Energia térmica e calor
Energia térmica e calor
Enquanto energia térmica se refere à energia total de todas as moléculas dentro do objeto, o calor é a quantidade de energia que flui de um corpo para outro espontaneamente devido à diferença de temperatura. O calor é uma forma de energia, mas é energia em trânsito . O calor não é propriedade de um sistema. No entanto, a transferência de energia como calor ocorre no nível molecular como resultado de uma diferença de temperatura .
Considere um bloco de metal em alta temperatura, que consiste em átomos que oscilam intensamente em torno de suas posições médias. A baixas temperaturas , os átomos continuam a oscilar, mas com menos intensidade . Se um bloco mais quente de metal é colocado em contato com um bloco mais frio, os átomos intensamente oscilantes na borda do bloco mais quente emitem sua energia cinética para os átomos menos oscilantes na borda do bloco mais frio. Nesse caso, há transferência de energia entre esses dois blocos e o calor flui do bloco mais quente para o mais frio por essas vibrações aleatórias.
Distinguindo temperatura, calor e energia térmica
Usando a teoria cinética, uma distinção clara entre essas três propriedades pode ser feita.
- A temperatura está relacionada às energias cinéticas das moléculas de um material. É a energia cinética média das moléculas individuais.
- Energia interna refere-se à energia total de todas as moléculas dentro do objeto. É uma propriedade extensa , portanto, quando dois lingotes quentes de aço com massa igual podem ter a mesma temperatura, mas dois deles têm o dobro da energia interna que um.
- Finalmente, calor é a quantidade de energia que flui de um corpo para outro espontaneamente devido à diferença de temperatura.
Deve-se adicionar, quando existe uma diferença de temperatura , o calor flui espontaneamente do sistema mais quente para o sistema mais frio . Assim, se um cubo de aço de 5 kg a 100 ° C for colocado em contato com um cubo de aço de 500 kg a 20 ° C, o calor fluirá do cubo a 300 ° C para o cubo a 20 ° C, mesmo que a energia interna do cubo de 20 ° C é muito maior porque há muito mais.
Um conceito particularmente importante é o equilíbrio termodinâmico . Em geral, quando dois objetos são colocados em contato térmico , o calor flui entre eles até que entrem em equilíbrio um com o outro.
Energia microscópica
Energia térmica – Definição
A energia interna envolve energia na escala microscópica . Pode ser dividido em energia potencial microscópica, potenciômetro U e energia cinética microscópica, parentes U , componentes:
U = U pote + U parentes
onde a energia cinética microscópica, U kin , envolve os movimentos de todas as partículas do sistema em relação à estrutura do centro de massa. Para um gás monatômico ideal , essa é apenas a energia cinética translacional do movimento linear dos átomos. Partículas monoatômicas não giram ou vibram. O comportamento do sistema é bem descrito pela teoria cinética dos gases. A teoria cinética baseia-se no fato de que durante uma colisão elástica entre uma molécula com alta energia cinética e outra com baixa energia cinética, parte da energia será transferida para a molécula de energia cinética inferior. No entanto, para gases poliatômicos, existem rotações eenergia cinética vibracional também.
A energia potencial microscópica, U pot , envolve as ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas, as forças de ligação no núcleo e também os campos de força física no sistema (por exemplo, campos elétricos ou magnéticos).
Em líquidos e sólidos, há um componente significativo da energia potencial associada às forças de atração intermoleculares .
Condutividade térmica
As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica , k (ou λ), medida em W / mK . É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gás); portanto, também é definida para líquidos e gases.
A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, isso também depende da pressão. Em geral:
A maioria dos materiais é quase homogênea, portanto, geralmente podemos escrever k = k (T) . Definições semelhantes estão associadas a condutividades térmicas nas direções y e z (k y , k z ), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção da transferência, k x = k y = k z = k.
A partir da equação anterior, segue-se que o fluxo de calor de condução aumenta com o aumento da condutividade térmica e aumenta com o aumento da diferença de temperatura. Em geral, a condutividade térmica de um sólido é maior que a de um líquido, que é maior que a de um gás. Essa tendência se deve em grande parte às diferenças no espaçamento intermolecular para os dois estados da matéria. Em particular, o diamante tem a mais alta dureza e condutividade térmica de qualquer material a granel.
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