A matéria, a substância da qual todos os objetos físicos são compostos, apresenta uma gama de propriedades térmicas que são cruciais para a compreensão do mundo que nos rodeia. Essas propriedades – como temperatura, calor e expansão térmica – são governadas pelos princípios da transferência de energia e pelas leis da física.
A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas em uma substância, geralmente medida em graus Celsius (°C), Fahrenheit (°F) ou Kelvin (K). O calor, por outro lado, é uma forma de transferência de energia entre dois objetos ou sistemas devido a uma diferença de temperatura. A unidade de calor no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule (J). A relação entre calor ( \(Q\) ), massa ( \(m\) ), capacidade de calor específico ( \(c\) ) e mudança de temperatura ( \(\Delta T\) ) é descrita pela equação: \(Q = mc\Delta T\) A capacidade térmica específica é uma medida da quantidade de energia térmica necessária para alterar a temperatura de um quilograma de uma substância em um grau Celsius.
Quando os materiais são aquecidos, eles geralmente se expandem. Este fenômeno é conhecido como expansão térmica e pode ser observado em sólidos, líquidos e gases. A expansão térmica ocorre porque o aumento da temperatura resulta num aumento da energia cinética das partículas, fazendo com que elas se separem. A extensão da expansão térmica pode ser descrita pelo coeficiente de expansão linear ( \(\alpha\) ), para sólidos, que mostra a mudança no comprimento ( \(\Delta L\) ) por unidade de comprimento ( \(L\) ) por grau de mudança na temperatura ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Para líquidos e gases, a expansão volumétrica é mais relevante que a expansão linear e é descrita pelo coeficiente de expansão volumétrica.
As mudanças de fase são transformações entre as fases sólida, líquida e gasosa de uma substância e envolvem absorção ou liberação de energia sem alteração de temperatura. Os principais tipos de mudanças de fase incluem fusão, congelamento, vaporização, condensação, sublimação e deposição. O calor associado à mudança de fase é conhecido como calor latente. Por exemplo, a energia necessária para transformar 1 kg de gelo em água sem alterar a temperatura é chamada de calor latente de fusão ( \(L f\) ), enquanto a energia necessária para converter 1 kg de água em vapor sem alterar a temperatura é chamada o calor latente de vaporização ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) para fusão ou congelamento, \(Q = mL_v\) para vaporização ou condensação.
A energia térmica pode ser transferida através da matéria por condução, convecção e radiação. Condução é a transferência de calor entre substâncias que estão em contato direto umas com as outras. A condutividade térmica ( \(k\) ) de um material é uma medida de sua capacidade de conduzir calor. A lei da condução térmica de Fourier mostra a relação entre a taxa de transferência de calor ( \(Q/t\) ), condutividade térmica ( \(k\) ), área ( \(A\) ), gradiente de temperatura ( \(\Delta T/L\) ), e espessura do material ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Convecção é a transferência de calor pelo movimento de fluidos (líquidos ou gases ) causada por diferenças de temperatura. Envolve o movimento em massa do fluido. A radiação é a transferência de energia através de ondas eletromagnéticas e não requer um meio para se propagar. Todos os objetos emitem radiação térmica, e a quantidade de radiação emitida aumenta com a quarta potência da temperatura do objeto, conforme descrito pela lei de Stefan-Boltzmann: \(P = \sigma AT^4\) onde \(P\) é a potência emitida, \(\sigma\) é a constante de Stefan-Boltzmann, \(A\) é a área da superfície e \(T\) é a temperatura em Kelvin.
A água possui algumas propriedades únicas relacionadas à sua capacidade térmica específica e ao seu comportamento próximo a 4°C. A capacidade térmica específica da água é marcadamente elevada, o que significa que necessita de muita energia térmica para aumentar a sua temperatura, contribuindo para o seu papel como amortecedor térmico nos ecossistemas. Além disso, a água atinge sua densidade máxima a 4°C; à medida que esfria abaixo dessa temperatura, ele se expande. Esta expansão anómala é crucial para a sobrevivência da vida aquática em climas frios, à medida que o gelo se forma na superfície dos corpos de água, isolando a água abaixo.
As propriedades térmicas da matéria têm amplas aplicações na vida diária e na indústria. Por exemplo, a expansão térmica é considerada no projeto de pontes e ferrovias para permitir a expansão e contração com mudanças de temperatura. A alta capacidade térmica específica da água a torna um excelente refrigerante em processos industriais e usinas de energia.
Numa experiência para demonstrar a capacidade térmica específica da água, um aquecedor é utilizado para transferir uma quantidade conhecida de energia para uma quantidade medida de água. Ao observar a mudança de temperatura, os alunos podem calcular a capacidade térmica específica da água usando a fórmula \(Q = mc\Delta T\) .
Outra demonstração comum envolve colocar um balão sobre um frasco com água. À medida que a água é aquecida e se transforma em vapor, o balão infla devido ao vapor d'água que empurra o ar. Isso demonstra a expansão da água quando ela se transforma em gás, efeito visível da expansão térmica da matéria.
Compreender as propriedades térmicas da matéria não só melhora a nossa compreensão da física fundamental, mas também enriquece a nossa capacidade de projetar soluções para uma variedade de desafios práticos.
