Os Fundamentos da Física - Vol 2 - 9 Edição-010-012

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l. TERMoLoGTA: oBsERvAÇÕEs ÀIÀcRoscóprcÁs,
ÌNTERPRXTAÇÕES MICROSCÓPICÀS
2, ENERflA TÉRMICA E cÀLoR
3, NoqÁo Dx rEMPxrÁïJRÀ
4, 0s EsTÀDos DE AcRxGÁqÃo DA MATÉRIA
I Nesta Introdução à Ìermologla, apretentamos o con<êito
de energia térmi@ e enfatlzamos o câráter energéti<o
do cãlor. A noção de temperâtura é dircutida do ponto
devista macros<ópico e do mlcroscópico. Ot eítâdos
de agr€gação da matéria taÌnbém são ânalisãdos
ma(roscópicà e micros(opi(amente.
Para nor, a fonte de calor mak importante é o 5ol.
. @ t. Termologia: observações macroscópicas,
interpretações microscópicas
Na Termologia, parte da Físìca com que iniciamos o segundo volume, estudamos os fenômenos ìi
gados à energìa térmica (Íenômenos térmìcos). Esses fenômenos, assim como outrosfenômenos físicos,
podem ser ìnterpretados sob duas perspectivas que freqüentemente se completam: a macíoscdpica e
a microscópica,
O estudo macroscópico está relacionado com os aspectos globais do sistema, como o volume que
ocupâ, sua temperatura e outras propriedad€s que podemos perceber por nossos sentidos. Ao estudar
a Mecânica, no primeiÍo volum€, g€Íalmente adotamos o ponto d€ vìsta macroscópico, analisando
apenas as pÍopriedad€s do sistema na sua interação com o ambiente, como energia mecânica, posição,
v€locidade etc. Entretanto/ muitas vezes, para uma compreensão maìs aprofundadâ de um fenômeno,
é ìmportante adotar também o ponto de vìsta microscópico, considerando então grandezas que não
percebemos pelos nossos sentidos € que são medidas indiretamente.
Nos fenômenos térmicos, microscopicamente, consìderamos a eneÍgia das moléculas, suas velocida-
des, intemções etc. Nessa análise, os Íesultados obtidos devem ser compatíveis com o estudo feito por
meio de grandezas macÍoscópicas,
As peÍspectìvas macÍoscópìca e mìooscópica completam-se na Termologia, propiciando uma compre-
ensão mais pÍofunda de um mesmo fenômeno. Exemplificando, a noção de t€mperatura obtida a partir da
sensação táctilde quente efrio (ponto devìsta macroscópico) aprofirnda-se ao considerarmos o movimento
moleculare entendermos a temperatura a paftir desse movìmento (ponto de vista microscópico),
Êsse entrelaçamento de perspectìvas ocorre em vários outros ramos da Física, sendo característico
do estudo atual dessa ciência.
il'.r'i'@ 2. Energia térmica e calor
As moléculas constituintes da matérìa estão sempre em movimeÁto, denominado agitação térmi-
ca. A energia cìnétìca associada a esse movimento é denominada energia térmica.
A energia térmica de um corpo pode variar. Por exemplo, se uma certa quantidade de água Íor
colocada lunto à chama de um bico de gás, o movimento de suas moléculas se torna mais intenso, isto
é, sua eneigia térmica aumenta. Por outro lado, adicionando-se gelo à água, ocorre a diminuição do
movimento moìecLrlarda água, isto é, sua energìa térmica diminuì. Essa ocorrêncìa é ilustrada nasfigurás
I a e 1b, nas quais as moléculas d€ água são representadas esqu€maticamente por pequenas esferas.
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.2 Oi FUNDÁMrNÌos DÁ Fis.Á
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Figura l. As moléculas dã água quente sê âgitâm mâis inrensâmente.
Nesses exempÌos, identif icamos um corpo quente (a chama do bico de gás) e um corpo fr io
(o gelo). Note que, ao empregãf os termos Ì/quente" e "frio", estâmos utilizando uma noçã9 subietiva
de temperatura/ baseada em sensações apreendidas pelo tato. Embofa seia uma forma imprecisa de
cãracterizar a temperaturâ, essa é a noção que utilizamos no dia-a-dia parâ dizer que um corpo quente
está a uma temperatura mais elevada que um corpo frio.
Ainda pelos exemplos apresentados, podernos concluir que a energia térmica transferiu-se de um
corpo para outro (do bico de gás para a água, na f igura 1a, e da água para o gelo, nâ f igura 1b), em
virtude da dÌfêrençâ de temperatura entre eles, A energia térmica em trânsito damos o nome oe cator,
PoÍ ìsso, não se deve falaÍ em calor "contido" num coÍpo. Quando for n€cessário dar a idéia da energia
contida num corpo, relacionada com a agitação de suas moléculas, deve-se usaÍ a expressào
energia térmica.
O fato de que o calor é uma forma de energia só foi definitivamente estabelecido na Física no século
XlX, graças aos trabalhos dos cientistas Willìam Thompson (conde de Rumford), jos€ph Mayer e lames
Prescottjoule. Nos modelos aceitos até então, o calor era entendido como uma substância imponderável
(fluido calóÍico) que se jncofporava aos coÍpos ou sistemas.
A medìda da quantidade de <alor trocada entre dois corpos é, poúanto, uma medidâ de energìa.
Sendo assim, a unidade de quantidade de calor no Sistema Internacional é o ioule (J). Éntretanto, a ca-
loria (símbolo cal), unidade estabelecida ântes de se ent€nder o calor como Íorma de eneroia. contìnua
sendo utilizada para medir as ouantidades de calor.
A reìação entre a caloria (cãl) e o joule (J) é:
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1 cal : 4,1868 j
! \_+
ã A 3. Noção de temperatura
Podemos considerar a temperatura de um corpo como a m€dida do grau de agitação de suas
molé(ulas. Desse modo, supondo não havef modança de fase, quando o corpo recebe energia térmica,
suas moléculas passam â se agìtar mais intensamente a tempeÍatura aumenta. Ao perder energia/ as
moléculas do corpo se agitam com menor intensidade a temperatura diminui. Na Í igura 2, as molé-
culas do gás, representadas esquematicâmente por pequ€nas eíeras, aumentam seu grau de agitação
ao receberem energia térmica da chama do bico de gás.
Figurâ 2, As moté<ulas do 9ás, quândo colocado sobÌê a óâmã, ãdquir€m mais ênêrg ia cinéricã,
ou seja, o gás pô55a ã a presentar üma têmpeÍâturâ mais elevâda.
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Ca?iruLo 1 . CoNcEÌos FuNoÁMrNÌaE t .
Atransferência de calorentíe dois corpos, como acentuamos anteriormente, pode s€r explicada pela
diferença entre suas temperatuaas, Quando doìs corpos são colocâdos em presença um do outro, as
moléculas do corpo quente (mais rápidas) transÍerem en€rgia cinética para as moléculas do corpo frio
(mais lentas). Com isso, as moléculas do corpo frio aum€ntam sua velocidade e as moléculas do corpo
quente têm sua v€locìdade dìminuída, até se. alcançada uma situação de equilíbÍio. Em outras palavras,
há transferência de en€Ígia térmica (calor) do corpo mais quente para o corpo mais frio.
Sendo âssim, poderÍìos concluif que: "se do;s coÍpos estão em equilíbrio térmico com um teÍceiro,
eles estão em equilíbrio térmico entre si". Esse enunciàdo constitui a chamada lei zero da Te,modinâ-
mi(a. Assim, se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo C e um corpo B também está em
equilíbrio térmìco com o corpo C, então os corpos A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
@ +. Or estados de agregação da matéria
Estamos habituados com o fato de a água apÍesentar-se como líquido, sólido ou vapor, podendo
passar de uma parâ outra sìtuação. Assim, como se mostra na figura 3, um cubo de gelo (sólido) pode
derreter, passando a lí,quido; e este, por aqueaimento, pode passar a vapor
FigüÍâ3.Esquemã de um dispositivoêm quê o gêlo s€ tÌansfom. em água líquida, € esta, por
âquêcimêntq sê trânsforfiâ êm vâpor.
Sólido, líquido e gasoso constìtuem os estados de agregação da matéria (há uma diíerença física
entre gás e vaporque discutiremos em outro capítulo, mas ambos corrcspondem ao €stado gasoso), De
modo geral, os matefiais que nos rodeiam se encontram em um desses estados de agregaçào,
[.Jm sólido tem volume e forma definidos. Um líquido assume a ÍoÍma do recipiente que o contém,
mas seu volume é definido. um gás ou um vapor preenche totalmente um r€cipiente fechado no qual
seja colocado, qualquer que seja a forma deste. Potanto, gases e vapores não têm fofma nem volume
definidos: a forma e o volume são do recipiente no qual se encontram,
Pâra explicar esses estados de agregação, admite-se que qualquer material é formado de moléculas
e qLre essas estão em movimento, mais intenso ou menos intenso, com maior ou menor liberdade, con-
ÍoÍme a Intensidade da5 íorças de coesào* entÍe eld\,
b)
FiguÌâ {. R€prêsêntãção e5quêmática de <omo se aprêsêntâm as moléculas docoÌpo no êstado
sólido (a)e nos€stados líquido ê gâsoso {b).
ta Chamam re íorçã5 dê @gáo ôs íorçar que se dêsenvolvem entre moléculãi de me5mà nâtur%, ê íorcr dê adsáo
as que se desenvolvem entÍe moiéculôs de nôturczas diferentes,
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Os FUNDÁMÊNros DÂ FrsrcÀ