Calor e Temperatura: Dois Conceitos Térmicos Muitas Vezes Confundidos

Dois conceitos fundamentais mas distintos

Em física, calor e temperatura são dois conceitos relacionados mas fundamentalmente diferentes.

• A temperatura mede o estado térmico de um sistema: em outras palavras, a agitação média das partículas que o compõem.
• O calor corresponde a uma transferência de energia térmica entre dois corpos ou sistemas em interação, é uma energia em trânsito.

Temperatura: uma grandeza intensiva

A temperatura é uma medida física que indica o grau de calor ou frio de um objeto, substância ou ambiente. Está diretamente relacionada à energia cinética média das partículas microscópicas (átomos ou moléculas) que compõem a matéria: quanto mais rápido as partículas se movem, maior é a temperatura.

A temperatura é uma grandeza intensiva: não depende do tamanho do sistema (massa, volume, quantidade de matéria), permanece constante se o sistema for dividido em várias partes idênticas. É expressa em kelvins (K) no Sistema Internacional.

Por exemplo, em um gás ideal, a energia cinética média de uma molécula é proporcional a \(\frac{3}{2}kT\), onde \(k\) é a constante de Boltzmann e \(T\) é a temperatura. Para uma temperatura ambiente de \(T = 300\,\text{K}\), esta energia é: \[ \frac{3}{2}kT = \frac{3}{2} \times 1{,}38 \times 10^{-23}\,\text{J·K}^{-1} \times 300\,\text{K} \approx 6{,}21 \times 10^{-21}\,\text{J} \] Esta é uma energia extremamente baixa em escala macroscópica, mas suficiente para explicar a agitação constante das moléculas à temperatura ambiente.

Escalas termodinâmicas: Celsius, Fahrenheit e Kelvin

• Celsius (°C): 0 °C: ponto de congelamento da água. 100 °C: ponto de ebulição da água (à pressão atmosférica normal).
• Fahrenheit (°F): 32 °F: ponto de congelamento da água. 212 °F: ponto de ebulição da água.
• Kelvin (K): 0 K: zero absoluto (-273,15 °C), a temperatura mais baixa possível onde a agitação térmica das partículas cessa.

Calor: transferência de energia térmica

O calor é uma forma de energia em trânsito entre dois sistemas termodinâmicos. Não denota uma propriedade intrínseca de um corpo, mas uma quantidade de energia transferida devido a uma diferença de temperatura. Esta transferência pode ocorrer por condução, convecção ou radiação, e cessa quando o equilíbrio térmico é alcançado. O calor é, portanto, uma quantidade relacionada a uma interação, não ao estado de um sistema isolado.

Calor: uma forma de energia em movimento

Ao contrário da temperatura, o calor é uma grandeza extensiva (depende da massa e do material). É expresso em joules (J) e só pode existir durante uma troca. Pode ser transferido por condução (contatos diretos), convecção (movimentos de fluido) ou radiação (ondas eletromagnéticas).

Calor específico e capacidade calorífica

O calor específico representa a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 kg de material em 1 kelvin (ou 1 grau Celsius). Para o calor específico, a diferença entre kelvin e grau Celsius é insignificante, pois consideramos uma variação de temperatura, não uma temperatura absoluta.

Quanto maior o calor específico de um material, mais energia é necessária para aquecer uma massa dada desse material.

Referência: Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press (2024).

Por que essa realidade não é intuitiva?

• A massa igual, o hidrogênio é mais difícil de aquecer do que o ouro (porque seu calor específico é maior).
• A volume igual, é necessária muito mais energia para aquecer o ouro (porque sua massa é muito maior).

A quantidade de calor necessária para mudar a temperatura de um material depende de seu calor específico \(\,c\,\) (em J·kg⁻¹·K⁻¹): \[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \] onde \(Q\) é o calor recebido, \(m\) é a massa do corpo, \(c\) é o calor específico, e \(\Delta T\) é a mudança de temperatura.

Tabela comparativa entre calor e temperatura

Confusão comum no cotidiano

Muitas vezes diz-se que um objeto "contém calor", enquanto que em termos físicos, o calor não está contido: é trocado entre sistemas. O que caracteriza o estado térmico de um corpo é sua temperatura, enquanto a energia interna depende de sua massa, temperatura e natureza. Por exemplo, um balde de água morna pode ter uma energia interna total maior do que um prego ao rubro, embora sua temperatura seja muito mais baixa.

Tabela comparativa: temperatura, massa e calor transferido