Calor e temperatura: qual é a diferença?

Diferença entre calor e temperatura — Como o calor se propaga num sistema: Os três modos de transferência térmica a partir de uma panela aquecida sobre um fogo de 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 está representada pelo calor emitido pelas paredes quentes do recipiente para o ambiente.
Fonte da imagem: astronoo.com (nova janela)

Resumo científico

O artigo clarifica 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 de temperaturas diferentes, 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)).

Qual é a diferença entre calor e temperatura?

A temperatura mede a agitação média das moléculas de um objeto: quanto mais se agitam, mais elevada é a temperatura. É uma propriedade intensiva, que não depende da quantidade de matéria. O calor é uma energia em transferência entre dois objetos de temperaturas diferentes, que se desloca sempre do mais quente para o mais frio. É uma propriedade extensiva, que depende da quantidade de matéria. Um bom exemplo: uma chávena de café quente tem uma temperatura elevada, mas é o seu calor (a energia transferida para a sua mão) que o aquece.

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Diferenças entre calor e temperatura

O calor e a temperatura são dois conceitos diferentes em termodinâmica mas estreitamente ligados.

Temperatura: medida da agitação molecular

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 que têm 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.

Agitação térmica média vs energia transferida

Por 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 que têm temperaturas diferentes.

O que é a temperatura?

A temperatura é uma grandeza física que mede a agitação molecular de um corpo ou de um sistema.
Esta agitação térmica corresponde ao movimento aleatório das moléculas que está diretamente ligado à temperatura do corpo ou do sistema. Dito de forma mais simples, esta grandeza pode ser medida em graus Celsius (°C) ou em kelvins (K) com a ajuda de um termómetro.

Energia cinética média das partículas

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 a sua massa e v a sua velocidade média.

Velocidade das partículas e temperatura

Segundo a teoria cinética dos gases, a equação abaixo mostra que a velocidade das partículas num 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.

Proporcionalidade entre energia cinética e temperatura

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 ligada à temperatura do sistema.
E = (3/2) * k * T onde E é a energia cinética, T é a temperatura do gás, k é a constante de Boltzmann.

O que é o calor?

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 em calorias (cal), uma caloria vale aproximadamente 4,184 joules. É transferido quer por condução (contacto direto), convecção (contacto pelo movimento de um fluido) quer por radiação (transferência de calor sob a forma de ondas eletromagnéticas).

Transferência por condução: lei de Fourier

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 que é transferida por unidade de tempo através da placa:
Q = -k * A * (dT/dx) onde k é a condutividade térmica da placa, A é a sua superfície, dT/dx é o gradiente de temperatura ao longo da placa, e o sinal menos indica que o calor é transferido da região quente para a região fria.

Transferência por convecção: lei de Newton

Para a transferência de calor por convecção entre dois fluidos, a equação de transferência de calor local de Newton dá a quantidade de calor Q que é transferida por unidade de tempo e de superfície:
Q = h * A * (T1 - T2) onde h é o coeficiente de transferência de calor, A é a superfície de contacto entre os fluidos, T1 e T2 são as temperaturas dos dois fluidos, e o sinal menos é omitido porque o calor é transferido de T1 (fluido mais quente) para T2 (fluido mais frio).

Transferência por radiação: lei de Stefan-Boltzmann

Para a transferência de calor por radiação entre dois corpos, a lei de Stefan-Boltzmann dá a quantidade de calor Q que é emitida por unidade de superfície de um corpo negro à temperatura T1 e que é recebida por unidade de superfície de outro corpo negro à temperatura T2:
Q = σ * A * (T1^4 - T2^4) onde σ é a constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,670 374 419 x 10^-8 W m^-2 K^-4) e A é a superfície dos dois corpos.
Esta lei supõe que os corpos são corpos negros perfeitos, ou seja, que absorvem todas as radiações que os atingem e que emitem uma radiação que segue a lei de Planck, que descreve o espetro de emissão da radiação eletromagnética emitida por um corpo quente.

N.B.:
Estas equações não são sempre aplicáveis na prática, porque as condições de transferência de calor podem ser complexas e dependem frequentemente de numerosos parâmetros, tais como a geometria dos corpos, as propriedades térmicas dos materiais, a velocidade de escoamento dos fluidos, etc.

Referências

FAQ: Tudo o que precisa de saber sobre o calor e a temperatura

O calor e a temperatura são a mesma coisa?

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 uma energia em transferência entre dois sistemas devido à sua diferença de temperatura, uma propriedade extensiva (depende da quantidade de matéria). Pode-se ter uma temperatura alta com pouco calor (uma faísca) e uma temperatura baixa com muito calor (um oceano).

Quais são as unidades de medida do calor e da temperatura?

A temperatura mede-se em kelvins (K) (unidade SI) ou em graus Celsius (°C). O calor (energia) mede-se em joules (J) (unidade SI) ou em calorias (cal) (1 cal ≈ 4,184 J). O kelvin é a unidade de base da termodinâmica, enquanto o joule é a unidade padrão da energia.

Como é que o calor é transferido entre dois objetos?

O calor propaga-se por três modos principais: 1. Condução: por contacto direto, como uma colher que aquece numa sopa (lei de Fourier). 2. Convecção: através dos movimentos 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).