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Calor


 Biofísica

Quando dois corpos em temperaturas diferentes de põem em contato, produz-se uma transferência de energia do corpo que apresenta temperatura mais elevada ao de temperatura mais baixa, o que faz com que ambas se igualem.
Pode-se definir calor como a energia transferida entre dois sistemas, que é proporcional à diferença de temperatura existente entre eles. Uma superfície através da qual pode haver transferências de calor chama-se diatérmica. Em caso contrário, denomina-se adiabática.
Durante muito tempo discutiu-se a natureza do fluxo de calor entre dois corpos. Até o século XVIII, acreditava-se na existência de um fluido material, denominado fluido calórico. Em fins do século XVIII e durante a primeira metade do século XIX, os trabalhos de Benjamin Thompson e James Prescott Joule levaram à convicção de que o calor é um fluxo de energia. Thompson comparou o peso de um corpo aquecido com o que ele apresenta quando esfria e não observou diferença. Concluiu então que o calor não podia ser uma substância material, mas fruto de algum tipo de movimento, ou seja, energia.
Joule demonstrou que o mesmo efeito de elevação da temperatura de um corpo produzido pelo fluxo de calor pode ser obtido mediante a dissipação de energia mecânica sobre ele (a energia mecânica perde-se ou dissipa-se por ação de forças de resistência ao movimento, como, por exemplo, o atrito). Chegou experimentalmente à conclusão de que, com quantidades iguais de trabalho mecânico sobre um corpo, obtém-se o mesmo aumento de temperatura. Além disso, dado que o fluxo de calor pode se transformar parcialmente em energia mecânica por meio de uma máquina térmica (por exemplo, uma máquina de vapor), ficava demonstrado de modo inequívoco que o calor é uma forma de energia. O mesmo pesquisador estabeleceu a relação entre as unidades de calor e de energia: uma caloria é igual a 4,18 joules (equivalente mecânico de calor).
Fluxo. Para compreender em que consiste o fluxo de calor é necessário distingui-lo, por um lado, da temperatura e, por outro, da energia interna de um sistema. Este aspecto é particularmente importante porque às vezes, na linguagem comum, confunde-se calor com temperatura alta. Diz-se, por exemplo, que "faz calor" para indicar que a temperatura atmosférica está elevada. A temperatura é a manifestação, no plano macroscópico, das propriedades microscópicas de um sistema. Trata-se de uma medida da energia cinética produzida pelo movimento das partículas que formam o corpo como, por exemplo, átomos ou moléculas. A energia interna decorre do movimento desordenado dessas partículas, ou seja, da energia de seu movimento interno. Por meio das colisões que se produzem entre as partículas, as que têm uma energia cinética maior (as do sistema em temperatura mais alta) perdem uma energia que é ganha pelas partículas cuja energia cinética é inicialmente menor (as do sistema em temperatura mais baixa). Registra-se, por conseguinte, um fluxo de energia de um sistema ao outro e, se no processo não se produz trabalho mecânico nem alteração química, essa energia é exatamente igual ao calor intercambiado entre os dois sistemas.
Pode-se observar uma relação entre as grandezas de calor, trabalho e energia. As três podem inclusive ser medidas com a mesma unidade (joule, por exemplo). De outro ponto de vista, existe uma diferença conceitual entre temperatura e medida de calor: a temperatura e a energia interna definem o estado de um sistema e, portanto, são variáveis de estado, enquanto o calor não o é. De um sistema pode-se dizer que apresenta um valor de temperatura, mas não que contém uma quantidade determinada de calor. O calor é uma energia em trânsito e não uma grandeza que caracterize o estado térmico de um sistema; determina mais propriamente a influência energética entre sistemas com temperaturas diferentes.


Grandezas. O calor transferido a um sistema e conseqüente aumento de temperatura relacionam-se por meio de capacidade calorífica específica, ou calor específico do corpo, que se define com a quantidade de calor c que é preciso transferir por unidade de massa de uma substância para que sua temperatura se eleve um grau. 
Q é o calor transmitido a uma massa m de forma que sua temperatura aumente em  . Define-se também calor específico molar, que é o calor necessário para que um mol da substância eleve sua temperatura um grau. Como o peso de um mol de substância é igual ao peso molecular, em gramas, chamando-se C o calor específico molar obtém-se a seguinte relação:
C = Mc
Em geral, o calor específico das substâncias varia com a temperatura. Por exemplo, a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 5 a 6oC é diferente da requerida para fazê-lo de 21 a 22oC.
Para medir a capacidade calorífica de uma substância utilizam-se dispositivos chamados calorímetros. A quantidade de calor que se transmite a um sistema depende das condições a que este se encontre submetido durante o processo. Por isso se define o calor específico sob pressão constante Cp (ou Cp) e a volume constante Cv (ou Cv). Devido à dilatação, torna-se difícil manter constante o volume enquanto se transfere calor, pelo que geralmente se avalia o calor específico sob pressão constante.
A transferência de calor pode produzir, além de uma alteração na temperatura do sistema, uma alteração de fase, por exemplo, de sólido a líquido ou de líquido a gás. A quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa mude de fase se chama calor latente, que pode ser de fusão, vaporização etc. Para a água em condições normais de pressão, o calor latente de fusão equivale a 80 cal/g e o de vaporização a 539 cal/g.
Propagação. O intercâmbio de energia calorífica entre dois sistemas pode efetuar-se fundamentalmente de três formas, conhecidas como condução, convecção e radiação.
Quando o calor se propaga sem transporte da substância que forma o sistema, mas por meio de intercâmbios energéticos (choques) entre suas partículas integrantes (átomos, moléculas, elétrons etc.), diz-se que se transmitiu por condução. A quantidade de calor conduzida por unidade de tempo depende da diferença de temperatura no condutor, ou, mais exatamente, da variação relativa da temperatura com a longitude (dT / dx, sendo T a temperatura e x a coordenada que dá a posição dos distintos pontos do condutor considerado longitudinal). Tal quantidade de calor depende também das propriedades do material, medidas pela grandeza física conhecida como condutividade térmica. Alguns materiais (por exemplo, os metais) apresentam elevada condutividade térmica. Outros, como os gases e alguns sólidos, apresentam baixa condutividade.
A quantidade de calor H que se transmite por unidade de tempo, através de um condutor  de longitude L a seção A é, aproximadamente. 
Em que k é a condutividade térmica e t1 e t2 são as temperaturas máxima e mínima do processo.
Quando o calor se transmite por meio de um movimento real da matéria que forma o sistema, diz-se que se propaga por convecção. São exemplos desse procedimentos os radiadores de água quente e os aquecedores de ar. Se o movimento se produz por diferenças de densidade, fala-se de convecção natural ou livre; se é provocado por um ventilador ou bomba, o processo chama-se convecção forçada. A dilatação anômala da água (em estado líquido, tem densidade mínima a 4oC e, em estado sólido, é menos densa que em estado líquido), sua pequena condutividade térmica e as correntes de convecção explicam por que no inverno os lagos e tanques congelam na superfície.
Além dos processos descritos, condução e convecção, um sistema pode transmitir energia mediante emissão de ondas eletromagnéticas. Um segundo corpo pode absorver essas ondas e, com isso, aumentar sua temperatura. Entre os dois corpos registra-se um intercâmbio de energia e diz-se que o calor se propagou de um ao outro por radiação. Constata-se na experiência cotidiana que, ao se aquecer um material, ele emite radiação. Por exemplo, o aquecimento do filamento de uma lâmpada pela passagem de corrente elétrica provoca emissão de luz. Quando se aquece uma barra metálica até certa temperatura, ela torna-se incandescente e também emite luz. A freqüência da radiação depende também da temperatura: a barra de ferro, aquecida a uma temperatura superior, torna-se branca. Em geral, a energia total emitida por radiação é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do emissor. Essa relação é estabelecida pela lei de Stefan-Boltzmann. 
Em que w é a energia por unidade de superfície, T a temperatura absoluta e   a constante de Stefan-Boltzmann, cujo valor é 5,672 . 108 watts m-2. K-4.
A energia é emitida num determinado intervalo de freqüências, especialmente nos valores próximos à freqüência fm, diretamente proporcional à temperatura absoluta do corpo, conforme estabelecer a lei do deslocamento de Wien.
As leis empíricas de Stefan-Boltzmann e de Wien tiveram importância decisiva na história da física, pois no começo do século XX Mas Planck descobriu que as trocas de energia não se efetuavam em forma contínua, como se pensava até então, mas em múltiplos de uma energia elementar dependente de freqüência. Essa hipótese revolucionária lançou as bases da teoria quântica, que viria a desempenhar um papel decisivo no conhecimento da estrutura do átomo.
Calorímetro. Aparelho destinado a medir a quantidade de calor de um corpo, é importante distinguir o calorímetro do termômetro, que se destina a determinar a temperatura, ou seja, o nível térmico (mais quente ou menos quente). Importante aplicação prática dos calorímetros consiste na determinação dos calores específicos das diferentes substâncias.
Existem dois tipos de calorímetros. O primeiro baseia-se na variação de temperatura de determinada massa de água. É por isso conhecido como calorímetro de água. O segundo baseia-se na fusão de uma certa quantidade de gelo, sendo denominado calorímetro de fusão ou de gelo. Para compreender o funcionamento do aparelho é preciso considerar os princípios básicos das trocas de calor. Quando dois corpos, em temperaturas diferentes, são colocados em contato, o corpo de temperatura mais elevada cede um pouco de calor ao outro. Por esse motivo o primeiro baixa de  temperatura e o segundo aumenta. O processo só termina quando os dois passam a ter a mesma temperatura. É importante fixar que: "o calor perdido por um corpo é igual ao calor recebido pelo outro". Claro que sempre haverá uma parcela de calor que se perde, porém, que poderá ser desprezada se a experiência for realizada com os necessários cuidados.
O calorímetro de água consta de um recipiente metálico que contém certa massa d"água. A tampa que fecha o recipiente tem dois furos por onde passam um termômetro e um agitador que se destina a favorecer o equilíbrio térmico mais rapidamente. O conjunto é colocado no interior de outro vaso maior onde pode existir feltro ou lã de vidro, para evitar as perdas por propagação de calor na atmosfera. O termômetro fornece a temperatura do conjunto, por exemplo t. Para determinar o calor específico de um corpo cuja massa m é conhecida, leva-se o corpo a um vaso que contém água em ebulição e espera-se algum tempo para que o mesmo adquira a temperatura da água (100oC). Colocando-se, em seguida, o corpo no interior do calorímetro, haverá troca de calor até que o corpo e o calorímetro fiquem na mesma temperatura t". Geralmente o corpo cede calor e sua temperatura baixa de 100oC a t"oC, enquanto o calorímetro recebe calor e sua temperatura se eleva de toC a t"oC. Chamando de c o calor específico do corpo e de m a massa, o calor perdido será calculado por: Q = mc(100-t"). Chamando de u a soma das capacidades caloríficas do vaso, do termômetro e do agitador e de ma, a massa d"água contida, o calor recebido pelo conjunto será calculado por  Q"= (ma + u) (t" - t). Observe-se que a capacidade calorífica da água é calculada por C = ma.Ca; como o calor específico da água é Ca = 1, temos que C = ma. Como Q = Q", tem-se: mc(100-t") = (ma + u) (t" - t), que permite explicitar o valor do calor específico procurado.
 
No calorímetro de gelo, o corpo aquecido a 100oC é colocado dentro de um vaso situado no interior de outro vaso que possui gelo a 0oC. O corpo perde calor até que sua temperatura seja 0oC e o calor é gasto para fundir certa massa M de gelo que pode ser recolhida e pesada. Sabe-se que para fundir um grama de gelo são necessárias oitenta calorias, logo, para fundir M gramas foram empregadas 80.M calorias. O calor cedido pelo corpo é agora: Q = mc (100 -0), ou seja, 100mc e podemos escrever: 100mc = 80 M ou, calculando c,