Calor, pressão, som, luz e eletricidade

Partículas, estados de agregação e massa volúmica

Antes de explicar aquecimento, convém escolher uma descrição da matéria. No modelo microscópico, substâncias são constituídas por partículas, como átomos e moléculas, que interagem. Num sólido, as partículas podem vibrar em torno de posições relativamente estáveis; isso não significa que estejam absolutamente imóveis. Num líquido, podem reorganizar-se mantendo proximidade suficiente para um volume aproximadamente definido. Num gás diluído, as separações são maiores e o material ocupa o volume acessível.

Estas descrições explicam tendências, não substituem todas as propriedades de materiais reais. Um líquido pode mudar de volume com temperatura e pressão, embora seja muito menos compressível que um gás em condições comuns. Estados e mudanças de estado dependem das condições. A temperatura de ebulição, por exemplo, não é independente da pressão.

A massa volúmica é ρ = m/V, com unidade SI kg/m³. Não é a massa de uma única partícula nem uma medida de «peso por tamanho» sem referência definida. Uma amostra homogénea de massa 0,40 kg e volume 0,00050 m³ tem massa volúmica 800 kg/m³. Se uma quantidade fixa de material se expande, o volume aumenta sem aumento proporcional de massa, e a massa volúmica diminui.

Durante uma mudança de estado, a energia transferida pode alterar a organização e as interações microscópicas sem aumentar a temperatura, nas condições adequadas. É por isso que precisamos de distinguir energia interna, temperatura e calor antes de interpretar um aquecimento.

Temperatura não mede a quantidade total de energia

A temperatura descreve o estado térmico de um sistema e permite prever o sentido de uma transferência espontânea de energia por contacto: do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Dois corpos em equilíbrio térmico têm a mesma temperatura e não apresentam transferência líquida de energia por diferença de temperatura.

Um termómetro deve interagir com o corpo durante tempo suficiente para se aproximar do equilíbrio. A sensação da mão não é uma medição fiável: metal e madeira à mesma temperatura podem parecer diferentes porque transferem energia da mão a ritmos diferentes. A leitura depende também de onde colocamos o termómetro e da sua resposta.

A temperatura termodinâmica mede-se em kelvin, K. A relação com Celsius é T(K) = θ(°C) + 273,15. Uma diferença de 1 °C tem o mesmo tamanho que uma diferença de 1 K. Contudo, 20 °C não é o dobro da temperatura absoluta de 10 °C. O zero kelvin é a origem da escala absoluta; não corresponde a 0 °C.

Calor, aquecimento e mudança de estado

Energia interna é energia associada aos movimentos e interações microscópicas das partículas de um sistema. Calor é energia em transferência devido a uma diferença de temperatura. Um corpo não «contém calor» como uma substância armazenada: contém energia interna, que também pode mudar quando se realiza trabalho sobre ele.

Sem mudança de estado e num intervalo em que o calor específico é aproximadamente constante, Q = mcΔT. Q é a energia transferida em J, m a massa em kg, c o calor específico em J/(kg·K) e ΔT a variação de temperatura em K. Quanto maior a massa ou o calor específico, mais energia é necessária para obter a mesma variação de temperatura, nas condições indicadas.

Durante uma mudança de estado de uma substância pura em equilíbrio a pressão constante, pode haver transferência de energia sem alteração da temperatura. Usa-se Q = mL, onde L é a energia por massa para essa transformação, em J/kg. Ao fundir gelo, a energia altera a organização e as interações microscópicas; não aumenta necessariamente a agitação média. Uma curva de aquecimento pode, por isso, apresentar patamares.

Três mecanismos de transferência térmica

Na condução, energia é transferida por interações microscópicas, sem transporte macroscópico do material. Uma extremidade de uma colher metálica aquece quando a outra está em contacto com água quente. Os materiais diferem na facilidade com que conduzem energia; espessura, área e diferença de temperatura também influenciam o ritmo da transferência.

Na convecção, o próprio movimento de um fluido transporta energia. Uma região aquecida pode expandir, tornar-se menos densa e subir sob ação da gravidade, mas o padrão depende da geometria e das condições. Ventoinhas e bombas também podem forçar a circulação. Não é o «calor» que tem uma tendência universal para subir: é matéria que se move.

Na radiação, a energia propaga-se por ondas eletromagnéticas e pode atravessar o vazio. A energia solar chega à Terra por este mecanismo. Um corpo emite e absorve radiação, e o balanço depende da sua temperatura e das propriedades da superfície. Num mesmo processo, os três mecanismos podem ocorrer simultaneamente; o objetivo é reconhecer qual domina no modelo escolhido.

Uma força distribuída por uma área

A pressão média é p = F_⊥/A: força perpendicular à superfície dividida pela área. Mede-se em pascals, Pa = N/m². A mesma força distribuída por uma área maior produz menor pressão média. Isto explica por que uma alça larga pode ser mais confortável que uma estreita, sem alterar o peso transportado.

Num líquido em repouso, de massa volúmica aproximadamente constante, a pressão aumenta com profundidade: p = p_superfície + ρgh. Aqui ρ é a massa volúmica em kg/m³, g ≈ 9,8 m/s² nesta aula e h a profundidade vertical em m. A pressão adicional vem do peso do líquido acima; depende da profundidade, não apenas da quantidade total no recipiente.

Pressão absoluta é medida relativamente ao vazio; pressão manométrica é a diferença relativamente à pressão atmosférica local. Se a superfície está exposta ao ar, ρgh dá a pressão manométrica, enquanto a absoluta inclui p_atm. A pressão num fluido em repouso atua em todas as direções num ponto; não é uma seta única apontada apenas para baixo.

Som: uma perturbação que precisa de meio

Uma fonte sonora faz vibrar um meio, produzindo variações de pressão que se propagam. No ar, as regiões de compressão e rarefação deslocam-se enquanto as partículas oscilam em torno das suas posições médias. A onda transporta energia; o ar não precisa de viajar desde a fonte até ao ouvinte. Sem meio material, o som não se propaga.

O período T é a duração de uma oscilação e mede-se em s. A frequência f é o número de oscilações por segundo e mede-se em hertz, Hz = s⁻¹; f = 1/T. O comprimento de onda λ é a distância entre regiões equivalentes consecutivas e mede-se em m. A rapidez de propagação obedece a v = λf: num período, a perturbação avança um comprimento de onda.

Frequência maior corresponde geralmente a som mais agudo; amplitude maior está associada a maior intensidade, no mesmo meio e nas mesmas condições. Não confundas altura musical com volume sonoro. A rapidez do som depende do meio e das suas condições, como temperatura. A reflexão pode produzir eco; o tempo medido inclui a ida até ao obstáculo e o regresso.

Luz, reflexão e refração

A luz é uma onda eletromagnética e propaga-se no vazio, ao contrário do som. No vazio, a sua rapidez é aproximadamente c = 3,00 × 10⁸ m/s. Para estudar espelhos e trajetos à escala de objetos grandes comparados com o comprimento de onda, podemos usar raios: linhas que representam a direção de propagação.

Na reflexão, o ângulo de incidência é igual ao de reflexão. Os dois são medidos relativamente à normal, uma linha perpendicular à superfície no ponto de incidência. Uma superfície rugosa pode espalhar raios em várias direções porque as normais locais variam, embora a lei continue válida localmente.

Na refração, a luz muda de rapidez ao passar entre meios. Pode também mudar de direção quando incide obliquamente. O índice de refração é n = c/v e não tem unidade. Ao entrar num meio de maior índice, um raio oblíquo aproxima-se da normal; ao sair, afasta-se. Na incidência normal pode mudar a rapidez sem mudar a direção. A cor não deve ser explicada apenas por «luz mais forte».

Carga, corrente, tensão e resistência

A carga elétrica mede-se em coulombs, C. A corrente média é I = Δq/Δt, em amperes, A = C/s: quantidade de carga que atravessa uma secção por duração. A corrente convencional tem o sentido em que se moveriam cargas positivas. Nos metais, os eletrões deslocam-se em sentido oposto. Corrente não é a rapidez desses eletrões.

A diferença de potencial, ou tensão, indica energia transferida por unidade de carga: U = E/q, em volts, V = J/C. Uma fonte mantém uma diferença de potencial por transformação de energia, por exemplo química numa pilha. Num circuito fechado, as cargas já presentes nos condutores podem mover-se organizadamente; não são criadas na lâmpada nem consumidas por ela.

Para um resistor óhmico a temperatura aproximadamente constante, U = RI. A resistência R mede-se em ohms, Ω = V/A. Uma lâmpada cujo filamento aquece pode não manter resistência constante. Num circuito simples em série sem ramificações, a corrente é a mesma em todos os pontos; a energia por carga é que se transforma nos componentes. Trabalha com esquemas e modelos de baixa tensão apropriados; esta aula não fornece instruções de montagem na rede elétrica.

Ligar as ideias sem misturar os modelos

A potência elétrica transferida para um componente é P = UI, em W. Durante um intervalo de potência constante, E = PΔt, em J. Num resistor, essa transferência pode aumentar a energia interna e, depois, produzir transferências térmicas para o ambiente. A eletricidade não se transforma numa substância chamada calor: a energia muda de forma e atravessa fronteiras.

Uma unidade resolve muitas ambiguidades: J para energia; W para potência; K para temperatura absoluta; Pa para pressão; Hz para frequência; A para corrente. Duas expressões podem usar a mesma letra para grandezas diferentes, por isso declara sempre o significado. O T do período, por exemplo, não é automaticamente o T da temperatura.

Para estudar um fenómeno, identifica primeiro a pergunta, o sistema e a escala. Se a pergunta é o tempo de um eco, usa propagação e percurso; se é o aquecimento de água, usa transferência de energia e propriedades térmicas; se é a corrente num resistor, usa relações do circuito. As ligações tornam-se úteis quando as diferenças também ficam claras.

Exemplos resolvidos, sem saltar passos

Acompanha primeiro o raciocínio. Depois tapa a resolução e tenta reconstruí-la com as tuas palavras.

Agora, experimenta tu

Não há cronómetro. Escreve o que sabes, escolhe uma relação e justifica cada passo. As pistas e soluções ficam disponíveis quando precisares.

Erros que vale a pena evitar

Um corpo contém uma quantidade de calor.

Calor designa energia em transferência por diferença de temperatura; o corpo possui energia interna.

A pressão num líquido depende só da massa total.

No modelo hidrostático depende de profundidade, massa volúmica, gravidade e pressão da superfície.

O som transporta todo o ar da fonte ao ouvido.

A perturbação e a energia propagam-se enquanto o meio oscila localmente.

Ângulos de reflexão são medidos com a superfície.

A convenção da lei usa a normal.

A lâmpada consome corrente.

As cargas circulam; a lâmpada transforma energia elétrica.