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Energia Térmica e temperatura

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ENERGIA TÉRMICA E TEMPERATURA 
 
1. AS DISCUSSÕES DA COMUNIDADE CIENTÍFICA SOBRE O QUE É ENERGIA 
No desenvolvimento de suas pesquisas, os cientistas buscam observar o 
comportamento dos objetos na natureza. Nesse contexto se encontram também as propriedades 
dos objetos tais como massa, velocidade, aceleração, volume, densidade, temperatura etc. 
Quando há alguma variação nessas propriedades, procura-se alguma regularidade, ou seja, 
alguma relação que se repita (por exemplo, o valor do deslocamento de um móvel em movimento 
uniforme é diretamente proporcional ao valor da velocidade dele, para um determinado intervalo 
de tempo), ou algo que se conserve (por exemplo, Lavoisier verificou que a massa total dos 
produtos de uma reação tem o mesmo valor da massa total dos reagentes). 
Quando aquilo que se conserva envolve uma expressão matemática relacionando 
várias propriedades, procura-se dar um nome a essa expressão. Na construção do conhecimento 
científico, muitas vezes, há discordância entre os pesquisadores, tanto quanto ao uso de uma 
palavra para rotular um conceito, quanto na formulação matemática que define essa nova 
grandeza física. 
1.1 Ideias originais sobre energia: ela é algo que sempre se conserva! 
Os primeiros rascunhos do conceito de energia parecem ter surgido quando Descartes 
(1596-1650) formulou a hipótese de que todo movimento de um corpo provém do movimento de 
outro corpo, como, por exemplo, quando uma bola de bilhar colide com outra, transferindo 
movimento. Contudo, nesse processo, para ele a quantidade que reduzia em um deles, era 
acrescentada no mesmo valor ao outro. 
Mas como explicar o fato de que uma bolinha lançada em um plano horizontal vai 
perdendo seu movimento? Descartes explicava isso dizendo que parte do movimento era 
transferido para as partículas do ar e do próprio piso, de forma invisível aos olhos humanos. 
Gottfried Leibniz (1646-1716) formulou uma expressão matemática que, para ele, 
representava a “força” viva (do latim vis viva) presente nos objetos em movimento: mv², em que 
m representa a massa do corpo e v, o valor de sua velocidade. Para ele, a quantidade total de vis 
viva deveria ser constante em todo o Universo. Hoje chama-se essa “força” viva de energia 
cinética (mas acrescenta-se o fator ½ à expressão mv²: ½ mv²). 
Hermann Von Helmholtz (1821-1894) explicitou o princípio da conservação da energia, 
quando ela ainda era chamada de “força” viva: 
Chegamos à conclusão de que a Natureza, como um todo, possui uma reserva de força que 
não pode de qualquer modo aumentar ou diminuir e que, portanto, a quantidade de força na 
Natureza é precisamente tão eterna e inalterável como a quantidade de matéria. Expressa 
nesta forma, mencionei a lei geral: O Princípio de Conservação da Força. 
 
(In: PROJECTO FÍSICA. Unidade 3: O triunfo da Mecânica. Lisboa: Fundação Calouste 
Gulbenkian, 1980. P. 64). 
Helmholtz utilizava a palavra “força” para definir o que hoje se conhece como “energia”. 
Este termo fora introduzido pelo físico e médico britânico Thomas Young em 1807. 
 
2. SISTEMA FÍSICO 
Um sistema físico corresponde a uma determinada região do Universo que escolhemos 
para focarmos nossa atenção. Cabe a nós escolher o sistema de forma conveniente a simplificar 
nossas observações sobre ele. Podem ser considerados sistemas físicos, por exemplo: 
• um corpo; 
 
Figura 1 - um tijolo representa um corpo, que pode representar um sistema. 
 
• uma partícula; 
• um conjunto de corpos ou de partículas; 
 
Figura 2 - uma parede, representada por um conjunto de tijolos, pode ser considerada um sistema. 
 
• uma região do espaço de volume constante (por exemplo, o interior de uma 
garrafa térmica) ou de volume variável (por exemplo, o interior de uma bola de 
futebol, que pode ser deformada). 
 
Figura 3 - o interior de uma garrafa térmica, por exemplo, pode ser considerado um sistema físico. 
(disponível em http://www.cafestore.com.br) 
 
Figura 4 - O interior de uma bola de futebol pode ser considerado um sistema físico. Nesse caso, 
a fronteira do sistema é real, representada pela borracha de que é feita a bola. (disponível em: 
http://olhares.uol.com.br/cabecada-foto1276885.html) 
 
 
A fronteira do sistema é uma superfície imaginária ou não (isso porque pode ser uma 
superfície física como a casca do ovo, por exemplo) que divide o sistema do restante do Universo, 
conhecido como vizinhança, arredor ou meio externo. 
2.1 Propriedades de um sistema físico 
Uma vez que definimos as fronteiras que delimitam o que vamos observar como 
sistema físico, verificamos que existem algumas propriedades que o caracterizam, tais como 
número de partículas, massa, volume, densidade, temperatura etc. Dizemos que o conjunto 
dessas propriedades pode representar o estado do sistema em um determinado instante. 
Essas propriedades ainda podem ser classificadas como extensivas ou intensivas. 
Para diferenciarmos, vamos analisar um exemplo. Imagine que nosso sistema é a água contida 
em um jarro. Agora vamos subdividir esse sistema em dois copos. Note que a massa de um copo 
somada com a massa do outro copo corresponde à massa total do sistema. Nesse caso, podemos 
dizer que a massa é uma propriedade que depende da extensão do sistema, e, caso venhamos a 
subdividi-lo em extensões menores, a massa também se subdivide: massa é uma propriedade 
extensiva do sistema. Vamos então pensar na densidade da água presente no jarro. Pelo que 
sabemos, a densidade da água é algo em torno de 1 g/cm³, assim, a densidade da água no jarro 
corresponde a 1 g/cm³. Quando fizemos a subdivisão nos copos, não houve subdivisão da 
densidade: a água de cada copo apresenta 1 g/cm³, ou seja, se somarmos as densidades das 
águas no copo, não obtemos a densidade total. Portanto, classificamos a densidade como uma 
propriedade intensiva do sistema, não dependendo de sua extensão. 
 
 
 
 
 
 
Figura 5 - Observe-se que o sistema "água contida no jarro" foi subdividido em duas partes: "água 
contida no copo à esquerda" e "água contida no copo à direita". 
 
 
Energia é uma propriedade extensiva de um sistema físico, medida em relação a um 
determinado referencial. 
Pode-se dizer, por exemplo, que a energia do sistema formado pelos dois copos com 
água da Figura 5, corresponde à soma da energia de um copo com a energia do outro. 
2.2 Transformações no estado dos sistemas físicos 
As propriedades dos objetos contidos em um sistema podem sofrer alterações, caso 
esse sistema sofra transformações devido a interações internas (entre os componentes do 
sistema) ou a interações externas (entre o sistema e sua vizinhança). 
Contudo, buscou-se encontrar aquilo que não varia nesses processos de 
transformação, quando o sistema está isolado de sua vizinhança, ou seja, quando não interage 
com ela. Nesse contexto, construiu-se o conceito de energia, como uma propriedade extensiva de 
um sistema, representada por uma grandeza escalar, que se conserva caso ele esteja isolado de 
sua vizinhança. 
Quando ocorre interação entre o sistema e sua vizinhança, ainda assim continua válido 
o princípio da conservação de energia, porque se houve aumento da quantidade de energia no 
sistema, houve também uma redução de igual valor na quantidade de energia da vizinhança. 
Assim, dizemos que houve transferência de energia entre o sistema e sua vizinhança, 
respeitando o princípio da conservação. 
Portanto, 
para alterar o estado de um sistema, pode ser necessário variar a quantidade de 
energia desse sistema ou alterar a forma de manifestação dessa energia. 
Devido ao princípio de conservação da energia, para que tal transformação ocorra, é 
necessário que ou as partes internas do sistema interajam transformando energia, ou que o 
sistema interaja com sua vizinhança. De qualquer forma, tais interações são representadas pelas 
forças (estudadas nas leis de Newton). 
É por esse motivo que dizemos “precisar de energia” para nossas atividades. Na 
verdade, precisamos “transformar”