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Física do ensino médio
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!