Temperatura e calor

Temperatura e calor participam dos mesmos fenômenos, mas respondem a perguntas diferentes. A temperatura caracteriza o estado térmico; calor identifica uma transferência de energia motivada por diferença de temperatura. Separar esses conceitos evita concluir que uma piscina morna possui menos energia interna que uma pequena amostra quente, ou que dois objetos à mesma temperatura necessariamente armazenam energias iguais.

O que a temperatura informa

A temperatura permite prever o sentido da transferência espontânea de energia por calor quando dois sistemas podem interagir termicamente. No tratamento escolar de sistemas usuais em equilíbrio, a energia flui espontaneamente do sistema de maior para o de menor temperatura. A condição de equilíbrio térmico é igualdade de temperaturas, não igualdade de massas, materiais ou energias internas.

A descrição microscópica exige cuidado. Para um gás ideal monoatômico em equilíbrio, a temperatura absoluta se relaciona à energia cinética média de translação das partículas. Essa relação não significa que a temperatura seja uma medida universal de toda a energia de qualquer corpo: sólidos, líquidos e moléculas possuem diferentes formas de armazenar energia microscópica.

Energia interna pertence ao sistema

Energia interna reúne contribuições microscópicas, como movimento e interação entre constituintes, conforme o modelo adotado. Ela depende da quantidade de matéria, da composição, do estado e das condições físicas. Não é a energia cinética do movimento do corpo inteiro em relação à sala.

Duas porções da mesma substância, na mesma fase e nas mesmas condições térmicas, podem ter energias internas diferentes se suas massas diferem. Também não basta conhecer duas temperaturas para comparar energias internas de materiais distintos. A frase “mais quente tem mais energia” precisa de hipóteses adicionais para ser uma comparação válida.

Calor descreve uma transferência

Um corpo não contém uma quantidade de calor à espera de ser liberada. Ele possui energia interna; durante uma interação térmica, parte da energia transferida é contabilizada como calor. Depois da transferência, essa energia passa a integrar o balanço energético do sistema receptor.

Nem toda transferência de energia é calor. Comprimir um gás ou agitar um líquido pode alterar sua energia por trabalho. É necessário identificar o mecanismo, não apenas observar que a temperatura aumentou. Além disso, receber calor não garante aumento de temperatura: durante uma mudança de fase apropriada, pode haver transferência com temperatura constante.

Equilíbrio e termômetros

Se A está em equilíbrio térmico com B e B com C, A e C também estão em equilíbrio térmico. Essa transitividade, conhecida como lei zero da termodinâmica, fundamenta a comparação de temperaturas com um termômetro.

O instrumento responde a uma propriedade que varia com a temperatura, como resistência elétrica ou volume de um líquido. Para interpretar a leitura, considera-se sua calibração, o contato térmico e o tempo de resposta. No modelo ideal, sua capacidade térmica é pequena o suficiente para não modificar significativamente a temperatura do objeto medido.

Celsius, Kelvin e Fahrenheit

A relação entre Celsius e Kelvin é $T_K=T_C+273{,}15$. Escreve-se kelvin, símbolo K, sem o símbolo de grau. Em exercícios que autorizam arredondamento, usa-se 273. Já a conversão de Celsius para Fahrenheit é $T_F=1{,}8T_C+32$.

Uma amostra a 20 °C está a 293,15 K e a 68 °F. Se passa a 35 °C, alcança 308,15 K e 95 °F. O aumento é 15 °C, 15 K ou 27 °F: a constante aditiva desaparece na diferença. Assim, $\Delta T_K=\Delta T_C$ e $\Delta T_F=1{,}8\Delta T_C$.

O zero absoluto corresponde a 0 K ou −273,15 °C na escala usual. Não se deve interpretar esse limite como desaparecimento de toda forma de energia microscópica. Nas relações de gases e termodinâmica que exigem temperatura absoluta, usar 20 no lugar de 293,15 muda o significado da conta.

Sensação térmica não substitui medição

Uma maçaneta metálica e a madeira de uma porta podem estar à mesma temperatura em uma sala em equilíbrio. Ao tocá-las com a mão mais quente, o metal costuma retirar energia mais rapidamente, produzindo sensação diferente. A temperatura inicial igual não obriga a taxa de transferência a ser igual.