No dia a dia é como comum confundirmos conceitos físicos como calor e temperatura, quem nunca ouviu ou disse a expressão: “Está muito calor hoje!”. Mas acordo com a Física, essa expressão está errada, vamos descobrir por quê?
Antes de saber como a Física diferencia essas grandezas, vamos conhecer a qual domínio elas pertencem. Ambas são conceitos fundamentais da Termologia (ou Termofísica) que é o campo da Física responsável por estudar os fenômenos associados ao calor e a temperatura, como: dilatação, propagação de calor, comportamento dos gases etc.
Ainda que associados e utilizados como sinônimos, o calor e a temperatura têm características distintas. O calor é considerado como uma forma de energia, enquanto a temperatura é uma medida da energia cinética (agitação) dos átomos e moléculas que compõem um corpo.
Antes de partimos para os detalhes sobre calor e temperatura e os fatores que os diferenciam, abaixo disponibilizamos um resumão com as características básicas dessas duas grandezas. Guarde bem essas informações que elas serão mais profundamente explicadas a seguir.
O que é temperatura?
A temperatura é uma grandeza física que mede a energia cinética, ou seja, o nível de movimento ou agitação das moléculas e átomos de um corpo. Essa é a definição de como a temperatura é percebida em nível microscópico.
Em outras palavras, quão mais quente (alta temperatura) um corpo estiver, maior é sua energia cinética, ou seja, maior o nível de agitação das moléculas. Desse modo, quanto mais frio (baixa temperatura) um corpo apresentar, significa que o nível de agitação molecular é menor.
Então, a nível macroscópico, que é aquele que podemos perceber e ver a olho nu, percebemos a temperatura pelas sensações de quente e frio.
O aparelho que usamos a fim de medir a temperatura é o termômetro, que pode ser descrito pelas escalas termométricas. As convencionalmente usadas são três: Celsius, Fahrenheit e Kelvin.
Escalas de temperaturas
De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI) a temperatura pode ser medida em Celsius (°C), Kelvin (K) ou Fahrenheit (°F). Essas são as escalas termométricas mais amplamente usadas hoje em dia.
A mais usada de todas é a escala Celsius, que é empregada em praticamente todos os países do mundo, como é aqui no Brasil. Já a escala Fahrenheit é empregada sobretudo nos Estados Unidos e Inglaterra.
Dado que Kelvin (K) é a unidade de medida de temperatura adotada pelo Sistema Internacional de Unidades, o uso mais comum dessa escala está no meio acadêmico, por meio das publicações científicas.
Escala Celsius
Criada em 1742, pelo astrônomo sueco Anders Celsius, essa escala é baseada nos pontos de fusão e ebulição da água, que ocorrem nas temperaturas 0 °C e 100 °C. Em outras palavras ela parte dos pontos nos quais a água se torna gelo ou começa a evaporar, respectivamente.
Quando foi criada, o astrônomo nomeou a escala de Centrígado, dado a característica de medida que apresenta cem intervalos entre os pontos de fusão e ebulição. Contudo, em 1948, a escala foi rebatizada de Celsius em homenagem ao seu criador e a fim de padronizar uma sigla segundo o Sistema Internacional de Unidades.
Escala Fahrenheit
O físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit desenvolveu esta escala termométrica em 1724. Num primeiro momento ele tomou por base a temperatura do corpo humano, que costumava a ser aferida em 90 °F, com os termômetros de mercúrio.
Diferentemente da escala Celsius, esta escala tem 180 intervalos entre as temperaturas que são fixadas entre 32 °F e 212 °F, que são os valores que o físico usou como referência para os pontos de fusão e ebulição
Escala Kelvin
A escala Kelvin foi apresentada em 1864 pelo físico e engenheiro irlandês William Thomson, que também era conhecido como Lorde Kelvin. Ela foi adotada pelo S.I como parâmetro para a definição da temperatura termodinâmica.
Assim como a escala Celsius, a escala kelvin é também é centígrada, ou seja, possui um intervalo de cem divisões iguais entre os pontos de fusão e de ebulição da água, que são 273K e 373K.
Diferente das outras escalas, Kelvin quis desenvolver uma escala termométrica que não apresentasse valores negativos para a temperatura. Por isso, a temperatura mais baixa medida por essa escala é conhecida como zero Kelvin (0 K = -273,15 °C) ou zero absoluto.
Mas o que quer dizer esse “zero absoluto”? Teoricamente, considera-se zero absoluto um estado em que todos os átomos e moléculas de um corpo estão perfeitamente parados, ou seja, onde a agitação ou movimentação dessas partículas são nulas.
Conversão de temperaturas
Pode ser que você considere que a existência de três escalas termométricas faz mais complicar do que simplificar.
Porque imagine: você vai fazer uma viagem de férias para os Estados Unidos e precisar saber se é melhor levar roupas para clima quente ou frio, mas na hora de ver a temperatura tudo está em Fahrenheit, então, como saber?
Para tudo tem solução! Foram desenvolvidas equações matemáticas que são usadas para converter das medidas de temperatura entre diferentes escalas termométricas. Vamos conhecer quais são elas e como aplicá-las?
Caso a intenção seja saber qual seria a temperatura dada em Fahrenheit numa escala Celsius ou vice-versa, a fórmula utilizada é a seguinte: = . Sendo, TC = temperatura Celsius e TF = temperatura Fahrenheit.
Para transformar graus Celsius em Kelvin ou vice-versa, temos a seguinte relação matemática seguinte: , sendo TK = temperatura Kelvin.
E finalmente, para converter graus Kelvin em graus Fahrenheit (ou o contrário) usamos a fórmula a seguir: = .
O que é calor?
Basicamente, calor é a energia que é trocada entre os corpos com maior temperatura e os de menor temperatura.
Ou seja, quando dois corpos estabelecem contato térmico e existe diferença de temperatura entre eles, a tendência é que, naturalmente, o calor seja transferido para os corpos de menor temperatura até que seja alcançada a condição de equilíbrio térmico, em outras palavras apresentem a mesma temperatura.
Essa transferência de energia entre os corpos pode ocorrer por meio de três processos distintos, são eles:
- Condução
Esse processo acontece sobretudo entre sólidos, sem que ocorra transporte de matéria. Para que a energia seja conduzida de um material para outro é necessário o contato físico entre os corpos de diferentes temperaturas.
A condução também pode acontecer no interior dos materiais, por meio do contato entre moléculas internas que trocam energia, que transferem parte de seu movimento de vibração para suas vizinhas.
Como exemplo do processo de transferência de calor por condução, temos: o aquecimento de uma barra metálica por meio do contato com o calor do fogo, logo toda a barra estará aquecida.
- Convecção
Processo comum entre líquidos e gases, que ocorre por meio da transferência de massa. Para que a convecção aconteça é necessário que exista diferenças de temperatura no interior dos fluidos.
Nessas condições são formadas as correntes de convecção ascendentes e descendentes, que geram a transferência de calor para outras partes do fluido até que o total dele tenha a mesma temperatura.
Um exemplo desse processo muito presente no nosso cotidiano é a fervura da água. O que acontece com a água, que está em aquecimento numa a, é que as moléculas que estão perto do fogo, já aquecida, sobe enquanto a que está fria desce, criando correntes de convecção.
- Irradiação ou radiação
Nesse processo o calor é propagado por meio de ondas eletromagnéticas, sem a necessidade de haver contato entre os corpos.
De modo geral, todos os corpos com temperaturas superiores ao zero absoluto são capazes de transmitir calor por radiação. Isso é possível devido a capacidade das ondas eletromagnéticas de propagar radiação no vácuo.
Exemplos desse tipo de transferência de calor são: as ondas eletromagnéticas do sol que conseguem aquecer o planeta Terra ou uma lareira que aquece as pessoas que ficam ao seu redor.
Unidades de calor
Segundo o Sistema Internacional de Unidades, o calor é medido em joules (J). Essa unidade também é a unidade utilizada para medir a energia, dado que o calor é uma das diversas formas pelas quais ela pode apresentar-se.
Contudo, cotidianamente a unidade de medida mais usada é a caloria (cal), que é definida pela quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1grama (g) de água em 1°C.
Caso seja necessário realizar alguma operação que precise considerar uma das duas unidades de medida, vale saber que a relação entre a caloria e o Joule é dada pela equivalência: 1 cal = 4,186 J.
Calor e temperatura na Física
Como vimos no comecinho do artigo, a área da Física que estuda o calor e a temperatura é chamada de Termologia. Esse campo também é responsável por analisar fenômenos como: mudanças de estado físico, estudo dos gases, dilatação térmica, entre outros.
A Termologia é dividida em três campos: termometria, termodinâmica e calorimetria.
A primeira estuda a temperatura e as escalas termométricas, como Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A segunda é responsável por observar as relações de calor energia e trabalho, por meio das Leis da Termodinâmica.
Já a calorimetria é a área que estuda as trocas de calor (transferências de energia) entre corpos. Por meio dela é possível:
- Calcular a quantidade de energia transferida entre corpos de diferentes temperaturas;
- Determinar a temperatura de equilíbrio térmico;
- Estudar as mudanças de estado físico da matéria (sólido, líquido e gasoso);
- Estudar e calcular fluxos de calor;
- Estudar a quantidade de calor que um corpo cede ou absorve por meio do cálculo da capacidade térmica;
- E calcular outras relações de troca de energia, como: calor específico, calor sensível e calor latente.
Vídeos sobre calor e temperatura
Abaixo, confira conteúdos para fixar seu conhecimento:
Calor – compartilhando energia e Escalas termométricas – diferentes formas de medir a temperatura
Sabe como diferenciar calor e temperatura? Ainda não tem certeza? Então, veja rapidinho estes dois vídeos do Professor Bill Tyson. Aqui ele nos mostra como diferenciar essas duas grandezas, nos dando uma visão de como o calor funciona a nível molecular e como podemos medir a temperatura de forma bem simples, vamos ver?
Física – Termometria
Lembra das fórmulas para calcular a temperatura entre as escalas termométricas Celsius, Fahrenheit e Kelvin? Neste vídeo, o Professor Kevork explica como que são desenvolvidas essas fórmulas a partir de outras escalas imaginárias que podem ser propostas em alguns concursos ou vestibulares, confira!
Calorimetria – Calor sensível e latente Prof Thales I Bioexplica
Demos uma pincelada nos campos da Física que abordam as noções de calor e temperatura. Sabemos que a calorimetria é o campo que mais se aprofunda dentro dessas noções por meio da aplicação de fórmulas matemáticas que medem com precisam essas dinâmicas de mudança de calor nos corpos, certo?
Então, neste vídeo, o Professor Thales vai aprofundar nos conceitos de tratam do calor sensível e calor latente. Além disso ele mostra como realizar os cálculos para descobrir a quantidade de calor envolvida na alteração da temperatura ou estado físico de um corpo.