Física térmica

A matéria existe em três estados: sólido, líquido e gás.

As mudanças de estado são: fusão (sólido → líquido), ebulição/evaporação (líquido → gás), condensação (gás → líquido) e solidificação (líquido → sólido). Na condensação, as partículas gasosas desaceleram e se aproximam para formar um líquido. Na solidificação, as partículas líquidas perdem energia e fixam-se em posições definidas.

Toda a matéria é composta por pequenas partículas que estão sempre em movimento. Este é o modelo cinético das partículas.

• Num sólido, as partículas apenas vibram em torno de posições fixas.
• Em um líquido, elas ainda estão próximas, mas podem deslizar umas sobre as outras.
• Em um gás, elas estão distantes e se movem rapidamente em direções aleatórias.

Temperatura e energia das partículas

Ao aquecer uma substância, suas partículas movem-se mais rápido, possuindo maior energia cinética. Temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas.

A temperatura mais baixa possível é o zero absoluto, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. Nesse ponto, as partículas têm a menor energia possível.

Pressão gasosa

Partículas gasosas colidem com as paredes de seu recipiente. Cada colisão é um pequeno empurrão. A pressão do gás é a força total dessas colisões por unidade de área.

• Aquecer um gás (a volume constante) faz as partículas se moverem mais rápido e baterem com mais força e frequência, então a pressão aumenta.
• Comprimir um gás para um volume menor (a temperatura constante) significa mais batidas por segundo em cada unidade de área, então a pressão aumenta.

Para uma massa fixa de gás a temperatura constante:

Então, se o volume for reduzido pela metade, a pressão dobra.

Exemplo resolvido. Um gás tem volume de $200\ \text{cm}^3$ a uma pressão de $100\ \text{kPa}$. Ele é comprimido para $50\ \text{cm}^3$ a temperatura constante. Encontre a nova pressão.

Como $pV$ permanece constante, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

Verifique a resposta com uma razão: o volume tornou-se $\tfrac{1}{4}$ vezes maior, então a pressão tornou-se $4$ vezes maior. Você pode manter cm³ e kPa aqui, pois as mesmas unidades estão em ambos os lados da equação.

Movimento browniano

Ao observar fumaça no ar sob microscópio, vê-se pequenos grânulos movendo-se de forma irregular e aleatória. Isso é movimento browniano. Os grânulos são empurrados por partículas de ar invisíveis e rápidas que os atingem. É forte evidência do modelo cinético das partículas.

A escala Kelvin

Científicos usam frequentemente a escala de temperatura kelvin (K), que começa no zero absoluto. Para converter:

Assim $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Exemplo resolvido. Converta $25\,{}^{\circ}\text{C}$ para kelvin, e $200\ \text{K}$ para graus Celsius.

Ao aquecer a matéria, suas partículas movem-se mais e ocupam mais espaço, expandindo o material. Gases expandem mais, seguidos por líquidos e depois sólidos. Essa ordem deve-se às forças entre as partículas: num sólido, elas estão presas firmemente numa rede (padrão fixo), vibrando pouco; num líquido, a ligação é menos forte; num gás, as forças são muito fracas, permitindo grande dispersão.

Exemplos cotidianos: lacunas são deixadas entre trilhos de trem; pontes assentam sobre roletes; uma tampa metálica apertada afrouxa quando aquecida.

A energia interna de um objeto é a energia cinética e potencial microscópica aleatória total de suas partículas, excluindo o movimento e a posição do objeto como um todo. Aquecer um objeto aumenta sua energia interna e geralmente sua temperatura.

A capacidade térmica específica é a energia necessária para elevar a temperatura de 1 kg de um material em 1 °C.

Um material com alta capacidade térmica específica (como água) precisa de muita energia para aquecer e esfria lentamente.

Exemplo resolvido. Quanto de energia é necessário para aquecer $2.0\ \text{kg}$ de água de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ para $70\,{}^{\circ}\text{C}$? A capacidade térmica específica da água é $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

Reorganizando $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ obtemos $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, com $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

Measuring specific heat capacity. For a solid, use a metal block with two holes: one for an electric heater and one for a thermometer. Measure the mass $m$ of the block. Switch on the heater for a measured time $t$ and record the current $I$ and the voltage $V$, so the energy supplied is $E = IVt$ (or read the energy from a joulemeter). Record the temperature rise $\Delta\theta$. Then $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. For a liquid, heat a measured mass of the liquid in a container and stir it, so the temperature is the same all through. Wrap the block or the container in insulating material, so less energy escapes to the air.

Exemplo resolvido (a partir de dados experimentais). Um bloco de alumínio de $1.0\ \text{kg}$ é aquecido por um aquecedor de $12\ \text{V}$ com corrente de $4.0\ \text{A}$ por $5.0$ minutos. Sua temperatura sobe de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ para $35\,{}^{\circ}\text{C}$. Encontre a capacidade térmica específica do alumínio.

Tempo em segundos: $t = 5.0 \times 60 = 300\ \text{s}$. Energia fornecida:

Elevação de temperatura: $\Delta\theta = 35 - 20 = 15\,{}^{\circ}\text{C}$.

O valor de referência para o alumínio é cerca de $900\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$. O valor medido está muito alto, porque parte da energia do aquecedor escapou para o ar e não aqueceu o bloco. O cálculo assume que toda $14\,400\ \text{J}$ foi absorvida pelo bloco, resultando em um valor maior. Melhor isolamento aproxima o resultado.

Fusão e ebulição exigem energia, mas a temperatura permanece constante durante a mudança de estado. Essa energia rompe as forças entre as partículas. Para a água à pressão atmosférica normal, a fusão ocorre em $0\,{}^{\circ}\text{C}$ e a ebulição em $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

Evaporação é quando um líquido se transforma em gás em sua superfície, abaixo do ponto de ebulição. As partículas mais rápidas escapam da superfície. Como as partículas mais rápidas (mais energéticas) saem, a energia média das restantes diminui, fazendo com que o líquido esfrie. Um objeto tocando um líquido em evaporação também esfria, pois o líquido retira energia dele; é por isso que o suor resfria a pele.

A evaporação é mais rápida quando a temperatura é maior, a área superficial é maior e há mais movimento de ar sobre a superfície.

Exemplo resolvido (leitura de curva de resfriamento). Cera líquida quente em um tubo de ensaio é deixada esfriar em uma sala a $20\,{}^{\circ}\text{C}$. Um aluno lê sua temperatura a cada minuto e plota o gráfico.

(a) Qual é o ponto de fusão da cera? A parte plana está em $69\,{}^{\circ}\text{C}$. Uma substância funde e solidifica na mesma temperatura, portanto o ponto de fusão é $69\,{}^{\circ}\text{C}$.

(b) O que está acontecendo entre 4 e 10 minutos? A cera está solidificando: o tubo contém cera líquida e sólida.

(c) Por que a temperatura permanece constante enquanto ainda há perda de energia para o ambiente? Ao solidificar, as partículas da cera aproximam-se e são mantidas em posições fixas pelas forças entre elas. Isso libera energia, substituindo a perdida ao ambiente, assim a temperatura não cai.

(d) Por que o sólido esfria mais lentamente no final? A cera agora está próxima à temperatura ambiente, transferindo energia para ela mais devagar.

A energia térmica se move de locais mais quentes para locais mais frios de três maneiras.

Condução

Condução é a transferência de energia térmica através de um material sem que este se mova. As partículas em um sólido estão dispostas em uma rede. Partículas aquecidas vibram mais e transmitem a energia aos vizinhos. Nos metais, elétrons livres (elétrons deslocalizados) transportam energia rapidamente, tornando os metais bons condutores térmicos.

Materiais que conduzem mal (como ar, madeira e plástico) são isolantes térmicos.

Testando condutores. Fixe um alfinete de desenho com um pouco de cera em uma extremidade de hastes de cobre, ferro, vidro e madeira, e aqueça as outras extremidades igualmente. O alfinete cai primeiro da haste de cobre, depois da haste de ferro, e por último (ou nunca) do vidro e da madeira: metais são os melhores condutores. Uma haste metálica segurada em uma chama logo fica quente; uma haste de madeira não fica.

Gases e a maioria dos líquidos são maus condutores porque suas partículas estão distantes e só transmitem energia quando colidem acidentalmente. Não há rede cristalina nem elétrons livres.

Convecção

Convecção ocorre em líquidos e gases. Quando um fluido é aquecido, expande-se, torna-se menos denso e sobe. O fluido mais frio e denso desce para ocupar seu lugar. Esse ciclo de fluido em movimento é uma corrente de convecção.

Demonstrando convecção. Adicione um cristal de permanganato de potássio roxo em um béquer de água e aqueça-o suavemente sob o cristal. Um fluxo colorido sobe acima do calor, espalha-se pela parte superior e desce pelas laterais. No ar, uma vela acesa sob uma chaminé de uma caixa de fumaça puxa a fumaça para baixo na outra chaminé e para cima acima da chama.

A convecção não pode ocorrer em um sólido porque as partículas não podem se mover de um lugar para outro.

Radiação

Radiação térmica é energia transportada por ondas infravermelhas. Todos os objetos a emitem, e ela não precisa de material para se propagar — pode atravessar o vácuo (é assim que a energia chega até nós do Sol).

Uma superfície opaca e preta é boa emissora e boa absorvedora de infravermelho. Uma superfície brilhante e branca é má emissora e bom refletora.

Comparando superfícies. Encha duas latas, uma preta fosca e outra prateada brilhante, com água quente na mesma temperatura, e coloque um termômetro em cada uma. A lata preta esfria mais rápido, sendo melhor emissora. Depois, coloque as mesmas duas latas, cheias de água fria, a distâncias iguais de um aquecedor. A lata preta esquenta mais rápido, sendo melhor absorvedora. Um cubo de Leslie (uma caixa metálica com cada face com um acabamento diferente) demonstra o mesmo fenômeno.

Um objeto mantém temperatura constante quando emite energia na mesma taxa em que absorve energia. A taxa de emissão é maior quando a superfície está mais quente e maior. Se um objeto absorve energia mais rápido do que emite, sua temperatura sobe; se emite mais rápido do que absorve, sua temperatura cai.

A temperatura da Terra. A Terra absorve radiação do Sol e emite radiação infravermelha de volta ao espaço. Sua temperatura média só permanece constante quando as duas taxas são iguais. Qualquer coisa que altere esse equilíbrio muda a temperatura. Gases na atmosfera, como o dióxido de carbono, absorvem parte da radiação infravermelha emitida e devolvem parte dela para baixo, aquecendo mais a Terra. Nuvens e gelo refletem a luz solar entrante, portanto, menos gelo significa mais energia absorvida e maior aquecimento terrestre.

Investigação do isolamento térmico

Questões práticas frequentemente pedem que você planeje ou analise uma investigação sobre a eficácia de materiais na redução da transferência de energia.

Método. Despeje o mesmo volume de água quente, por exemplo, $200\ \text{cm}^3$, à mesma temperatura inicial em béqueres idênticos. Envolva um béquer em algodão, um em plástico-bolha e um em papel-alumínio, e deixe um sem revestimento como controle. Coloque uma tampa em cada um e passe um termômetro por cada tampa. Registre cada temperatura a cada 2 minutos durante 20 minutos.

• Variável independente (o que você altera): o material isolante.
• Variável dependente (o que você mede): a temperatura após um tempo fixo ou a queda de temperatura.
• Variáveis de controle (mantidas iguais): o volume e a temperatura inicial da água, o tipo de béquer, a espessura do revestimento, a tampa e a temperatura ambiente.

Exemplo resolvido. Os resultados de um aluno após 20 minutos:

(a) Qual material é o melhor isolante? Algodão: a temperatura de sua água caiu apenas 14 °C, a menor queda. (b) Explique por quê. O algodão e o plástico-bolha aprisionam ar, que é um mau condutor, e o ar aprisionado não pode se movimentar, reduzindo também a convecção. O papel brilhante ajuda apenas um pouco: ele reflete parte da radiação infravermelha de volta, mas é um metal fino, bom condutor, e não aprisiona ar. (c) Sugira uma melhoria. Repita cada teste e calcule uma média, para que um resultado estranho não determine a resposta; ou use um termômetro mais fino, ou mexa a água antes de cada leitura para que ela represente a temperatura de toda a água. (d) Por que cada béquer esfria mais lentamente com o passar do tempo? A água se aproxima da temperatura ambiente, e a taxa de transferência de energia depende da diferença de temperatura.

Faça a leitura do termômetro com os olhos na altura da superfície do líquido, para evitar um erro de paralaxe.

Exemplos cotidianos

• Uma panela de cozinha tem fundo metálico que conduz energia rapidamente para os alimentos, e cabo de plástico ou madeira que é isolante, para que você possa segurá-la.
• Um radiador aquece um ambiente por convecção: o ar próximo a ele aquece, sobe e o ar mais frio entra para ocupá-lo, aquecendo todo o cômodo.
• Sentado perto de uma lareira, você sente sua radiação no rosto instantaneamente; o ar entre você e a lareira é mau condutor.
• Um frasco térmico mantém uma bebida quente reduzindo as três formas de transferência: o vácuo entre suas paredes duplas impede condução e convecção através do espaço, e suas superfícies prateadas brilhantes reduzem a radiação. Uma pequena quantidade de energia ainda escapa pela tampa e pelo gargalo.

• No modelo cinético das partículas, aquecer um gás faz suas partículas se moverem mais rápido e baterem nas paredes com mais força e frequência, aumentando a pressão. As próprias partículas não ficam maiores.
• Evaporação ocorre apenas na superfície e em qualquer temperatura; ebulição ocorre por todo o líquido a uma temperatura fixa. Evaporação resfria o líquido restante, pois as partículas mais rápidas escapam.
• Durante fusão e ebulição, a temperatura permanece constante embora energia ainda esteja sendo fornecida — essa energia rompe as forças entre as partículas.
• Para capacidade térmica específica use $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, onde $\Delta\theta$ é a variação de temperatura, não a temperatura final.
• Em uma investigação, identifique as variáveis independente, dependente e de controle, e mantenha tudo igual, exceto a variável que você altera.
• Superfícies opacas pretas são as melhores emissorares e absorvedoras de infravermelho; superfícies brilhantes e claras são as melhores refletoras. Convecção requer um fluido para fluir, então não pode ocorrer em um sólido.

Erros comuns

• Usar a temperatura final em $\Delta E = mc\,\Delta\theta$. Use a variação de temperatura.
• Deixar o tempo de aquecimento em minutos como em $E = IVt$. Converta para segundos.
• Dizer que as partículas se expandem quando uma substância é aquecida. As partículas mantêm o mesmo tamanho; elas se movem mais rápido e ficam mais distantes umas das outras.
• Dizer “nenhuma energia é fornecida” em um trecho horizontal de uma curva de aquecimento. A energia continua sendo fornecida; ela muda o estado em vez de aumentar a temperatura.
• Somar 273 a uma temperatura já em kelvin, ou esquecer de somá-la na conversão de °C.
• Dizer que a convecção acontece porque “o calor sobe”. O fluido aquecido se expande, torna-se menos denso e sobe; o fluido mais frio e denso desce.