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CALOR E TEMPERATURA
O que você deve saber sobre
Galileu Galilei, em 1592, sugeriu uma versão simples de termômetro; a construção de modelos elaborados levaria mais 150 anos. Em meados do século XVIII, já estavam estabelecidas as escalas termométricas usadas hoje. Este tópico trata da transformação das escalas termométricas e da diferença entre os conceitos de calor e temperatura.
CALOR E TEMPERATURA
I. Diferença entre calor e temperatura
Temperatura: resultado da agitação das moléculas de um corpo.
Calor: energia transferida de um corpo de maior temperatura a outro, de menor temperatura, quando em contato, até ambos atingirem o equilíbrio térmico.
Termômetro de máxima e mínima, que indiretamente está medindo o grau de agitação das moléculas do ar ambiente.
Fotografia térmica de um casal, mostrando cores distintas em regiões com diferentes temperaturas. Haverá transferência de calor das regiões mais quentes (avermelhadas) para as mais frias (verdes e azuladas). A transferência cessará apenas quando a temperatura de ambos for igual e homogênea por todo o corpo.
E. R. DEGGINGER/PHOTOSEACHERS/LATINSTOCK
DR. RAY CLARK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK
II. Processos de propagação de calor
Condução
O calor se espalha por todo o corpo.
O esquema representa o grau de agitação molecular, que varia com a distância até a fonte de energia.
CALOR E TEMPERATURA
Convecção
As correntes de convecção transportam matéria na medida de suas densidades: as de maior densidade tendem a descer, e as de menor densidade, a subir.
II. Processos de propagação de calor
CALOR E TEMPERATURA
Irradiação
É o único processo de transmissão de calor que permite transportar energia no vácuo. Isso se dá por meio de ondas eletromagnéticas, principalmente na faixa de frequência do infravermelho.
A luz do Sol atinge a Terra após percorrer o vácuo.
II. Processos de propagação de calor
YELLOWJ/SHUTTERSTOCK
CALOR E TEMPERATURA
A energia vinda do Sol é transmitida por irradiação.
A estufa de plantas impede a radiação infravermelha de escapar para o exterior.
II. Processos de propagação de calor
Irradiação
JOLIN/SHUTTERSTOCK
CALOR E TEMPERATURA
II. Processos de propagação de calor
CALOR E TEMPERATURA
III. Escalas termométricas
Pontos fixos
Para graduar uma escala termométrica, necessitamos de duas referências, chamadas pontos fixos. As mais comuns são (à pressão normal): • ponto de fusão do gelo; • ponto de ebulição da água.
Escalas mais utilizadas (nomes e temperaturas dos respectivos pontos fixos):
• Celsius: 0 ºC e 100 ºC
• Fahrenheit: 32 ºF e 212 ºF
• Kelvin: 273 K e 373 K
CALOR E TEMPERATURA
Conversões entre as escalas
III. Escalas termométricas
CALOR E TEMPERATURA
 Celsius e Fahrenheit
 Celsius e Kelvin
Função termométrica
Possibilita a medição indireta da temperatura, a partir de uma relação linear entre ela e outra grandeza física medida diretamente.
Reta que associa as grandezas θ (temperatura) e x (outra grandeza física).
III. Escalas termométricas
CALOR E TEMPERATURA
, em que a = tg =  
Os diversos tipos de termômetros se diferenciam pela propriedade utilizada na medição.
 Termômetro clínico: mede a dilatação de uma coluna de mercúrio no interior de um bulbo de vidro.
 Termômetro de lâmina bimetálica: funciona com base na diferença de dilatação entre os dois metais que compõem a lâmina calibrada com o ponteiro, numa certa temperatura.
A lâmina bimetálica no interior desse termômetro possui a forma de uma espiral, cuja ponta está afixada na seta do mostrador. Conforme os dois materiais são aquecidos, eles se dilatam diferentemente, e a lâmina se curva para o lado do que sofre maior dilatação; assim, o ponteiro gira no sentido horário.
III. Escalas termométricas
Funções termométricas
SPORTS ILLUSTRATED/GETTY IMAGES
CALOR E TEMPERATURA
(UEPB) Numa aula de física, um aluno é convocado a explicar fisicamente o que acontece quando um pedaço de ferro quente é colocado dentro de um recipiente de água fria. Ele declara: “O ferro é quente porque contém muito calor. A água é mais fria que o ferro porque contém menos calor que ele. Quando os dois ficam juntos, parte do calor contido no ferro passa para a água, até que eles fiquem com o mesmo nível de calor... e aí eles ficam em equilíbrio”. Tendo como referência as declarações do aluno e considerando os conceitos cientificamente corretos, analise as seguintes proposições: I. Segundo o conceito atual de calor, a expressão “O ferro é quente porque contém muito calor” está errada. II. Em vez de declarar: “... parte do calor contido no ferro passa para a água”, o aluno deveria dizer que “existe uma transferência de temperatura entre eles”. III. “... até que eles fiquem com o mesmo nível de calor... e aí eles ficam em equilíbrio” é correto, pois quando dois corpos atingem o equilíbrio térmico seus calores específicos se igualam. 
Assinale a alternativa correta:
a) Todas as proposições são verdadeiras.
b) Apenas a proposição I é verdadeira.
c) Apenas a proposição II é verdadeira.
d) Apenas a proposição III é verdadeira.
e) Apenas as proposições I e III são verdadeiras.
RESPOSTA: B 
I. Correto. O aluno confunde os conceitos de calor e temperatura. O calor é energia em trânsito, ou seja, é a energia térmica que se transfere de um corpo para o outro. A temperatura, por outro lado, é uma grandeza associada ao grau de agitação das partículas que constituem o material em estudo. II. Incorreto. A transferência é de energia, o que provoca uma variação de temperatura. III. Incorreto. Aqui o aluno confunde os conceitos de energia em trânsito (calor) e calor específico. 
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CALOR E TEMPERATURA – NO VESTIBULAR
EXERCÍCIOS ESSENCIAIS
(Unitau-SP) Indique a alternativa que associa corretamente o tipo predominante de transferência de calor que ocorre nos fenômenos, na seguinte sequência: • Aquecimento de uma barra de ferro quando sua extremidade é colocada numa chama acesa. • Aquecimento do corpo humano quando exposto ao sol. • Vento que sopra da terra para o mar durante a noite.
a) Convecção – condução – radiação
b) Convecção – radiação – condução
c) Condução – convecção – radiação
d) Condução – radiação – convecção
e) Radiação – condução – convecção
RESPOSTA: D
• Ao se aquecer a extremidade de uma barra de ferro, as moléculas que constituem o material nessa região passam a vibrar mais devido à elevação da temperatura. O choque entre essas moléculas e as vizinhas transfere parte da energia de vibração, fazendo com que as últimas também vibrem mais intensamente. O processo se propaga, caracterizando-o como transmissão de calor por condução. • O aquecimento do corpo humano pelos raios solares se dá pela transmissão de calor por meio de radiação infravermelha, a qual, por natureza, se propaga no vácuo. Esse processo é denominado irradiação. • O vento sopra da terra para o mar durante a noite porque a água ainda está mais quente que a areia. Assim, o ar sobre a água é menos denso e sobe, enquanto o ar sobre a areia é mais denso e desce. A corrente convectiva formada se “fecha” com um fluxo de ar da terra para a água, próximo à superfície. 
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EXERCÍCIOS ESSENCIAIS
CALOR E TEMPERATURA – NO VESTIBULAR
(FMTM-MG) A fim de diminuir o risco de explosão durante um incêndio, os botijões de gás possuem um pequeno pino com aspecto de parafuso, conhecido como plugue fusível. Uma vez que a temperatura do botijão chegue a 172 ºF, a liga metálica desse dispositivo de segurança se funde, permitindo que o gás escape. 
Em termos de nossa escala habitual, o derretimento do plugue ocorre, aproximadamente, a:
a) 69 ºC. 
b) 78 ºC. 
c) 85 ºC. 
d) 96 ºC.
e) 101 ºC.
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EXERCÍCIOS ESSENCIAIS
CALOR E TEMPERATURA – NO VESTIBULAR
(Unirio-RJ) O nitrogênio, à pressão de 1,0 atm, condensa-se a uma temperatura de –392 graus numa escala termométrica X. O gráfico representa a correspondência entre
essa escala e a escala K (Kelvin). 
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EXERCÍCIOS ESSENCIAIS
CALOR E TEMPERATURA – NO VESTIBULAR
Em função dos dados apresentados no gráfico, podemos verificar que a temperatura de condensação do nitrogênio, em kelvins, é dada por:
a) 56.		d) 200. 
b) 77. 		e) 273.
c) 100. 
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.1. Definição
“Calor ou transferência de calor é a energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura no espaço”
1.2. Mecanismos da Transferência de Calor
A transferência de calor pode ocorrer de 3 modos distintos:
- Condução;
- Convecção ;
- Radiação.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.1. Condução
Ocorre em sólidos, líquidos e gases em repouso.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.1. Condução
Ocorre em sólidos, líquidos e gases em repouso.
Figura 1.2: Associação da transferência de calor por condução à difusão de energia devido à atividade molecular
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.1. Condução
Lei de Fourier
onde:
q – Taxa de calor [W]
k – Condutividade Térmica [W/moC]
A – Área [m2]
dT/dx – Gradiente de temperatura [oC/m]
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.1. Condução
Condutividade térmica
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.1. Condução
Condutividade térmica
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
Exemplo:
A parede da fornalha de uma caldeira é construída de tijolos refratários com 0,20m de espessura e condutividade térmica de 1,3 W/mK. A temperatura da parede interna é de 1127oC e a temperatura da parede externa é de 827oC. Determinar a taxa de calor perdido através de uma parede com 1,8m por 2,0 m.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.2. Convecção
Quando um fluido a determinada temperatura escoa sobre uma superfície sólida a temperatura diferente, ocorrerá transferência de calor entre o fluido e a superfície sólida, como conseqüência do movimento do fluido em relação a superfície.
Abrange dois mecanismos:
- Difusão;
- Advecção.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.2. Convecção
A convecção pode ser natural ou forçada.
 Convecção Natural
	O movimento ocorre devido a diferença de densidade
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.2. Convecção
A convecção pode ser natural ou forçada.
 Convecção Forçada
	O movimento ocorre devido a um mecanismo externo
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.2. Convecção
Lei de Resfriamento de Newton
onde:
q – Taxa de calor [W]
h – Coeficiente de convecção [W/m2 oC]
A – Área [m2]
Tw – Temperatura da parede [oC]
T – Temperatura do fluido [oC]
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.2. Convecção
O coeficiente de convecção h depende de propriedades físicas do fluido, da velocidade do fluido, do tipo de escoamento, da geometria, etc. 
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
Exemplo:
Ar a Tar = 25oC escoa sobre uma placa lisa mantida a 
Tw = 150oC. O coeficiente de convecção é de 80 W/m2 oC.
Determinar a taxa de calor considerando que a placa possui área de A = 1,5 m2.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.3. Radiação
Todos os corpos emitem continuamente energia devido a sua temperatura, a energia assim emitida é a radiação térmica.
A radiação não necessita de um meio físico para se propagar. A energia se propaga por ondas eletromagnéticas ou por fótons.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.3. Radiação
Emissão da Radiação do Corpo Negro
onde:
- Poder emissivo do corpo negro
- Constante de Stefan-Boltzmann igual a 5,67.10-8 W/m2K
- Temperatura absoluta da superfície [K]
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.3. Radiação
Emissão da Radiação de um Corpo Real
onde:
- Poder emissivo de um corpo real
- Emissividade 0    1
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.3. Radiação
Absorção de Radiação
O fluxo de radiação que incide sobre um corpo negro é completamente absorvido por ele e é chamado de irradiação G.
Se o fluxo de radiação incide sobre um corpo real, a energia absorvida por ele depende do poder de absorção  e é dado por:
onde:
- Radiação absorvida por um corpo real (irradiação)
- Absortividade 0    1
- Radiação incidente
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2.3. Radiação
Expressando a troca líquida de calor por radiação na forma de coeficiente de transferência de calor por radiação, tem-se:
onde:
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
Exemplo:
Uma tubulação de vapor d’água sem isolamento térmico atravessa uma sala cujas paredes encontram-se a 25oC. O diâmetro externo do tubo é de 0,07m, o comprimento de 3m, sua temperatura é de 200oC e sua emissividade igual a 0,8. Considerando a troca por radiação entre o tubo e a sala semelhante a aquela entre uma superfície pequena e um envoltório muito maior, determinar a taxa de calor perdida por radiação pela superfície do tubo.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.4. Diferença de Temperatura Média Logarítmica
Trocador de calor de correntes paralelas
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.4. Diferença de Temperatura Média Logarítmica
Trocador de calor em contracorrente
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.4. Diferença de Temperatura Média Logarítmica
Considerações feitas:
1- O trocador de calor encontra-se isolado termicamente da vizinhança, a única troca de calor ocorre entre os fluidos;
2- A condução axial ao longo do tubo é desprezível;
3- Variações nas energias cinética e potencial são desprezíveis;
4- Os calores específicos dos fluidos são constantes;
5- O coeficiente global de transferência de calor é constante.
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Professor: utilize a animação para ilustrar o efeito estufa e também suas consequências ao meio ambiente.
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