Temperatura e calor: conceitos, diferenças e aplicações

No nosso dia a dia, é muito comum usarmos expressões envolvendo temperatura e calor. Porém, elas nem sempre estão corretas do ponto de vista da Física. “Esse agasalho é quentinho”, “Fecha a janela pro frio não entrar” e “Nossa, hoje está muito calor!” são alguns exemplos.

Temperatura é uma grandeza física associada ao “grau de agitação” das partículas (como átomos e moléculas) que formam um corpo, indicando o quão quente ou frio ele está.

Por outro lado, calor é uma forma de energia transferida entre dois corpos ou sistemas que estejam a temperaturas diferentes.

A seguir, vamos entender melhor esses conceitos de termologia para compreender por que as frases exemplificadas acima não estão cientificamente corretas, e aprender como o Enem e os vestibulares cobram tais conceitos.

Agitação molecular e energia térmica

Todo corpo em movimento possui um tipo de energia chamada energia cinética. Quanto mais veloz é o movimento, maior é a energia cinética do corpo.

Para entender melhor, vamos à explicação: a matéria é formada por átomos, que, por sua vez, formam moléculas, ligas metálicas e estruturas mais complexas. E, ao contrário do que imaginamos, essas partículas não estão paradas, mas em constante movimento: elas podem transladar, rotacionar e vibrar.

Vamos focar na energia cinética de translação, popularmente conhecida como “agitação”.

A soma das energias cinéticas de translação de todas as partículas que compõem um corpo é o que chamamos de energia térmica. Veja que a energia térmica depende tanto da quantidade de partículas do corpo quanto de suas “agitações”.

Quanto maior for a quantidade de partículas de um corpo e quanto mais agitadas elas estiverem, maior será a sua energia térmica.

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O que é temperatura?

Temos uma noção intuitiva de temperatura: sabemos que uma coisa quente tem temperatura alta e que uma coisa fria tem temperatura baixa. Essas ideias estão corretas, mas podem ser enganosas, afinal, nossos sentidos nem sempre são confiáveis.

Temperatura é uma grandeza física relacionada, de forma proporcional, à energia cinética média das partículas de um corpo. Não é a energia cinética média em si, mas está relacionada a ela, já que temperatura e energia são grandezas físicas diferentes.

Quanto mais agitadas, em média, estiverem as partículas de um corpo, maior a sua temperatura.

Tanto temperatura quanto energia térmica são medidas da energia cinética das partículas de um corpo. A diferença é que a energia térmica é a soma total dessas energias, já a temperatura está relacionada à média delas. Quer ver um exemplo?

Nas imagens acima, a água do balde está em temperatura ambiente e o café da xícara está quente, com cerca de 60 ºC. Qual tem maior temperatura e qual tem maior energia térmica?

Veja que já respondemos à primeira pergunta: a temperatura do café é maior do que a da água, já que a água está em temperatura ambiente. Isso significa que a energia cinética média das partículas do café é maior do que a das partículas da água.

Agora, se queremos descobrir a energia térmica, estamos falando da soma das energias cinéticas das partículas. Como o balde tem muito mais água do que a xícara tem café, a energia térmica da água é maior do que a do café. Ou seja, apesar de as partículas de café estarem, em média, mais “agitadas”, existem muito mais partículas de água.

O que é calor?

Calor é a energia térmica em trânsito entre dois sistemas (dois corpos ou duas partes de um mesmo corpo, por exemplo) devido a uma diferença de temperatura entre eles.

A partir dessa definição, perceba que não é possível um corpo “armazenar” calor, que é uma concepção bastante comum. Calor é um tipo de energia em transferência.

Por ser uma forma de transferência de energia, a unidade de calor no Sistema Internacional (SI) é o joule (J), mas também usamos bastante a caloria (cal) nos estudos de termologia. 1 cal corresponde a aproximadamente 4,186 J. Portanto:

• para converter caloria em joule, basta multiplicar por 4,186;
• para converter joule em caloria, basta dividir por 4,186.

O sentido da transferência de calor é sempre, de maneira espontânea, do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. O sentido contrário pode acontecer de maneira forçada, ou seja, não espontânea, de acordo com a segunda lei da termodinâmica.

Na transferência de calor, o corpo de maior temperatura vai esfriar, ao passo que o de menor temperatura vai esquentar, já que recebe o calor cedido pelo corpo de maior temperatura.

Essa transferência ocorre até que ambos os corpos fiquem com a mesma temperatura. A partir daí, a transferência de calor para de acontecer. Dizemos, então, que os corpos atingiram o equilíbrio térmico.

Diferença entre calor e temperatura

Como vimos, temperatura é uma grandeza associada à energia cinética média das partículas de um corpo, enquanto calor é a transferência de energia térmica entre dois corpos devido à diferença de temperatura entre eles.

Dessa forma, é importante a gente perceber que calor não necessariamente está relacionado a temperaturas altas. Pode haver transferência de calor entre dois corpos até mesmo no dia mais frio de inverno!

Além disso, calor não é um adjetivo, e sim uma grandeza física. Por esse motivo, dizer “Nossa, hoje está muito calor!” não está fisicamente correto.

No entanto, não há problema algum em dizer isso no dia a dia (não se preocupe: a Polícia da Física não vai prender você se falar que está calor!). Só que, para entendermos bem os conceitos, é importante ressaltar essas diferenças entre a linguagem cotidiana e a linguagem científica.

Quer aprender mais detalhes sobre temperatura e calor? Confira nossa videoaula sobre o assunto:

Sensações de quente e frio

Lembra que falei sobre os nossos sentidos não serem sempre confiáveis para determinar se um corpo está quente ou frio? Isso acontece porque as sensações que temos de quente e de frio são fisiológicas, e não dependem apenas da temperatura que as coisas estão.

Quer ver um exemplo? Quando encostamos em um objeto de metal, como uma maçaneta, sentimos frio, como se o objeto estivesse gelado. No entanto, se a temperatura ambiente esteve constante por um longo tempo, a maçaneta de metal tem a mesma temperatura que, por exemplo, a madeira da porta.

Só que, se você encostar na madeira da porta, não vai senti-la gelada como o metal da maçaneta. Como, então, elas podem ter a mesma temperatura?

Alguns materiais são muito bons em “roubar” calor. Assim, dizemos que são bons condutores, como vamos ver logo mais. Metais, em geral, são excelentes condutores, enquanto a madeira não. Dizemos, então, que a madeira é um bom isolante.

É por esse motivo que sentimos a maçaneta gelada, mesmo que ela tenha a mesma temperatura da porta: ela é melhor em retirar calor do nosso corpo, provocando a sensação de frio em nós.

👉 Leia também: Calorimetria: entenda os conceitos fundamentais

Instrumentos para medir a temperatura

Vimos que os nossos sentidos não são confiáveis para termos noção da temperatura de alguma coisa.

As pessoas reagem de maneiras diferentes à temperatura (tem gente mais “friorenta” e gente mais “calorenta”), além das circunstâncias influenciarem nossa percepção de quente e frio. Por exemplo, você terá sensações diferentes se sair na rua depois de um banho quente ou de um ambiente com ar-condicionado.

Dessa forma, para determinar a temperatura de alguma coisa com maior confiança e precisão, podemos usar termômetros, instrumentos calibrados para medir temperatura.

Termômetro de mercúrio

Cada tipo de termômetro tem uma forma diferente de medir a temperatura. Os termômetros clássicos se baseiam na dilatação térmica de alguma substância termométrica (como o mercúrio) para aferir a temperatura.

Ao trocar calor com aquilo que se deseja medir a temperatura, esse tipo de termômetro indica a temperatura (de forma indireta), após atingir o equilíbrio térmico, através de marcações da escala termométrica utilizada, como o grau Celsius.

Dentro do termômetro, a substância termométrica terá um certo comprimento depois de atingir o equilíbrio térmico com o que se deseja medir a temperatura (o nosso corpo, por exemplo).

A altura da coluna de líquido está graduada para representar a temperatura associada à marcação naquela escala.

Termômetro digital

Hoje em dia, costumamos utilizar mais os termômetros digitais do que os analógicos de mercúrio.

Em vez de medir a temperatura a partir da dilatação de uma substância, os termômetros digitais contam com sensores, operando normalmente através de variações na resistência elétrica de um componente.

Termômetro infravermelho

Durante a pandemia de covid-19, os termômetros infravermelho, também digitais, ganharam espaço em ambientes públicos, já que permitem medir a temperatura de uma pessoa sem contato físico.

Esse tipo de termômetro mede a temperatura associada à intensidade da radiação emitida por um corpo. Como todos os corpos emitem radiação em alguma faixa, podemos usar essa radiação para identificar a temperatura de um corpo.

Perceba que a radiação envolvida na aferição de um termômetro infravermelho é emitida pelo próprio corpo que se deseja aferir a temperatura, e não pelo termômetro.

☢️ Na pandemia, circularam muitas notícias falsas sobre supostos perigos da radiação desses termômetros, o que não é verdade, visto que operam a partir da radiação que outros corpos emitem.

Escalas termométricas

Assim como as outras grandezas físicas, a temperatura possui várias unidades de medida. Saber como realizar conversões entre essas unidades é importante no estudo da termologia.

No Sistema Internacional, a escala Kelvin (K) corresponde à unidade de temperatura. Além dela e da escala Celsius, é comum aparecer a escala Fahrenheit (ºF), bastante utilizada nos Estados Unidos.

Podemos converter um valor de temperatura de uma unidade em outra usando a seguinte equação:

\[ \frac{T_C}{5} = \frac{T_K\ -\ 273}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \]

Em que T_C, T_K e T_F são, respectivamente, as temperaturas nas escalas Celsius, Kelvin e Fahrenheit.

Se você quiser converter um valor de temperatura em Celsius para Fahrenheit, basta usar as partes da equação que têm T_C e T_F, ignorando a parte da escala Kelvin.

A lógica por trás dessa fórmula envolve um pouquinho de Matemática e, se você aprendê-la, pode obter a fórmula de qualquer outra unidade e até mesmo chegar de novo nessas equações de conversão, caso se esqueça ou não tenha uma anotação à disposição. Vamos aprender?

Como obter as equações de conversão

Uma escala termométrica qualquer conta com dois pontos fixos de temperatura. Normalmente, são os pontos de fusão e de ebulição da água. Tendo essas duas temperaturas (ou quaisquer outras duas fixas), podemos criar uma escala termométrica!

Veja a imagem abaixo:

Temos uma representação genérica de três termômetros, cada um calibrado em uma unidade de medida. Na imagem, os termômetros marcam os pontos fixos de ebulição da água (100 ºC = 373 K = 212 ºF) e também os de fusão (0 ºC = 273 K = 32 ºF).

Além desses pontos, temos uma marcação comum a todas eles, cujo valor é desconhecido. No termômetro de Celsius, esse valor é identificado como T_C. No de Kelvin, é identificado como T_K e, no de Fahrenheit, como T_F.

Perceba o seguinte: apesar de as unidades serem diferentes, os comprimentos são os mesmos nos intervalos de cada um dos termômetros. Isso permite que a gente utilize uma ferramenta muito importante da Matemática: o teorema de Tales.

Veja só os comprimentos identificados abaixo:

Pelo teorema de Tales, podemos estabelecer uma relação de proporcionalidade entre esses comprimentos:

\[ \frac{T_C}{100} = \frac{T_K\ -\ 273}{100} = \frac{T_F\ -\ 32}{180} \]

Podemos dividir todos os denominadores por 20 e simplificar essa equação:

\[ \frac{T_C}{5} = \frac{T_K\ -\ 273}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \]

Pronto! Chegamos àquela expressão que tínhamos visto. E o mais legal disso é que você pode usar essa mesma lógica para qualquer escala termométrica.

É possível, inclusive, criar sua própria escala, se quiser. Basta ter dois pontos fixos e realizar a conversão com uma escala conhecida.

Celsius

A escala Celsius é, provavelmente, a mais utilizada no mundo inteiro, sendo a que usamos no Brasil. Seu nome vem de seu criador, o físico sueco Anders Celsius. Nessa escala, o ponto de fusão da água vale 0 ºC e o de ebulição vale 100 ºC.

É comum se referir ao grau Celsius como grau centígrado, já que, entre os pontos 0 ºC e 100 ºC, temos uma divisão em 100 partes iguais, que é a unidade dessa escala. Cada unidade vale 1 ºC.

Para realizar conversões entre as escalas Celsius e Fahrenheit, podemos usar as partes com T_C e T_F da equação geral que aprendemos:

\[ \frac{T_C}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \]

Já para conversões entre grau Celsius e Kelvin, usamos essa parte:

\[ \frac{T_C}{5} = \frac{T_K\ -\ 273}{5} \]

Como ambos os lados da equação estão sendo divididos por 5, podemos simplificar. Então, a fórmula se resume a:

\[ T_C = T_K\ -\ 273  \]

Essa é uma conversão bastante direta: para converter uma temperatura de K para ºC, basta subtrair 273. Já para converter uma temperatura de ºC para K, basta somar 273.

Fahrenheit

Idealizada por Daniel Fahrenheit, um físico alemão, essa escala tem o valor 32 ºF para o ponto de fusão da água e 212 ºF para seu ponto de ebulição. Entre esses pontos, temos 180 divisões iguais. Cada unidade dessa divisão corresponde a um grau Fahrenheit (1 ºF).

Para conversões entre Fahrenheit e Celsius, podemos usar a mesma equação que vimos anteriormente:

\[ \frac{T_C}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \]

Da mesma forma, para conversões entre Fahrenheit e Kelvin, usamos a parte da equação que tem tais unidades:

\[\frac{T_K\ -\ 273}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \]

Kelvin

Se você tem um olho muito atento, pode ter percebido que falamos em grau Celsius e em grau Fahrenheit, mas não em “grau Kelvin”. Não foi à toa: esse termo não é correto. Além disso, não utilizamos a notação º, de grau, para essa escala.

Isso acontece porque a escala Kelvin é a escala absoluta de temperatura. Para entender melhor o que isso significa, precisamos entender o significado de zero absoluto.

O físico britânico William Thomson, mais conhecido como Lorde Kelvin (isso mesmo, daí o nome da escala termométrica!) realizou experimentos com amostras gasosas a volume constante. Todos esses experimentos indicaram um valor em comum para a menor temperatura possível para esses gases.

Essa temperatura, correspondente ao valor 0 na escala Kelvin, é conhecida como zero absoluto, por ser a temperatura mais baixa possível, em que a agitação das partículas de um corpo é praticamente nula. Portanto, não existem valores negativos nessa escala.

Como a escala Kelvin parte do zero absoluto, ela não é definida por pontos de mudança de fase de alguma substância específica. Assim, é conhecida como escala absoluta. No entanto, se quisermos representar os pontos de fusão e de ebulição da água em kelvin, os valores são 273 e 373.

As conversões da escala absoluta com as escalas Celsius e Fahrenheit são as mesmas que aprendemos:

\[ T_C = T_K\ -\ 273  \]
\[\frac{T_K\ -\ 273}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \]

Métodos de transferência de calor

Até agora, estudamos três processos de transferência (ou transmissão/propagação de calor):

• condução;
• convecção;
• e radiação/irradiação.

A seguir, vamos entender em detalhes as diferenças entre esses três processos.

Condução

A condução é o processo que ocorre em meios materiais, com predominância nos sólidos. Não há transporte de matéria, apenas de energia, e o calor é transmitido através das vibrações das partículas do material.

Materiais que são bons em conduzir calor são chamados condutores térmicos, enquanto os que não são bons são chamados isolantes térmicos. Lembra do exemplo da porta e da maçaneta?

Convecção

Assim como a condução, a convecção só ocorre em meios materiais, mas apenas em fluidos, ou seja, em líquidos e em materiais gasosos.

Imagine uma panela cheia de água em um fogão aceso. A porção de água no fundo da panela vai esquentar primeiro, aumentando seu volume (por dilatação térmica) e, portanto, ficando menos densa, subindo.

A porção mais fria, por ser mais densa, vai descer, ocupando o espaço onde antes havia aquela água que foi inicialmente aquecida.

Em seguida, essa água mais fria também vai ser aquecida, expandir e ir pra cima, dando lugar a outra porção mais fria de água. A partir daí, deu pra pegar a ideia, né? O processo se repete, formando o que a gente chama de correntes de convecção.

🌊 As correntes de convecção também são responsáveis por provocar o surgimento de brisas marítimas em regiões litorâneas.

Radiação/irradiação

Esse é o único processo que pode ocorrer tanto em meios materiais quanto no vácuo. E é dessa forma que o Sol consegue nos aquecer.

No processo de irradiação, a energia é propagada através de ondas eletromagnéticas, que, ao serem absorvidas por algum corpo, são transformadas em energia térmica.

A energia do sol, por exemplo, é transmitida por irradiação, que, ao interagir com a matéria, é transformada em energia térmica, provocando aquecimento.

Aplicações práticas de calor e temperatura

Como você viu, estamos rodeados por objetos, processos e fenômenos envolvendo os conceitos de temperatura e calor, não é mesmo? Assim, compreendê-los ajuda a entender melhor o mundo à nossa volta. Quer ver mais alguns exemplos de aplicações no dia a dia?

Uma prótese dentária deve ser construída levando em conta que os corpos dilatam ao serem aquecidos. Então, o material utilizado na confecção desses objetos deve ter um comportamento semelhante ao do dente natural.

Assim, ao serem aquecidas ou resfriadas por comidas e bebidas de diversas temperaturas, as próteses evitam dor e desconforto que seriam causados pela dilatação térmica.

Também pensando na dilatação térmica, engenheiros devem projetar pontes e edifícios levando em consideração esse fenômeno, que pode provocar estragos em edificações mal planejadas.

Ah, e os meteorologistas também lidam com essas ideias o tempo todo! Além de estudar a previsão do tempo para obter as informações de temperaturas máximas e mínimas ao longo de um dia em um dado local, variações de temperatura e processos de transmissão de calor são responsáveis por diversos eventos meteorológicos, como chuvas e tornados.

👉 Leia também: Transmissão de calor: o que é condução, convecção e irradiação

Resumo: temperatura e calor

Vamos relembrar os tópicos mais importantes envolvendo temperatura e calor? Bora lá!

• Energia térmica: soma das energias cinéticas de translação de um corpo.
• Temperatura: grandeza associada à energia cinética média das partículas de um corpo.
• Calor: energia térmica em trânsito entre dois sistemas devido à diferença de temperatura entre eles.
• Equilíbrio térmico: estado em que dois corpos têm mesma temperatura, não trocando calor entre si.
• As sensações de frio e de quente não são tão confiáveis para estimarmos a temperatura de alguma coisa.
• Termômetros são dispositivos confiáveis para medir a temperatura de um objeto ou ambiente.
• Conversões entre as escalas Celsius, kelvin e Fahrenheit: \[ \frac{T_C}{5} = \frac{T_K\ -\ 273}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \]
• Condução: transmissão de calor que ocorre em meios materiais, através da vibração das partículas. Materiais que são bons em conduzir calor são chamados de condutores térmicos, enquanto os que não são bons são chamados de isolantes térmicos.
• Convecção: transmissão de calor que ocorre em fluidos (líquidos e gases). Diferenças de temperatura provocam diferenças de densidade, formando correntes de convecção.
• Irradiação: transmissão de energia através de ondas eletromagnéticas, que, ao interagir com a matéria, se transformam em energia térmica. A energia pode ser transmitida por irradiação até mesmo no vácuo.

Como temperatura e calor são abordados no Enem e em vestibulares

Agora que entendemos bem os conceitos de temperatura e calor, que tal praticarmos nossos conhecimentos com exercícios?

Exemplo de temperatura e calor no Enem

(Enem 2019) Em 1962, um jingle (vinheta musical) criado por Heitor Carillo fez tanto sucesso que extrapolou as fronteiras do rádio e chegou à televisão ilustrado por um desenho animado. Nele, uma pessoa respondia ao fantasma que batia em sua porta, personificando o “frio”, que não o deixaria entrar, pois não abriria a porta e compraria lãs e cobertores para aquecer sua casa. Apesar de memorável, tal comercial televisivo continha incorreções a respeito de conceitos físicos relativos à calorimetria.

DUARTE, M. Jingle é a alma do negócio: livro revela os bastidores das músicas de propagandas. Disponível em: https://guiadoscuriosos.uol.com.br. Acesso em: 24 abr. 2019 adaptado).

Para solucionar essas incorreções, deve-se associar à porta e aos cobertores, respectivamente, as funções de:

a) aquecer a casa e os corpos.

b) evitar a entrada do frio na casa e nos corpos.

c) minimizar a perda de calor pela casa e pelos corpos.

d) diminuir a entrada do frio na casa e aquecer os corpos.

e) aquecer a casa e reduzir a perda de calor pelos corpos.

Resposta: [C]
Em dias frios, a porta ajuda a isolar termicamente o interior da casa, minimizando as perdas de calor de dentro para fora. Os cobertores também atuam como isolantes: quando nos cobrimos, eles ajudam a evitar que nosso corpo perca calor para o ambiente.

Tome cuidado: os cobertores não nos aquecem, apenas diminuem a perda de calor dos nossos corpos. Outra distração que a questão trouxe foi tratar o frio como algo capaz de entrar na casa, sendo que frio é uma sensação fisiológica, não uma grandeza física ou substância.

Outro exemplo de temperatura e calor no Enem

(Enem 2013) É comum nos referirmos a dias quentes como dias “de calor”. Muitas vezes ouvimos expressões como “hoje está calor” ou “hoje o calor está muito forte” quando a temperatura ambiente está alta. No contexto científico, é correto o significado de “calor” usado nessas expressões?

a) Sim, pois o calor de um corpo depende de sua temperatura.

b) Sim, pois calor é sinônimo de alta temperatura.

c) Não, pois calor é energia térmica em trânsito.

d) Não, pois calor é a quantidade de energia térmica contida em um corpo.

e) Não, pois o calor é diretamente proporcional à temperatura, mas são conceitos diferentes.

Resposta: [C]
Como aprendemos, calor não é um adjetivo, não necessariamente tem a ver com altas temperaturas e nem pode ser contido em um corpo. Calor é, por definição, energia térmica em trânsito. Logo, a alternativa correta é a [C].

Exemplo de temperatura e calor no vestibular

(UFPR 2017) Vários turistas frequentemente têm tido a oportunidade de viajar para países que utilizam a escala Fahrenheit como referência para medidas da temperatura. Considerando-se que quando um termômetro graduado na escala Fahrenheit assinala 32 ºF, essa temperatura corresponde ao ponto de gelo, e quando assinala 212 ºF, trata-se do ponto de vapor. Em um desses países, um turista observou que um termômetro assinalava temperatura de 74,3 ºF. Assinale a alternativa que apresenta a temperatura, na escala Celsius, correspondente à temperatura observada pelo turista.

a) 12,2 ºC

b) 18,7 ºC

c) 23,5 ºC

d) 30 ºC

e) 33,5 ºC

Resposta: [C]
Usando a equação de conversão entre as escalas Fahrenheit e Celsius:
\[ \frac{T_C}{5} = \frac{T_F\ -\ 32}{9} \\
\frac{T_C}{5} = \frac{74,3\ -\ 32}{9} \\
\frac{T_C}{5} = \frac{42,3}{9} \\
\frac{T_C}{5} = 4,7 \\
T_C = 4,7 \cdot 5 \\
T_C = 23,5\ ºC
 \]