Energia e trabalho.

Princípio da conservação da energia.

"Energia não pode ser criada nem destruída, ela é apenas transformada ou transferida."

A Ciência acredita que no Universo exista uma quantidade finita de Energia. Que quantidade é essa? Não sabemos. Só sabemos que ela pode se manifestar nos mais diferentes tipos. Energia pode ser associada a diversos fenômenos, processos ou mesmo objetos. Note:

• Movimento - energia mecânica.
• Temperatura - energia térmica.
• Luz - energia luminosa.
• Eletricidade - energia elétrica.
• Sol - energia solar.
• Vento - energia eólica.

O que temos na lista é só alguns exemplos (pensem em outros!). Portanto o que podemos afirmar sobre energia é que ela é uma grandeza física versátil, que podemos descrever fenômenos naturais em termos de energia, suas formas e transformações.

Quando usamos a grandeza Energia para o estudo da mecânica, um conceito fundamental é o de Trabalho mecânico. O Trabalho é a transferência de energia mecânica através da ação de uma força. Uma força só realiza trabalho quando está na direção do deslocamento da partícula. 

Na figura acima, considere a partícula m sobre a ação de uma única força F ao longo do deslocamento d. A força só realiza Trabalho (w) quando provoca variação da velocidade da partícula. O valor do Trabalho corresponde a quantidade de Energia que a partícula ganha ou perde ao longo do deslocamento. Portanto Energia e Trabalho são medidos na mesma unidade, que no SI é o joule (J).

Quantidade de calor.

A quantidade de calor é a quantidade de energia trocada entre dois corpos em contato quando há diferença de temperatura.

A quantidade de calor pode ser: sensível, quando acarreta variação de temperatura; ou latente, quando acarreta a mudança de fase.

Para cada caso usamos características particulares da substância para calcularmos a quantidade de calor envolvida no processo. Na quantidade de calor sensível usamos o calor específico da substância no determinado estado físico; e na quantidade de calor latente, usamos o calor latente correspondente a referida mudança de fase.

Conceitos básicos de calorimetria.

A calorimetria é o ramo da Física que estuda as consequências das trocas de energia térmica entre os corpos.

Quando um corpo ganha ou perde energia, ele pode sofrer uma variação de temperatura e/ou uma mudança no seu estado físico (mudança de fase)

Para organizar esse estudo, são definidas as grandezas: 

calor específico, que é a quantidade de calor necessária para variar de um grau a temperatura de uma unidade de massa de uma substância; 

capacidade térmica, que é a relação que um corpo apresenta entre a quantidade de calo trocada (cedida ou recebida) e a correspondente variação de temperatura.

Já o calor latente é quantidade de calor necessária para cada unidade de massa de uma substância mudar de fase. Ele é característico para cada substância e cada mudança de fase.

A potência térmica e a quantidade de energia por unidade de tempo, emitida por uma fonte térmica.

Resistência elétrica e Leis de Ohm

A resistência elétrica é uma característica de qualquer condutor. É medida pela razão entre a diferença de potencial - ddp (U) e a intensidade de corrente elétrica (i) entre dois pontos do condutor.

Para entender melhor, podemos dizer que a resistência elétrica é a forma como um condutor reage, produzindo corrente elétrica, quando submetido a uma ddp. 

Os bons condutores apresentam resistência elétrica baixa - um fio metálico ligado a uma bateria produz corrente elétrica.  Já maus condutores apresentam resistência elétrica alta - um fio de silicone ligado a uma bateria produz uma corrente elétrica praticamente nula (i = 0).

Para a grande maioria dos condutores a resistência elétrica depende da ddp aplicada. Porém, determinados condutores, mantida sua temperatura constante, apresentam resistência elétrica constante, independente da tensão aplicada. Estes são chamados de condutores ôhmicos (ou resistores ôhmicos). 

Como a resistência elétrica é uma propriedade de um condutor, ela depende de suas características.

Há muita confusão em relação a alguns termos, preste atenção:

• resistor é o componente elétrico de um circuito;
• resistência é a propriedade de um condutor elétrico;
• e resistividade é a propriedade do material que constitui um condutor de eletricidade.

Escalas termométricas: Celsius e Fahrenheit

A temperatura de um corpo pode ser medida através de um termômetro. Cada termômetro apresenta uma escala de leitura. As escalas termométricas em uso, atualmente, são as escalas Celsius e Fahrenheit.

O termômetro mais comum é aquele que utiliza um líquido como substância termométrica. Existe uma variedade de termômetros, que utilizam variadas substâncias sensíveis a temperatura. O importante é que alguma propriedade dessas substâncias termométricas varie linearmente com a temperatura.

No caso do termômetro que utiliza um líquido, normalmente álcool ou mercúrio, ele é colocado em um reservatório (bulbo) ligado a um tubo extremamente fino de vidro (capilar). Com a variação da temperatura, o volume de líquido varia no capilar, fazendo a coluna de líquido atingir diferentes alturas.

A altura da coluna de líquido é associada às escalas, que adotam dois pontos fixos para registra a temperatura.

A conversão de temperatura entre as escalas é feita por meio da comparação dos segmentos entre os pontos fixos e as temperaturas correspondentes aos mesmos estados térmicos, conforme indicado no infográfico abaixo.

Calor, temperatura e sensação térmica

O calor é o agente físico responsável pelo aquecimento ou resfriamento de um corpo ou sistema de corpos. Nos livros costuma-se escrever a seguinte definição: "Calor é a energia térmica em trânsito provocada por diferença de temperatura."

Portanto, calor é a energia transferida entre dois corpos devido a uma diferença de temperatura. O calor sempre flui do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Quando dois corpos, ambos na mesma temperatura (em equilíbrio térmico), são colocados em contato, não haverá troca de calor.

Já a temperatura é definida como "o grau de agitação das partículas que constituem o corpo". Estas partículas podem ser átomos, moléculas ou íons. Do ponto de vista microscópico, qualquer corpo (sólido, líquido ou gasoso) é composto de partículas em constante agitação (movimento).

Já as palavras FRIO e QUENTE, são sensações térmicas. Muitas vezes utilizamos erroneamente a palavra calor no lugar de quente. Vamos esclarecer.

Temos a sensação de QUENTE quando ganhamos calor.

Temos a sensação de FRIO quando perdemos calor.

Como a temperatrura média do corpo humano é de 36,5°C, podemos dizer que, se tocarmos qualquer material com temperatura acima de 37°C teremos a sensação de QUENTE; para qualquer material com temperatura abaixo de 36°C teremos a sensação de FRIO.

E por que um objeto metálico parece sempre mais frio que um objeto de madeira, por exemplo, quando estão à mesma temperatura? Isso ocorre porque o metal é melhor condutor térmico que a madeira. Portanto ele é mais eficiente em "roubar" calor do nosso corpo, do que a madeira.

A sensação térmica também depende da condutividade térmica do material que entramos em contato. 

Entendido?

Transmissão de calor

O aquecimento de diferentes materiais se dá através de diferentes processos: a condução térmica, a convecção térmica e a irradiação térmica. A predominância de um processo sobre o outro dependerá do tipo de meio onde o calor se propaga.

A condução térmica é o processo de transferência de calor sem transporte de matéria, que ocorre em meios sólidos.  Observe o aquecimento de uma barra metálica, por exemplo. A extremidade A, próxima a fonte térmica, está a uma temperatura maior que a extremidade B. Logo o calor flui de A para B, aquecendo, gradativamente, a barra.

Agora analise o aquecimento de um recipiente com água. O fundo do recipiente, está mais próximo da fonte térmica. Portanto a água que está no fundo do recipiente (A) é aquecida primeiro. Esta porção de água aquecida apresenta densidade menor do que a água mais fria na superfície do recipiente (B). A água menos densa (mais leve) sobe para a superfície, e a água mais densa (mais pesada) desce para o fundo. Esse movimento ocorre em quaisquer fluidos (líquidos ou gases) e é chamado de corrente de convecção.

Logo a convecção térmica é o processo de transferência de calor, através do transporte de matéria, devido a uma diferença de densidade e à ação da gravidade. Ocorre sempre em meios fluidos.

Pense na nossa fonte natural de calor. Pensou no Sol? Isso mesmo. O aquecimento da superfície do planeta Terra se dá graças a presença do Sol. No espaço entre o nosso planeta e o Sol (aproximadamente 150 000 000 km!) não existe nenhum meio material (sólido, líquido ou gasoso). Dizemos, então, que no espaço que separa o planeta Terra e o Sol existe vácuo. Como o calor do Sol chega até a superficie do planeta? Através de suas ondas eletromagnéticas. A parte visível dessas ondas nos chamamos de luz.

Novamente temos o calor fluindo da região de maior temperatura para a de menor temperatura, porém sem a necessidade de um meio material. Esse processo é chamado de irradiação térmica.

A irradiação térmica é o processo de transferência de calor através de ondas eletromagnéticas. Ocorre em qualquer meio transparente, inclusive o vácuo.

Mais, afinal, o que é calor? Vamos, por enquanto, dizer que o calor é o agente físico responsável pelo aquecimento do um meio. Ele sempre flui da região de maior temperatura para a de menor temperatura.

Quero destacar aqui, que calor e temperatura são conceitos diferentes. O calor só existe quando há diferença de temperatura entre dois corpos. Já temperatura é uma propriedade atribuída a um corpo, podendo ser medida por meio de um termômetro.