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Calor e Energia.

O calor é uma forma de energia e a temperatura de uma substância é uma medida de sua energia interna.

O estudo do calor e da temperatura chama-se termodinâmica.

Um princípio fundamental no estudo da termodinâmica é a lei da conservação de energia, segundo a qual, em qualquer tipo de interação, a energia não é criada nem destruída.

Grande parte da energia que parece se perder nas interações comuns, como empurrar uma caixa de papelão pelo chão, é convertida em energia interna.

No caso da caixa de papelão, trata-se da energia cinética recebida pelos átomos e moléculas situados na caixa e no chão, à medida que interagem e vão sendo retirados de suas posições de equilíbrio.

O nome dado à energia na forma de movimento oculto de átomos e moléculas é energia térmica.

Rigorosamente falando, o calor é transferido entre dois corpos como resultdo de uma mudança de temperatura, embora o termo "calor" seja normalmente usado também para designar energia térmica.

Os processos que transformam energia cinética, que é a energia organizada de um corpo em movimento, em energia térmica, que é a energia desorganizada devido ao movimento dos átomos, incluem o atrito e a viscosidade.

Numa máquina a vapor, o calor é transformado em trabalho.

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Trabalho e Energia.

Quando uma força age sobre um corpo, provocando aceleração na direção da força, é realizado um trabalho.

O trabalho realizado sobre um corpo por uma força constante é definido como o produto da grandeza da força pelo consequente deslocamento do corpo na direção da força.

A unidade de trabalho é o joule (às vezes designado como newton metro), assim chamada em homenagem ao cientista inglês James Joule (1818-1889).

Um joule (J) é definido como o trabalho realizado sobre um corpo quando ele sofre deslocamento de 1 metro em decorrência da ação de uma força de 1 newton que atua na direção do movimento: 1 J = 1 N m.

O resultado pode ser expresso de modo mais genérico.

Energía é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

A energia total armazenada num sistema fechado, aquele sobre o qual não há forças extemas atuando, permanece constante, mas pode ser transformada.

Trata-se do princípio da conservação de energia, que pode assumir a forma de energia mecânica (cinética ou potencial), elétrica, química ou térmica.

Existem ainda outras formas de energia, como a gravitacional, a magnética, a energia da radiação eletromagnética e a energia da matéria.

A energia cinética (E_k) de um corpo é a energia que ele possui quando está em movimento e equivale à metade do produto da massa do corpo (m) pelo quadrado de sua velocidade (v): E_k = 1/2mv².

Um corpo pode ter também energia potencial que depende de sua posição.

A energia potencial gravitacional (E_p) de um corpo de massa m a uma altura h acima do solo é mgh, sendo g a aceleração da gravidade.

Esta energia potencial gravitacional é igual ao trabalho que o campo gravitacional da Terra exerce sobre o corpo quando ele se move até o nível do solo.

A energia potencial pode ser convertida em energia cinética ou pode ser usada para realizar trabalho.

Ela funciona como um estoque de energia.

Se um corpo se move verticalmente contra a força gravitacional, é realizado trabalho sobre ele e ocorre um aumento na sua energia potencial gravitacional.

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Temperatura.

A temperatura é uma medida da energia interna, ou da "quentura" do corpo.

A escala de temperaturas empregada pelos físicos é baseada numa unidade chamada kelvin (K), devido ao físico escocês William

Thomson, mais tarde lorde Kelvin (1824-1907).

Na escala Kelvin, o ponto de congelamento da água é de 273,15K (0°C ou 32°F) e seu ponto de ebulição corresponde a 373,15K (100°C ou 212°F).

Um Kelvin corresponde em grandeza a um grau na escala Celsius.

A temperatura de 0 (zero) K (-273,15°C) é conhecida como zero absoluto.

Nela, um gás ideal teria volume infinito e pressão zero.

Calor e Energia Interna.

A energia molecular (cinética e potencial) dentro de um corpo é chamada de energia interna.

A transferência de energia de um local de energia elevada para outro de energia mais baixa é descrita como fluxo de calor.

Se dois corpos de temperaturas diferentes são colocados em contato térmico, após certo tempo eles passam a ter a mesma temperatura.

A energia é transferida do corpo mais quente para o mais frio, até que ambos estejam na mesma temperatura de equilíbrio.

A unidade de energia interna e de calor é o joule, já definida anteriormente.

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A Teoria Cinética dos Gases.

A teoria cinética dos gases faz a aplicação estatística das leis de Newton a um grupo de moléculas.

Ela trata um gás como se fosse constituído de partículas extremamente pequenas, adimensionais, todas em constante movimento aleatório.

E baseada em um gás ideal, isto é, um gás que obedeceria perfeitamente à lei dos gases ideais.

Na verdade, nenhum gás é ideal, mas a maioria tem comportamento próximo ao ideal, permitindo que a lei seja usada para se fazer cálculos.

Uma conclusão a que se chega é que a pressão e o volume de tal gás estão relacionados à energia cinética média de cada uma de suas moléculas.

A teoria cinética explica que a pressão de um gás se deve ao impacto das moléculas sobre as paredes que o contêm.

A temperatura de um gás ideal é a medida da energia cinética molecular média.

Em temperatura mais elevada, a velocidade média das moléculas aumenta.

A energia intema de um gás está associada ao movimento de suas moléculas e à sua energia potencial.

Leis da Termodinâmica.

Um sistema isolado termicamente é aquele que não recebe nem transmite calor, embora a temperatura dentro do sistema possa variar.

Se um trabalho mecânico ou elétrico é realizado sobre um sistema isolado termicamente, sua energia interna aumenta.

James Joule descobriu uma relação de equivalência entre a quantidade de trabalho realizado (T) sobre um sistema isolado termicamente e o calor por ele ganho
(Q): T = JQ.

A constante J foi descrita por Joule como equivalente mecânico do calor.

A primeira lei da termodinâmica é uma decorrência da lei da conservação de energia.

Segundo ela, a conversão total de trabalho em calor é possível.

Outra decorrência desta lei é que a alteração na energia interna de um corpo depende apenas de seus estados inicial e final.

Esta alteração pode resultar do aumento de qualquer forma de energia térmica, mecânica, gravitacional, etc.

A segunda lei da termodinâmica diz que o inverso não é verdadeiro.

Essencialmente, o que a segunda lei quer dizer é que não pode haver passagem espontânea de calor de um objeto frio para outro quente.

Com isso, mostra que certos processos só podem ocorrer em uma direção.

A segunda lei foi estabelecida após o trabalho do engenheiro francês Sadi Camot (1796-1832) que tentou construir a mais eficiente das máquinas.

Sua máquina ideal estabeleceu um limite superior para a eficiência com a qual a energia térmica poderia ser convertida em energia mecânica.

Os motores, na verdade, não alcançam essa eficiência ideal por causa das perdas devido ao atrito e à condução do calor.

Entropia.

A entropia descreve a desordem ou caos de um sistema.

Um estado altamente desordenado é aquele em que as moléculas se movem aleatoriamente em todas as direções, com muitas velocidades diferentes.

Uma expressão alternativa da segunda lei da termodinâmica consiste na afirmação de que a entropia do universo jamais diminui.

Consequentemente, a desordem do universo aumenta para alcançar o equilíbrio térmico.

Por esta razão, o universo não pode ter existido sempre, pois neste caso esse estado de equilíbrio já teria sido alcançado.

Explosão Nuclear.

Numa explosão nuclear, uma massa pequena é convertida numa grande quantidade de energia.

Massa e energia estão relacionadas entre si pela famosa equação de Einstein, E = mc², em que c é a velocidade da luz.

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