Calor e Trabalho

Calor

Você já passou por situações, por exemplo, um almoço, em um dia quente de verão, em que você retirou uma jarra de suco da geladeira, deixou sobre a mesa e depois de um tempo percebeu que o suco “esquentou”, isto é, sua temperatura aumentou em relação a temperatura de quando o suco foi retirado da geladeira. No mesmo almoço você percebe que a panela que continha comida “quente retirada do forno, depois de um tempo “esfria”, isto é, sua temperatura diminui.

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Mas por que isso acontece? Por que os corpos mudam de temperatura?

A resposta para essa pergunta é a troca de energia entre os corpos e o ambiente devido a diferença de temperatura. Essa energia é chamada de energia interna ou térmica, que é a soma das energias cinética, associadas ao movimento aleatório dos átomos, moléculas ou outros corpos minúsculos que fazem parte do objeto, e energia potencial.

A energia térmica transferida é chamada de calor Q. Como o corpo pode absorver ou ceder calor, dizemos por convenção, que quando o corpo absorve calor, essa quantidade de energia é positiva Q>0 e quando cede calor, a quantidade de energia é negativa Q<0.

Calor é a transferência de energia entre os corpos ou ambiente devido a diferença de temperatura entre eles.
Em um sistema para saber se o calor está sendo absorvido ou cedido pelo corpo é preciso saber suas temperaturas em relação ao sistema e se existe uma diferença de temperatura entre os corpos, o corpo que possuir maior temperatura irá ceder calor e o corpo que possui menor temperatura irá receber calor.
A figura a seguir mostra que o corpo A possui uma temperatura maior, isto significa que suas partículas estão mais agitadas e consequentemente possui maior energia cinética, o que faz com que o corpo A possua uma quantidade de energia a ser transferida maior. Já o corpo B possui temperatura menor em relação ao corpo A, então significa que este recebe calor do corpo A, pois possui uma quantidade de energia menor.
Isso nos leva a concluir que:
O calor flui de forma espontânea do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

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Com a transferência de calor a temperatura de A vai diminuindo devido a perda de energia e a temperatura de B vai aumentando pelo fato de estar absorvendo energia. Em um determinado momento as temperaturas serão iguais e a troca de calor entre os corpo cessará e dizemos que o sistema entrou em equilíbrio térmico.

Assim podemos voltar a nossa questão do início da discussão: Por que o suco esquentou e a comida esfriou?

A resposta é que como o suco estava a uma temperatura menor que o ambiente (cozinha ou sala de jantar) ele absorveu calor do ambiente ficando com a mesma temperatura do ambiente. Em relação à comida, esta cedeu calor para o ambiente, pois estava com uma temperatura maior. Portanto podemos dizer que o suco e a comida entraram em equilíbrio térmico com o ambiente.

Uma outra forma de transferir calor é por meio de trabalho \tau que associamos até agora a aplicação de uma força sobre um sistema que provoca deslocamento no mesmo.

O calor e trabalho tem significado apenas enquanto ocorre transferência de energia para um sistema, somando -se ou subtraindo -se energia interna total.

Observando o Calor e Trabalho

Para entendermos melhor como o calor e trabalho são trocados com o ambiente vamos considerar como sistema um gás.

Imagine que este gás confinado em um recipiente cilíndrico totalmente isolante, que não permite a troca de calor com o meio externo. O cilindro apresenta-se em um estado inicial em que ocupa um volume V_{i}, está submetido a uma pressão inicial P_{i} e apresenta uma temperatura T_{i}. Para mudar essas condições para um estado final em que apresenta V_{f} , P_{f} e T_{f} é preciso que o sistema passe por um processo termodinâmico, que está caracterizado pelo fato das grandezas V, P e T variarem obedecendo a Lei geral dos gases.

Vídeo 4: Lei geral dos gases ideias

O calor transferido ou retirado do sistema pode fazer com que o êmbolo suba ou desça. Se o êmbolo subir significa que o gás no interior do cilindro, aplicou uma força  sobre o êmbolo e faz com que o mesmo se desloque e  neste caso dizemos que o gás realizou trabalho e parte da energia. Agora se o êmbolo descer significa que um agente externo aplicou uma força sobre o êmbolo e dizemos que o gás recebeu trabalho.

A afirmação acima nos leva novamente à página Trabalho e Energia cinética em que foi abordado o conceito de trabalho, onde vimos que se uma força aplicada sobre um sistema é capaz de mover o mesmo, dizemos que essa força aplicada pelo outro sistema realizou trabalho.  Assim vamos determinar o volume realizado ou recebido pelo gás.

Vamos imaginar que um gás exerce uma força \vec F sobre o êmbolo que possui uma área S. Quando o gás exerce  força sobre a área temos a pressão e podemos escrever a força como:

    \[ P=\frac{F}{S}\rightarrow F=PS \]

Pensando em um processo lento, podemos considerar que a força é constante e que o deslocamento do êmbolo é muito pequeno determinamos o trabalho realizado realizado pelo gás, pois dy representa o deslocamento do êmbolo e dV representa a variação de volume e podemos escrever que dyS=dV. Pensando em um diagrama em que a pressão varia com o volume temos o trabalho é numericamente igual a área.

Então podemos calcular o trabalho como:

    \[ d\tau =Fdy=PSdy=PdV \]

Realizando a integral encontramos o trabalho total realizado pelo gás

    \[ \tau =\int d\tau =\int_{V_i}^{V_f}PdV \]

Trabalho é a energia transferida entre um sistema e um ambiente, por meios independentes da diferença de temperaturas entre eles.

 

O resultado do trabalho depende de como a pressão varia em função do volume para o qual o sistemas muda de um estado inicial para um estado final, isto é, qual o tipo de transformação gasosa o gás sofre, isotérmica, isobárica, isocórica ou adiabática.

Vídeo 5: Transformações gasosas

Se o sistema absorve calor de um fonte térmica, sua energia interna irá aumentar fazendo com que o gás realize trabalho para manter e se o sistema perder calor, sua energia interna irá diminuir permitindo com que o sistema receba trabalho.

Até o momento já vimos que um sistema representado por um gás é capaz de receber ou realizar trabalho. Mas de onde vem essa força dos gases capaz de mover o êmbolo?

Podemos dar a resposta pensando na definição de trabalho que é a transferência de energia por meio de uma força ou várias forças que agem sobre um corpo. Mas então resta outra pergunta: De onde vem essa energia?

A resposta é a energia interna. A energia interna de um gás é determinada pela soma das energias cinéticas de agitação , potencial de agregação, de ligação e nuclear entre as partículas. Assim quando um sistema realiza trabalho podemos dizer ocorre variação de sua energia interna.

Na seção Energia potencial vimos que a energia transferida pelo trabalho é armazenada na forma de energia potencial. Esta energia é o negativo do trabalho é a variação da energia potencial -\tau =\Delta U. Voltando para o sistema termodinâmico (gás) temos que a energia transferida pelo trabalho é armazenada na forma de energia interna U.

O texto PotenciaisTermodinâmicos apresenta uma explicação de nível superior sobre a relação entre energia interna e potencial, baseada conceito entropia e outras variáveis como temperatura, volume e número de mols de um gás.

PotenciaisTermodinâmicos

 

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