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Transferência de calor

Sistemas não controlados sempre evoluem para estados mais estáveis, isto é, na direção de uma distribuição de energia mais uniforme (por exemplo, fluxos de quedas d'água, o resfriamento de objetos mais quentes que o ambiente ao seu redor). Versão original criada por Khan Academy.

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Transcrição de vídeo

RKA2JV - Olá! Tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma aula de Ciências da Natureza. Nesta aula, vamos conversar sobre a transferência de calor. Eu acho que, para falar sobre isso, nada melhor do que começar falando sobre pizza. Porque eu não sei você, mas eu adoro comer pizza. Adoro fazer e comer pizza à noite, inclusive eu estou fazendo pizza agora e estou sentindo o cheiro da pizza enquanto ela está no forno. Ela está aqui na minha mente. Eu sei que deveríamos estar falando sobre calor e equilíbrio térmico, mas acho que podemos fazer isso funcionar. Agora, se você é impaciente como eu, provavelmente colocou uma fatia de pizza no seu prato assim que ela saiu do forno e provavelmente notou que o fundo do prato esquentou. Vamos pensar sobre o que está acontecendo quando você faz isso. Temos a temperatura da pizza (Tpizza), que é mais quente do que nosso prato, que tem uma temperatura Tprato. Devido ao fato de a temperatura da pizza ser maior que a temperatura do prato, o prato começa a esquentar. A temperatura da pizza, por outro lado, começa a diminuir. Isso vai acontecer sempre que a temperatura do objeto 1 não for a mesma que a temperatura do objeto 2. Sabemos que a temperatura é como expressamos que algo é quente ou frio. Agora, o que significa ser quente ou ser frio? A temperatura é, na verdade, a medida da energia cinética média das moléculas de um objeto. Então, dito isso, vamos digerir um pouco essa ideia e tentar compreender isso. Como eu disse, a temperatura é a medida da energia cinética média das moléculas. E a energia cinética, como sabemos, é igual a 1/2 vezes mv². Portanto, quando a pizza está quente, suas partículas se movem mais rápido do que se estivesse fria. E neste caso específico, quando a gente diz que as partículas estão se movendo, elas estão, na verdade, vibrando. Então, o que está acontecendo no objeto mais quente é que as partículas estão vibrando mais rápido do que quando um objeto está mais frio. E é isso que significa ser quente ou frio. Esse tipo de energia cinética (o movimento das partículas) também é conhecido como energia térmica. Depois de ter falado tudo isso aqui, você deve estar se perguntando uma coisa agora: se a temperatura é a medida da energia cinética em objetos, e temos a pizza no prato sofrendo uma variação em sua temperatura, isso significa que há algum tipo de transferência de energia acontecendo aqui? Sim, isso mesmo. Você está certo. Inclusive, o calor é a transferência de energia entre objetos com diferentes temperaturas. Esse é um conceito muito importante, então, vamos escrever essa definição. "O calor é a transferência de energia entre objetos com diferentes temperaturas." Como você pode ver com a pizza e o prato, o calor é transferido da pizza quente para o prato frio, do objeto quente para o objeto frio. Bem, vamos analisar nosso problema e investigar o que está acontecendo com tudo no sistema. Na vida real, muita energia também será transferida da pizza para o ar ao redor dela. Mas, para este problema, vamos simplificar para poder olhar apenas para a pizza e o prato. Considerando apenas essas duas coisas fazendo parte do sistema, podemos dizer que, quanto mais alta a temperatura, as partículas que constituem o objeto se movem e vibram mais. Vamos desenhar aqui as partículas da pizza para compreender isso. Eu vou usar o amarelo aqui para representar a pizza e dar às partículas da pizza um vetor de velocidade que vai ser maior do que o vetor velocidade das partículas do prato. Eu vou assumir que as partículas na pizza e no prato têm a mesma massa. Dessa forma podemos ignorar a parte da massa da energia cinética e simplificar a situação. Agora podemos apenas nos concentrar nas velocidades de todas as partículas do sistema. Ao colocar a fatia de pizza no prato, as partículas da superfície dos objetos entrarão em contato. Vamos ver o que acontece quando essas partículas mais rápidas da pizza colidem com as partículas mais lentas na superfície do prato. Quando as partículas colidem, a energia cinética é transferida entre as partículas. Como as partículas do objeto mais quente (neste caso, a pizza) têm mais energia, elas são capazes de dar um pouco dessa energia às partículas do objeto mais frio. Por isso, ela é sempre transferida do objeto mais quente para o objeto mais frio. Quando as partículas do objeto mais quente transferem parte de sua energia para as partículas do objeto mais frio, as partículas do objeto mais quente perdem alguma energia, e aí ficam mais lentas. Podemos mostrar tudo isso usando um vetor de velocidade menor. Ao mesmo tempo, as partículas do objeto mais frio ganham energia e se aceleram. Devido a isso, esta partícula na pizza está em uma velocidade diferente da partícula vizinha na pizza. Aí, quando elas colidem, adivinha? Transferimos energia novamente. A partícula mais rápida dará alguma energia mais lenta e, no processo, ela vai ficar mais lenta. Esse efeito dominó se estende por todas as partículas do sistema, no prato e na pizza, até que todas as partículas tenham a mesma energia cinética. Quando as partículas em ambos os objetos têm a mesma energia cinética, a energia não será mais transferida entre os dois objetos e o sistema vai atingir um estado de estabilidade. Inclusive, chamamos isso de equilíbrio térmico. Sabe quando você deixa sua pizza por muito tempo no prato, vai fazer alguma coisa e aí, quando volta, ela está fria? Então, é basicamente isso que aconteceu. Se você realmente medisse a temperatura da pizza e do prato nesse momento, teríamos os mesmos valores. Já sabemos que a transferência de calor só ocorre quando a temperatura é diferente entre os objetos. Quando a temperatura é a mesma, não há transferência de calor, e isso é definido como equilíbrio térmico. Portanto, o equilíbrio térmico ocorre quando não há transferência de calor no sistema. Viu como usar a pizza é muito bom para aprender sobre transferência de calor e equilíbrio térmico? Agora, se você não se importa, aquela pizza que deixei na cozinha está me chamando, e pessoalmente, prefiro comê-la antes que ela atinja o equilíbrio térmico com o meu prato. Bem, espero que você tenha compreendido tudo direitinho. Estou indo lá comer minha pizza, então, até a próxima!