O que é energia termica?

Energia cinética interna, de movimentos internos que definem a grandeza temperatura. Não há nada parado no universo, tanto que o zero absoluto (-273,16C) nunca foi atingido...

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O que é energia térmica?

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Aprenda o que é energia térmica e como calculá-la.

O que é energia térmica?

Energia térmica se refere à energia contida num sistema que é responsável por sua temperatura. Calor é o fluxo de energia térmica. Todo um ramo da física, termodinâmica, estuda como o calor é transferido entre sistemas diferentes e como o trabalho é feito no processo (veja a 1a lei da termodinâmica).

No contexto de problemas de mecânica, nós estamos usualmente interessados no papel que a energia térmica desempenha em garantir a conservação da energia. Quase todos os processos de transferência de energia que ocorrem em sistemas físicos reais ocorrem com eficiência inferior a 100% e resultam em alguma energia térmica. Esta energia está usualmente na forma de energia térmica de baixo nível. Aqui, baixo nível significa que a temperatura associada à energia térmica está próxima da temperatura ambiente. Só é possível extrair trabalho quando existe uma diferença de temperatura, de forma que energia térmica de baixo nível representa 'o fim da linha' da transferência de energia. Não é possível extrair mais trabalho; a energia foi 'perdida para o ambiente'.

Se a temperatura atingida pelo sistema é maior que a temperatura do ambiente, então pode ser viável recuperar alguma energia usando uma máquina de calor secundária. A recuperação do calor jogado fora pelo gases de combustão que saem do motor de veículos, por exemplo, é um tópico frequente de pesquisas. No entanto, quando o sistema (motor + dispositivo de recuperação) é considerado, o efeito total é apenas um aumento na eficiência. O 'fim da linha' ainda é energia térmica de baixa densidade.

Quando falamos sobre o sistema estamos nos referindo a coleção de todas as partes que interagem e são relevantes para algum dispositivo físico particular. Ao definir o sistema nós estamos necessariamente excluindo interações com alguns objetos os quais são coletivamente denominados de o ambiente. Se energia térmica é transferida para o ambiente então a energia não será mais conservada em nosso sistema. Nosso artigo conservação da energia explora mais esse conceito.

Energia térmica de atrito

Considere o exemplo de um homem empurrando uma caixa ao longo de um piso áspero a uma velocidade vetorial constante como mostrado na Figura 1. Uma vez que a força de atrito é não conservativa, o trabalho realizado não é armazenado na forma de energia potencial. Todo o trabalho feito pela força de atrito resulta em uma transferência de energia em energia térmica do sistema caixa-piso. Esta energia térmica flui na forma de calor dentro da caixa e do piso, acabando por aumentar a temperatura de ambos os objetos.

Para encontrar a energia térmica total

Δ E_{T}

do sistema caixa-piso podemos calcular o trabalho total realizado pela força de atrito à medida que a pessoa empurra a caixa. Lembre-se que a caixa está se movendo em velocidade vetorial constante; isto significa que a força de atrito e a força aplicada à caixa têm a mesma magnitude. O trabalho feito por essas duas forças é, portanto, também igual.

Usando a definição de trabalho realizado por uma força paralela à direção do movimento de um objeto que se desloca de uma distância

d

W = F \cdot d

Δ E_{T} = F_{atrito} \cdot d

Se o coeficiente de atrito cinético é

μ_{c}

, então a equação acima também pode ser escrita como

Δ E_{T} = μ_{c} F_{r e s} d

Exercício 1a: Suponha que a pessoa mostrada na Figura 1 está empurrando a caixa e mantendo uma velocidade vetorial constante. A caixa tem uma massa de

100 kg

e se desloca por uma distância de

100 m

. O coeficiente de atrito cinético entre a caixa e o piso é

μ_{c} = 0, 3

. Quanta energia térmica será transferida para o sistema caixa-piso?

Como a caixa não está acelerando (ela tem velocidade vetorial constante) e a força sobre a caixa está na mesma direção que a direção de movimento (sem componente vertical), a força resultante devido à pessoa é exatamente equilibrada pela força devido ao atrito. Esta força aplicada ao longo do trajeto dá a variação de energia térmica do sistema.

\begin{aligned} Δ E_{T} & = 0, 3 \cdot 9, 81 m / s^{2} \cdot 100 kg \cdot 100 m \\ = 29, 43 kJ \end{aligned}

Exercício 1b: Quando a pessoa empurra a caixa, ela depende do atrito entre a sola de seus sapatos e o chão. Existe alguma mudança na energia térmica dos sapatos da pessoa por empurrar a caixa?

Considerando que a pessoa não escorregue, não haverá mudança na energia térmica dos sapatos. Quando uma pessoa caminha ela levanta seus pés. Embora a força de atrito estático entre os sapatos e o piso seja importante, a força não é aplicada ao longo de qualquer distância, assim nenhum trabalho é realizado. É a força de atrito cinético que gera energia térmica, não a força de atrito estático.

Energia térmica pelo arrasto

A força de arrasto em um objeto deslocando-se através de um fluido, como ar ou água, é outro exemplo de uma força não conservativa.

Quando um objeto se move através de um fluido, algum momento é transferido e o fluido também entra em movimento. Mesmo após o objeto parar de se mover, ainda há um movimento residual do fluido. Este movimento cessa após algum tempo. O que acontece é que os movimentos em larga escala do fluido são eventualmente redistribuídos em vários movimentos menores e aleatórios das moléculas que compõe o fluido. Esses movimentos representam o aumento da energia térmica do sistema.

A figura 2 mostra um sistema em que um tanque de água termicamente isolado possui um eixo suspenso sobre si. Duas pás estão conectadas ao eixo, o qual é colocado para girar. Neste sistema, qualquer trabalho realizado para girar o eixo resulta em uma transferência de energia cinética para a água. Se a força motora é removida do eixo depois de algum tempo, ainda haverá algum movimento residual. No entanto, o movimento irá eventualmente cessar, resultando em um aumento da energia térmica da água.

Curiosamente, um sistema similar ao mostrado na Figura 2 foi usado por James Prescott Joule (1818 – 1889), sendo a unidade SI de energia uma homenagem a ele. Usando uma roda de pás mergulhada em um tanque de óleo de baleia e movida por um sistema de pesos que caíam, ele foi capaz de determinar a relação entre energia mecânica e energia térmica. Isto levou à lei de conservação da energia e à 1a lei da termodinâmica.

Exercício 2a: Suponha que o eixo com pás mostrado na Figura 2 é acionado por um motor elétrico com potência de 10 W e durante 30 minutos. Quanta energia térmica é transferida para a água?