visível, irradiam quantidade considerável de calor infravermelho. Em granjas, os pintinhos são mantidos aquecidos por meio de lâmpadas que permanecem acesas dia e noite.

 

 

O infravermelho

Quando a luz do Sol atravessa um prisma de vidro, ela é separada em luzes de diferentes cores, as cores do arco-íris. Esse acontecimento, chamado de dispersão da luz branca.

Em 1800, o astrônomo inglês William Herschel (1792-1871) fez uma importante descoberta. Ele colocou um termômetro nas regiões iluminadas pelas luzes de diferentes cores e percebeu que a luz vermelha esquenta o termômetro mais que a luz violeta. Em outras palavras, a luz vermelha transporta mais calor que a luz violeta. Quando Herschel colocou o termômetro na região ao lado do vermelho, onde não era vista nenhuma iluminação, ele se surpreendeu ao perceber que o termômetro indicava que ali estava chegando calor.

Herschel concluiu que algum tipo de “luz não visível” chegava até essa região e a chamou de infravermelho.

A partir da descoberta do infravermelho soube-se que um corpo não precisa emitir necessariamente luz visível para que emita calor por radiação. Ao aproximar descuidadamente a mão de um ferro de passar roupa ligado, mesmo sem tocar, uma pessoa pode se queimar com o calor irradiado por ele. Apesar de emitir calor infravermelho, o ferro não emite luz. Atualmente, existem aparelhos especiais que tornam possível “enxergar” o infravermelho. Tais aparelhos, sensores de infravermelho, são empregados, por exemplo, por forças policiais em atividade noturna de observação em locais escuros.

Absorção e reflexão

Quando o calor irradiado incide num corpo, parte pode ser absorvida por ele, aquecendo-o, parte pode ser refletida de volta ao ambiente. Os cientistas perceberam que a cor dos corpos se relaciona com a sua capacidade de absorver calor e de refletir calor.

De modo geral, objetos de cor preta são bons absorvedores de calor e maus refletores. Os objetos brancos, ao contrário, absorvem mal e refletem bem.

Isso é fácil de constatar em um dia ensolarado. Se estivermos com uma camiseta preta sentiremos esquentar muito mais do que se estivermos com uma camiseta branca.

 

Como funciona a garrafa térmica?

Os objetos espelhados – superfícies de metal, por exemplo – refletem muito bem o calor. Um revestimento metálico permite evitar troca de calor por irradiação.

Cobertores e agasalhos de alumínio são usados para evitar perda de calor corporal, como no caso de atletas que executaram grande esforço físico ou de pessoas que sofreram acidente grave e estão com o corpo mais frio do que o normal. Algumas roupas contra fogo usadas por bombeiros têm um revestimento externo de metal que reflete o calor irradiado pelas chamas.

 

As garrafas térmicas possuem vários isolamentos, inclusive revestimentos espelhados, para evitar a troca de calor entre interior e exterior. Esses diversos isolamentos, que aparecem na figura acima, permitem conservar os líquidos quentes ou gelados por mais tempo.

http://www.sobiologia.com.br

 

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Uma resposta para Energia e Calor

  1. Rayane goulart da silva disse:

    Muito bom este site!
    Eu estou fazendo um trabalho sobre energia, ondas e som ,e aqui encontrei tudo o que estou precisando . tenho certeza de que me darei bem neste trabalho! Vcs estão de parabéns!!!!

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