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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 ΔET 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=Fd
ΔET=Fatritod
Se o coeficiente de atrito cinético é μc, então esta expressão também pode ser escrita como
ΔET=μkFnd
Exercício 1a: Supõe que a pessoa representada na figura 1 empurra a caixa mantendo uma velocidade constante. A caixa tem uma massa de 100 kg e desloca-se ao longo de uma distância de 100 m. O coeficiente de atrito cinético entre a caixa e o chão é μc=0,3. 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 L de água a 10C, então qual seria a temperatura da água após o motor ter parado e a água parar de se deslocar?

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