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O que é energia térmica?

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

O que é energia térmica?

A Energia térmica refere-se à energia contida no interior de um sistema que é responsável pela sua temperatura. O calor é o fluxo de energia térmica. A termodinâmica é o ramo da física que lida com a forma com que o calor é transferido entre diferentes sistemas e como é feito trabalho no processo (vê a 1ª lei da termodinâmica).
No contexto de problemas de mecânica, normalmente estamos interessados no papel que a energia térmica desempenha para 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'.

Energia térmica do atrito

Considera o exemplo de um homem a empurrar uma caixa em contacto com um chão duro com uma velocidade constante, tal como se pode ver na figura 1. Como a força de atrito é não conservativa, o trabalho feito não é guardado como energia potencial. Todo o trabalho feito pela força de atrito resulta numa transferência de energia em energia térmica do sistema chão-caixa. Esta energia térmica flui na forma de calor na caixa e no chão, o que leva ao aumento da temperatura de ambos os objetos.
Figura 1: Homem a empurrar uma caixa sujeita à força de atrito.
Figura 1: Homem a empurrar uma caixa sujeita à força de atrito.
Encontrar a variação na energia térmica total delta, E, start subscript, T, end subscript do sistema caixa-chão pode ser feita encontrando o trabalho total feito pela força de atrito à medida que a pessoa empurra a caixa. Recorda-te que a caixa se está a deslocar com uma velocidade constante; isto significa que a força de atrito e a força aplicada são iguais em magnitude. Por isso, o trabalho feito por estas duas forças também é igual.
Usando a definição de trabalho feito por uma força paralela ao movimento de um objeto que se está a deslocar ao longo de uma distância d:
W, equals, F, dot, d
delta, E, start subscript, T, end subscript, equals, F, start subscript, a, t, r, i, t, o, end subscript, dot, d
Se o coeficiente de atrito cinético é mu, start subscript, c, end subscript, então esta expressão também pode ser escrita como
delta, E, start subscript, T, end subscript, equals, mu, start subscript, k, end subscript, F, start subscript, n, end subscript, d
Exercício 1a: Supõe que a pessoa representada na figura 1 empurra a caixa mantendo uma velocidade constante. A caixa tem uma massa de 100, space, k, g e desloca-se ao longo de uma distância de 100, space, m. O coeficiente de atrito cinético entre a caixa e o chão é mu, start subscript, c, end subscript, equals, 0, comma, 3. Quanta energia térmica é que vai ser transferida para o sistema caixa-chão?
Exercício 1b: Quando a pessoa empurra a caixa, depende do atrito entre as solas dos seus sapatos e o chão. Há alguma mudança na energia térmica dos pés da pessoa por estar a empurrar a caixa?

Energia térmica do atrito

A força de resistência num objeto em movimento provocada por um fluido como o ar ou a água é outro exemplo de uma força não conservativa.
Quando um objeto se desloca através de um fluido, algum momento é transferido e o fluido é colocado em movimento. Se o objeto parasse haveria ainda algum movimento residual do fluido. Este movimento iria parar após algum tempo. O que está a acontecer aqui é que os movimentos de larga escala do fluido são eventualmente redistribuídos em vários movimentos mais pequenos das moléculas que compõe o fluido. Estes movimentos representam um aumento da energia térmica do sistema.
A figura 2 mostra um sistema no qual um tanque de água termicamente isolado tem um eixo suspenso no seu interior. Duas pás estão ligadas ao eixo que é colocado a rodar. Neste sistema, qualquer trabalho feito para colocar o eixo a rodar resulta numa transferência de energia cinética para a água. Se a força que causa a rotação do eixo for removida após algum tempo, ainda haverá algum movimento residual. No entanto, o movimento irá eventualmente deixar de ocorrer e resultar num aumento da energia térmica da água.
Curiosamente, um sistema semelhante ao mostrado na figura 2 foi usado por James Prescott Joule (1818 – 1889), nome da unidade SI de energia. Usando uma roda com pás submersa num tanque com óleo de baleia e movida através da queda de pesos, ele foi capaz de determinar a relação entre a energia mecânica e calor. Isto levou à lei de conservação de energia e à 1ª lei da termodinâmica.
Figura 2: Um eixo com pás a rodar num tanque de água.
Figura 2: Um eixo com pás a rodar num tanque de água.
Exercício 2a: Supõe que o eixo da figura 2 é colocado a rodar por um motor elétrico com 10 W de potência de saída por 30 minutos. Quanta energia térmica é que é transferida para a água?
Exercício 2b (extensão): Se inicialmente no tanque estiver 1, space, L de água a 10, degrees, C, então qual seria a temperatura da água após o motor ter parado e a água parar de se deslocar?

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