Aula-tema: A Perspectiva De Prevenção Da Falha.

Definições e Conceitos Fundamentais

Calor

Calor é o termo associado à transferência de energia térmica de um sistema a outro - ou entre partes de um mesmo sistema - exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Designa também a quantidade de energia térmica transferida em tal processo. Calor não é uma propriedade dos sistemas termodinâmicos, e por tal não é correto afirmar que um corpo possui mais calor que outro, e tão pouco é correto afirmar que um corpo "possui" calor. Os corpos (ou sistemas) possuem energia interna, essa composta por duas parcelas, a energia térmica e a energia potencial (energia química). Os conceitos de energia interna ou mesmo de energia térmica não devem jamais ser confundidos com o conceito de calor; que implica sempre energia térmica em trânsito ou transferida devido a uma diferença de temperaturas.

O calor é uma das duas formas possíveis para se transferir energia de um sistema a outro; e expressa a quantidade de energia transferida através da fronteira comum aos sistemas. Dá-se portanto sem a associação causal direta com eventuais variações nos volumes dos sistemas, mesmo considerado que, em alguns casos, variações de volume acabem por secundariamente levar à existência de calor, mediante a indução prévia de diferenças de temperaturas.

O calor descreve a parcela da energia transferida entre dois sistemas que não pode ser associada à execução de trabalho mecânico, este último correspondendo à segunda entre as duas formas possíveis de transferência de energia entre os dois sistemas - ou partes de um sistema - em consideração. O trabalho associa-se à energia transferida em virtude do movimento da fronteira comum aos sistemas - e não da energia transferida através dessas - e portando o trabalho encontra-se sempre diretamente associado às variações nos volumes dos sistemas em interação.

O calor é geralmente simbolizado em Física pela letra Q, e, por convenção, se um corpo recebe energia sob a forma de calor - o que leva, em ausência de trabalho, a um aumento de sua energia interna U - o calor Q é dito positivo; e se um corpo cede energia sob a forma de calor - o que leva, em ausência de trabalho, a uma redução de sua energia interna - o valor de Q é negativo.

Há em essência três formas de calor: calor por radiação, calor por convecção e calor por condução. Das três, a única que dá-se em ausência de meio material é a primeira.

Embora a caloria (cal) corresponda à unidade usualmente empregada, a unidade para a medida de calor no Sistema Internacional (SI) é o joule (J). Uma caloria corresponde a aproximadamente 4,18 joules. De uso não pouco comum é também a unidade imperial BTU - British Termal Unit, em português, unidade térmica britânica. O BTU equivale à aproximadamente 252,2 calorias.

Formas de calor

Os processos físicos atrelados à existência de calor podem ser separados essencialmente em dois grupos: os que demandam a existência de matéria entre os sistemas ou entre as partes em consideração; e os que ocorrem mesmo em ausência de matéria entre as partes. Nesse último grupo, os processos físicos apoiam-se essencialmente no princípio do calor por radiação. No primeiro grupo, contudo, separam-se os processos físicos em dois subconjuntos: um onde agrupam-se os processos que demandam a existência de matéria sem contudo implicarem a dinâmica dessa, apoiados no princípio do calor por condução; e outro onde os processos não apenas requerem mas também implicam dinâmica material, esses fundamentalmente apoiados no principal do calor por convecção.

De forma elucidativa, citam-se como exemplos que, entre a chama de um fogareiro e o alimento sendo cozido no interior de uma panela metálica, verifica-se a presença de calor por condução; que no interior de uma geladeira com um congelador em sua parte superior verifica-se movimento de ar quente em sentido ascendente e de ar frio em sentido descendente, estabelecendo a presença de calor por convecção. Já a transferência de energia entre o Sol e a Terra dá-se em totalidade prática via calor por radiação.

Condução

A condução é feita devido às moléculas de maior energia cinética, oscilando com maiores amplitudes em torno dos pontos de equilíbrio, transmitirem energia através dos acoplamentos elásticos para as partículas vizinhas menos energéticas. Lembrando-se do conceito de temperatura como grandeza proporcional à energia cinética média das partícula do sistema, percebe-se claramente a diferença de temperaturas como sendo o fator causal do calor por condução.

A condução é, conforme esperado, geralmente muito significativa em sólidos e líquidos, mas certamente também ocorre, contudo de forma menos importante, em gases. Considerado que os gases reais não são a rigor gases ideias, sabe-se que há interação entre as partículas que o compõem, de forma que o modelo anterior não mostra-se de todo errado. Contudo, mesmos no caso dos gases ideiais - onde não verifica-se, por definição, qualquer acoplamento entre as partículas que o definem - pode-se ainda conceber a existência de condução térmica, visto que essas partículas ainda interagem, contudo apenas com as paredes do recipiente que as encerram. Se duas paredes em extremidades opostas do recipiente contendo um gás ideal forem mantidas à temperaturas diferentes, verificar-se-á fluxo de calor por condução entre as mesmas visto que as partículas gasosas, embora possam mover-se livremente no interior do recipiente, encontrando-se contudo por esse confinadas, e por tal colidindo ora com uma, ora com a outra parede do recipiente.

Convecção

A convecção já não é a nível molecular como era o caso da condução. Esta já pode ser de duas formas, por convecção natural em que é devido à diferença de densidade do fluido devido ao aquecimento do fluido ou por convecção forçada em que existe um mecanismo externo ao sistema a forçar o movimento do fluido. Este mecanismo é segundo a Lei de Newton.

Radiação

Qualquer corpo ou superfície a uma temperatura superior ao zero absoluto emite radiação electromagnética por alteração na configuração eletrônica de átomos e moléculas. A radiação térmica está restrita aos comprimentos de onda entre 0.1 e 100 μm do espectro electromagnético. A propagação de ondas electromagnéticas (ou fotons) ocorre através de corpos ou fluidos não opacos, ou no vácuo, não precisando, portanto, da existência de matéria. A lei básica é a lei de Stefan-Boltzmann. Como se pode concluir, o transporte de energia