Como o calor se propaga em um sistema: Os três modos de transferência de calor a partir de uma panela aquecida em um fogão a gás. A condução aparece na transmissão de calor através do metal da panela, a convecção é visível nos movimentos circulares da água em ebulição, e a radiação térmica é representada pelo calor emitido pelas paredes quentes do recipiente para o ambiente.
Fonte da imagem: astronoo.com
O artigo esclarece a distinção fundamental entre calor e temperatura em termodinâmica. A temperatura é uma grandeza intensiva que mede a agitação molecular média, proporcional à energia cinética média das partículas (E = 3/2 kT). O calor é uma energia extensiva transferida entre sistemas a diferentes temperaturas, medida em joules ou calorias. Três modos de transferência são descritos: condução (lei de Fourier: Q = -k A dT/dx), convecção (lei de Newton: Q = h A (T₁-T₂)) e radiação (lei de Stefan-Boltzmann: Q = σ A (T₁⁴-T₂⁴)).
A temperatura mede a agitação média das moléculas de um objeto: quanto mais elas se agitam, maior é a temperatura. É uma propriedade intensiva, que não depende da quantidade de matéria. O calor é uma energia em transferência entre dois objetos a diferentes temperaturas, que sempre se move do mais quente para o mais frio. É uma propriedade extensiva, que depende da quantidade de matéria. Um bom exemplo: uma xícara de café quente tem uma temperatura alta, mas é o seu calor (a energia transferida para a sua mão) que a aquece.
Calor e temperatura são dois conceitos diferentes em termodinâmica, mas estreitamente relacionados.
A temperatura é uma medida da agitação molecular de um objeto, enquanto o calor é uma forma de energia que é transferida entre dois corpos com temperaturas diferentes.
Assim, a temperatura é uma grandeza intensiva que depende apenas do estado termodinâmico de um objeto, enquanto o calor é uma grandeza extensiva que depende da quantidade de matéria e da variação de temperatura.
Em outras palavras, a temperatura mede a agitação térmica média das moléculas de um objeto, enquanto o calor mede a quantidade de energia transferida entre dois objetos com temperaturas diferentes.
A temperatura é uma grandeza física que mede a agitação molecular de um corpo ou sistema.
Essa agitação térmica corresponde ao movimento aleatório das moléculas, que está diretamente relacionado à temperatura do corpo ou sistema. De forma mais simples, essa grandeza pode ser medida em graus Celsius (°C) ou em kelvins (K) com um termômetro.
A equação da temperatura de agitação térmica de um corpo corresponde à energia cinética média das partículas.
E = ½m v² onde E é a energia cinética média de uma partícula, m é sua massa e v é sua velocidade média.
De acordo com a teoria cinética dos gases, a equação abaixo mostra que a velocidade das partículas em um gás aumenta com a temperatura.
v = sqrt((3 * k * T) / m) onde T é a temperatura do gás, k é a constante de Boltzmann (1,38 x 10^-23 joules por kelvin) e m é a massa da partícula.
A equação abaixo mostra que a energia cinética média das partículas de um gás é proporcional à temperatura absoluta T. Assim, a temperatura de agitação térmica está diretamente relacionada à temperatura do sistema.
E = (3/2) * k * T onde E é a energia cinética, T é a temperatura do gás e k é a constante de Boltzmann.
O calor é uma forma de energia que é transferida de um sistema para outro devido a uma diferença de temperatura.
O calor é medido em joules (J) ou calorias (cal), sendo uma caloria aproximadamente 4,184 joules. Ele é transferido seja por condução (contato direto), convecção (contato pelo movimento de um fluido) ou radiação (transferência de calor na forma de ondas eletromagnéticas).
Para a transferência de calor por condução, por exemplo, através de uma placa plana de espessura L, a lei de Fourier dá a quantidade de calor Q transferida por unidade de tempo através da placa:
Q = -k * A * (dT/dx) onde k é a condutividade térmica da placa, A é sua área superficial, dT/dx é o gradiente de temperatura ao longo da placa, e o sinal negativo indica que o calor é transferido da região quente para a região fria.
Para a transferência de calor por convecção entre dois fluidos, a equação local de transferência de calor de Newton dá a quantidade de calor Q transferida por unidade de tempo e área superficial:
Q = h * A * (T1 - T2) onde h é o coeficiente de transferência de calor, A é a área de contato entre os fluidos, T1 e T2 são as temperaturas dos dois fluidos, e o sinal negativo é omitido porque o calor é transferido de T1 (fluido mais quente) para T2 (fluido mais frio).
Para a transferência de calor por radiação entre dois corpos, a lei de Stefan-Boltzmann dá a quantidade de calor Q emitida por unidade de área superficial de um corpo negro à temperatura T1 e recebida por unidade de área superficial de outro corpo negro à temperatura T2:
Q = σ * A * (T1^4 - T2^4) onde σ é a constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,670374419 x 10^-8 W m^-2 K^-4) e A é a área superficial dos dois corpos.
Esta lei assume que os corpos são corpos negros perfeitos, ou seja, absorvem toda a radiação que os atinge e emitem uma radiação que segue a lei de Planck, que descreve o espectro de emissão da radiação eletromagnética emitida por um corpo quente.
N.B.:
Essas equações nem sempre são aplicáveis na prática, pois as condições de transferência de calor podem ser complexas e freqüentemente dependem de muitos parâmetros, como a geometria dos corpos, as propriedades térmicas dos materiais, a velocidade de fluxo dos fluidos, etc.
Não, são conceitos fundamentalmente diferentes. A temperatura é uma medida da agitação molecular média, uma propriedade intensiva (não depende do tamanho da amostra). O calor é energia em transferência entre dois sistemas devido à sua diferença de temperatura, uma propriedade extensiva (depende da quantidade de matéria). Você pode ter uma temperatura alta com pouco calor (uma faísca) e uma temperatura baixa com muito calor (um oceano).
A temperatura é medida em kelvins (K) (unidade SI) ou em graus Celsius (°C). O calor (energia) é medido em joules (J) (unidade SI) ou em calorias (cal) (1 cal ≈ 4,184 J). O kelvin é a unidade base da termodinâmica, enquanto o joule é a unidade padrão de energia.
O calor se propaga por três modos principais: 1. Condução: por contato direto, como uma colher que esquenta em uma sopa (lei de Fourier). 2. Convecção: através do movimento de um fluido (líquido ou gás), como o ar quente que sobe. 3. Radiação: por ondas eletromagnéticas, como o calor do Sol (lei de Stefan-Boltzmann).
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