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Temperatura
e calor
Helcias Bernardo de Pádua
19/04/05 Viver
não é necessário: o que é necessário é criar. Temperatura, variável de enorme importância nos estudos hidrobiológicos e para as atividades agropecuárias, -p.ex. aqüicola - , nesta influindo e determinando desde à escolha do local para implantação do empreendimento, na escolha das espécies a serem criadas, no manejo das criaturas mantidas como reprodutoras, nas épocas melhores para se realizar a reprodução induzida ou não, na manutenção, engorda e despesca, no entendimento da biologia das espécies a serem trabalhadas, no manejo, na relação e inter-relação de inúmeras outras variáveis físicas, químicas e biológicas ocorridas na água e no solo, além das ocorridas nas próprias espécies criadas. Pouquíssimos são os criatórios que mantêm uma periodicidade na determinação e interpretação dessa variável temperatura, (do ar e da água), e o porque disso, do quase total desprezo, podendo-se assim dizer, se deve a falta de melhores informações sobre o que significa e aonde tal variável interfere. Essa displicência, (falta de interesse e de conhecimento), é notada desde os mais simples criadores até nos muitos tidos técnicos em criação de organismos aquáticos. Embora o conhecidíssimo equipamento utilizado, (termômetro), seja de fácil obtenção, manejo e leitura, tem-se notado que raríssimos são os técnicos e produtores que incluem nos seus planos e quadros de determinações e acompanhamento, (monitoramento), essa variável, por completo, determinando a temperatura do ar e a temperatura da água. Se o fazem de início, chegam a abandonar logo em seguida, achando que algumas determinações já os colocam como “exper” em climatologia, (clima regional), o que é um enorme erro pois a temperatura ambiente, mesmo aquela prevista, quadro de máxima, média e mínima distribuídas pelos períodos climáticos do ano, não significa ou fornece total subsídio. Dados, anotações e conhecimento de situações ambientais quanto a temperatura, (ar e água), orienta em muito na interpretação das constantes e até diferentes variações comportamentais biológicas e da própria massa aquática, tanto na visão horizontal como vertical de um sistema hídrico ou de uma criação de organismos aquáticos. Porém, tudo isso é fartamente relegado à um último plano, mesmo sabendo-se que “temperatura nada mais é que uma propriedade de transferência/transmissão da energia térmica, ou simplesmente de calor, entre um e outro meio”, ocorrendo tanto no líquido, sólido e gasoso. Como se percebe, a primeira dificuldade é de conhecimento básico, do simples significado da temperatura, ou seja saindo-se das simples sensações de “quente e frio”, não se querendo citar outros conceitos, nos seus mais amplos entendimentos, o que na lida prática do dia a dia do hidrobiologista e do produtor aqüícola, até devam ser de obrigatório domínio, apontando-se ai o corriqueiro conhecimento das outras variáveis físicas, químicas e biológicas que determinam ou influem ou sofrem influência nessa e dessa variável, temperatura, comprometendo ou auxiliando o desempenho dos organismos, do sistema, do meio ou ambiente, em questão. Aqui, o autor, quando aluno do curso de Biologia e Piscicultura, em 1975, na então Estação Experimental de Biologia e Piscicultura/Cachoeira de Emas-Pirassununga/SP, oferecido pela antiga SUDEPE, notava e se intrigava muito, pois os seus professores, eminentes mestres, discursavam sobre a biologia dos peixes, anatomia, reprodução, alimentação, doenças, pesca e despesca, limmologia (não é Qualidade das Águas), construção de tanques, elaboração de ração, até conservação e preparo do pescado, e não citavam ou discutiam sobre as inter-relações do meio em que os peixes viviam, a ÁGUA. Até hoje, (2005) na maioria dos encontros, seminários e congressos de ictiologia e de aqüicultura, pouco ou mesmo não se apresentam palestras, cursos e debates sobre o tema ÁGUA. Apontam-se as situações de distribuição da ictiofauna, da poluição, da contaminação, da preservação do pescado, sua comercialização, tipos e composição de ração e se esquece do princípio, aonde o peixe ou organismo aquático vive, com suas variáveis físicas, químicas e biológicas, por exemplo a temperatura do ar e a temperatura da água. Encontra-se fartos relatórios técnicos, trabalhos científicos e teses, que apenas reproduzem inúmeros dados, não só da variável temperatura (ar/água), sem procurar relações e inter-relações com o sistema, meio e ambiente onde se efetuou determinações tão importantes. Apenas compara-se os valores com os limites preestabelecidos pela legislação, quanto ao seus diversos usos da água e sua caracterização de qualidade. Esquecem que a temperatura tem um papel importante na velocidade e no grau de inúmeras reações químicas. Nós humanos, (homeotermos), possuímos certos mecanismos para manter a temperatura a 36-37º (CelsiusºC), visto que uma temperatura um pouco maior pode resultar em reações nocivas à saúde, com conseqüências sérias. Tal variável controla também o tipo e a quantidade de radiações térmicas emitidas pela corpo ou área. Já os organismos aquáticos, (peixes, anfíbios, etc.), por serem considerados pecilotérmicos, isto é, não possuem mecanismos internos de controle de temperatura corporal, a ação ou dependência é bem maior. Na verdade, a temperatura apresenta efeito sobre as reações (externas e internas) de todos organismos do reino animal e vegetal, interferindo na disposição dos mesmos; nas atividades metabólicas; nos reflexos comportamentais; na disposição alimentar e reprodutiva, além de colocá-los com maior ou menor sensibilidade a doenças. A temperatura é uma propriedade que implica nas noções comuns de “quente” ou “frio”. Em geral a matéria com uma temperatura maior é dita mais quente. Entende-se: como quente, qualidade de estar com maior temperatura do que outra coisa, comparativamente, sensação térmica (por vezes tátil) associada a objetos que transmitem calor para quem os toca. Por outro lado, o frio é a qualidade de estar com menor temperatura do que outra coisa, com pouco ou ausência de calor. A ciência que estuda as propriedades precisas da temperatura chama-se Termodinâmica. (WIKIPEDIA, 2004). Como já citado, a temperatura é devida à transferência/transmissão da energia térmica, ou calor, entre um e outro sistema. A transferência espontânea de calor entre objetos em contato ocorre sempre do mais quente para o mais frio, (o de maior temperatura perde calor enquanto o de menor temperatura recebe calor), levando ou tendendo à ambos atingirem a mesma temperatura (o equilíbrio térmico). Vejamos: em diversos momentos na nossa vida podemos presenciar, e até mesmo sentir, a transferência de calor entre objetos. Na cozinha por exemplo, diariamente para preparar os alimentos precisamos aquecê-los. Ao terminar de prepará-los, eles começam a esfriar. Esfriam até atingir um equilíbrio térmico com o meio onde estão, a mesma temperatura do ambiente, (quem demora come frio ou menos quente). Nesse exemplo a troca de calor ocorreu entre a panela onde estavam os alimentos e o ar que a rodeava. Não é por acaso que a cozinha esquenta, a cozinheira sente calor; elas recebem o calor dos objetos aquecidos em seu interior e entorno, (além do emitido pela queima do combustível. p. ex., da madeira, do carvão, do gás, etc.). Outra importante observação foi feita em 1840 por um físico chamado Germain Henri Hess que trabalhava em St. Petersburg, na Rússia. Com base nos seus estudos sobre calores de reação, ele decidiu que, de um modo geral, quando uma reação se dá em etapas, a soma dos calores de reação correspondentes aos diversos estágios é igual ao calor de reação obtido quando a reação é realizada completamente, em uma só etapa. Isto recebeu o nome de lei de Hess. Esta lei é tão importante que o físico Hess pode ser considerado como sendo o pai da Termoquímica, a química do calor. Outra maneira (mais geral) de exprimir a lei de Hess é a seguinte: "se passamos da substância A para a substância B por meio de transformações químicas, não importa quais sejam os detalhes destas transformações químicas, a variação final, total, de energia será sempre a mesma.", (FERRAZ NETTO, s/d/). Pois então, com simples exemplos de transferência de calor chega-se à entender a nossa sensação de frio ou quente. Quando o ambiente em que estamos se torna mais frio do que o nosso corpo, então o calor do nosso corpo começa a propagar para o ambiente e nós começamos a sentir frio. Quando o ambiente está mais quente, não há transferência de calor do nosso corpo para o meio, (recebemos calor), e temos a sensação de quente. Transferência espontânea de calor ocorre sempre do objeto de maior temperatura para aquele de menor temperatura. Essa transferência de energia ocorre até que as temperaturas se igualem, ou seja, até que os objetos atinjam o equilíbrio térmico, (UNESP, 2004). Por exemplo, nos ecossistemas aquáticos continentais, a quase totalidade da propagação do calor ocorre por transporte na ou para a massa d’água, sendo a eficiência deste em função da ausência ou presença de camadas de diferentes densidades. Em lagos que apresentam temperaturas uniformes em toda a coluna, a propagação do calor através de toda a massa líquida pode ocorrer de maneira bastante eficiente, uma vez que a densidade da água nessas condições é praticamente igual em todas as profundidades, sendo o vento o agente fornecedor da energia indispensável para a mistura das massas d’água. Por outro lado, quando as diferenças de temperatura geram camadas d’água com diferentes densidades, que em si já formam uma barreira física, impedindo que se misturem, e se a energia do vento não for suficiente para misturá-las, o calor não se distribui uniformemente, criando a condição de estabilidade térmica. Quando ocorre este fenômeno, o ecossistema aquático está estratificado termicamente. Os estratos formados freqüentemente estão diferenciados física, química e biologicamente. Calor È a energia térmica transferida entre dois corpos que estão a temperaturas diferentes. Transmissão de calor É a denominação dada à passagem da energia térmica, de um corpo para outro ou de uma parte para outra de um mesmo corpo, que durante a transferência recebe o nome de calor. Os corpos (p.ex.: corpos d’água, corpos sólidos, etc.) apresentam “capacidades térmicas diferentes,” dependendo das características físicas de cada corpo, (volume, massa, peso, etc.), mas quando formados pela mesma substância, apresentam o mesmo “calor específico”. Capacidade térmica Ou capacidade calorífica de um corpo é a quantidade de calor necessária por unidade de variação de temperatura do corpo. É uma característica do corpo e não da substância. Assim, diferentes corpos d’água, diferentes volumes d’água, diferentes dimensões de lagos, de tanques ou represas d’água, têm diferentes capacidades térmicas, apesar de conterem a mesma substância (água). Volume menor d’água aquece-se mais rapidamente que um outro volume maior, quando exposto a mesma fonte de calor. É da capacidade térmica que obtemos as suas unidades de medida de temperatura-ºC, porém quando considerarmos a capacidade térmica da unidade de massa temos o calor específico da substância considerada. Calor específico Calor específico é definido como sendo a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita trocar para variar a sua temperatura de 1 oC. Quanto menor o calor específico-cal/g°C de uma substância mais rapidamente poderá ela variar a sua temperatura-ºC.
Então, qualquer massa líquida apresenta a capacidade de reter ou ceder calor, mesmo em quantidades diferentes para cada substância, e como vimos essa propriedade é chamada de “calor específico”, que no caso da temperatura da água tem como fonte de calor basicamente a temperatura do ar, mas sempre com um intervalo na sua manifestação, esfriando e aquecendo mais lentamente. O calor específico é uma característica da substância e não do corpo. Assim, cada substância tem o seu calor específico, portanto diferentes volumes d’água apresentam o mesmo calor específico, pois são de mesma substância. A unidade de medida do calor específico é a caloria-cal Caloria Por definição a caloria ou pequena caloria está ligada aos conceitos de calor e calor específico, é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água de 14,5 para 15,5 oC. A grande caloria ou também mais conhecida como Quilocaloria (Kcal), como o próprio nome diz, é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 Kg de água de 14,5 para 15,5 oC. A unidade de medida de calor é definida como caloria-cal. Não confundir com a unidade de medida para temperatura que pode ser em graus centígrados-ºC, por exemplo. Equilíbrio e agitação térmica Quando dois sistemas estão com a mesma temperatura, eles estão em equilíbrio térmico e não há transferência de calor. Quando existe uma diferença de temperatura, o calor será transferido do sistema de temperatura maior para o sistema de temperatura menor até atingir um novo equilíbrio térmico. Quanto mais se junta calor a um sistema, mais a sua temperatura aumenta. Ao contrário, uma perda de calor provoca um abaixamento da temperatura do sistema. Na escala microscópica, este calor corresponde à agitação térmica de átomos e moléculas no sistema. Assim, uma elevação de temperatura corresponde a um aumento da velocidade de agitação térmica dos átomos. Características físicas da temperatura Sabe-se que a temperatura é uma característica física, sendo uma medida de intensidade de calor ou energia térmica em transito, pois indica o grau de agitação das moléculas, interferindo por exemplo em outras variáveis físicas e químicas como transparência, substâncias,/coloração, alcalinidade, salinidade, pH, toxidade de elementos capacidade de retenção e saturação de gases, (p. e. o oxigênio), etc. Quando um corpo recebe ou cede calor, (transmissão de calor), ocorre uma transformação com variação ou não de temperatura, não ocorrendo ou ocorrendo mudança de estado físico. No primeiro caso, com variação de temperatura, dizemos que se trata de calor sensível(*) e, no segundo, sem variação na temperatura, “calor latente” quando a pressão for constante. Se o calor é “latente”, ocorre mudança de estado, mantendo-se a mesma temperatura. Pois então, quando a troca de calor provoca apenas variação na temperatura dos corpos envolvidos, sem mudança na forma física, eles estão trocando calor sensível devendo-se falar em calorimetria. Caso, se durante a troca de calor ocorrer alguma mudança de estado, o corpo que sofreu essa mudança terá recebido ou perdido calor, devemos substituir, no princípio das trocas de calor, pela equação do calor latente:
- (*)Toda matéria,
dependendo da temperatura pode se apresentar em três estados:
sólido, líquido e gasoso. Portanto. a quantidade de calor envolvida
na mudança de estado decorre da definição de calor latente. Calor
latente de mudança de estado L, é a quantidade de calor, por unidade
de massa, que é necessário fornecer ou retirar de um dado corpo, a
uma certa pressão, para que ocorra a mudança de estado, sem variação
de temperatura. É medido em calorias-cal/g . - o calor latente de fusão do gelo: LF = (mais) + 80cal/g. - calor latente de solidificação da água: LS = (menos) - 80 cal/g - o sinal (+) refere-se à quantidade de calor recebida (absorvida) pela substância, - o sinal (-) à quantidade de calor cedida (liberada) pela mesma. e.t.: vamos entender melhor: em condições normais, a água entra para o estado sólido a 0ºC e para o estado líquido também a 0ºC. Do estado líquido para o gasoso e vice versa, o grau a ser atingido é de 100ºC, ou: Importante À pressão constante, toda substância sofre mudança de estado a uma determinada temperatura. À pressão constante, durante a mudança de estado a temperatura se mantém constante. Nas mesmas condições, a quantidade de calor recebida (absorvida) ou cedida (liberada) por uma dada substância, durante a mudança de estado, é, em valor absoluto, igual para a unidade de sua massa. Ainda mais... Influência da pressão: a pressão influi sobre as temperaturas em que ocorrem as mudanças de estado físico. Influência na fusão: quase todas as substâncias, ao fundirem, aumentam de volume; no entanto existem algumas exceções, como a água, a prata, o antimônio, o bismuto, que diminuem de volume ao fundirem; - a pressão interfere na temperatura de fusão desses dois grupos de maneira distintas. Temperatura de solidificação: tudo o que é dito sobre a temperatura de fusão também é válido para a temperatura de solidificação.
Influência na
solidificação: a influência da pressão sobre a ebulição é muito mais
simples que sobre a fusão, pois para todas as substâncias a regra
agora é única. 1) O termo sublimação é usado para designar a mudança direta do estado sólido para o gasoso; o melhor exemplo de sublimação é o da naftalina, que passa do estado sólido diretamente para o gasoso. Alguns autores classificam a passagem sólido para gasoso como sublimação direta ou 1ª sublimação, e a passagem gasoso para sólido como sublimação inversa ou 2ª sublimação. 2) A mudança líquido para gasoso, que chamamos vaporização, deve ser subdividida em: a) Evaporação: é um processo espontâneo e lento, que se verifica a uma temperatura qualquer e depende da área de contato. Na evaporação, quanto maior a área de contato mais rapidamente se processa a passagem do estado líquido para o gasoso. b) Ebulição: é um processo que se verifica a uma determinada temperatura (a pressão tem influência sobre a temperatura, veremos posteriormente). Logo é um processo forçado. É mais rápido que a evaporação. c) Calefação: ocorre quando uma massa de líquido cai sobre uma superfície aquecida a uma temperatura superior a temperatura de ebulição do líquido. A calefação é um processo quase instantâneo. Ao observarmos gotas d’água caírem sobre uma chapa bem quente, notamos que as gotas vaporizam rapidamente emitindo um chiado característico, isso é calefação. continua na Parte 02... Bibliografia Ferraz Netto. Lei de Hess. leobarretos@uol.com.br Prof. Luiz Ferraz Netto UNESP, 2004. - Transferência de calor e equilíbrio térmico. IN: http://www.fc.unesp.br-experimento WIKIPEDIA. Temperatura, Calor, Luz. site: http://pt.wikipedia.org/wiki/Luz, página Fisica - 20:52, 29 Out 2004 Bibliografia recomendada BARRA, s/d - Parâmetros de análise da água. IN: http://barra.uol.com.br/univtool.map CHAPLIN, M. Water Strutucte and behavor. (http://www.sbu.ac.uk/water/index.html) FUNDAMENTALS OF PHYSICAL GEOGRAPHY. Introduction of hidrology. http://www.geog.ouc.bc.ca/physgeog/contents/8a.html - 2002. HIRATA, R. Recursos Hídricos. In:TEIXEIRA, W.; TOLEDO, M.C.M.; FAIRCHIL, T.R.; TAIOLI, F. Decifrando a Terra. São Paulo, Oficina de Textos, 422-444p., 2001. MACEDO, J.A.B. ÁGUAS & ÁGUAS. São Paulo, Livraria Varela, 2001. NOGUEIRA, C. O planeta tem sede. Revista Veja, v.32, n.46, p.154-156, 1999. PÁDUA, H.B. de. Temperatura (ºC) & Transparência (cm), em sistemas aquáticos/ Como medir. SP/SP. 2004; 4p. www.setorpesqueiro.com.br/aquicultura-col. Helcias B. de Pádua - helcias@portalbonito.com.br _____________ Qualidade das águas na aqüicultura. IN: Piscicultura, Qualidade das águas. Curso: Teórico/Prático- Dia de Campo, Itú/SP. ABRAPPESQ, Clube de Pesca Olhos D’água/Itú-SP; apostila, 62p.;2002. helcias@portabonito.com.br; http://www.abrappesq.com.br; http://www,pescar.com.br/helcias PEREIRA. A R. – ÁGUA. Introdução a Micrometeorologia e Evapotranspiração – Curso de Pós-graduação. Prof. Dr.Antonio Roberto Pereira & Pós-graduando: Cláudio Ricardo da Silva. 2003. IN: http://www.irrigarte.hpg.ig.com.br/agua.htm UFGS Termofísica – site: fisicanet.terra.com.br/testes/termofisica/termofisica-ufrgs -2001 WATER ON THE WEB. The Unique Structure of water. http://wow.nrri.umn.edu/wow/student/water/unique.html- 2002.
Dados para citação bibliográfica(ABNT): PÁDUA, H.B. de Temperatura e calor. 2010. Artigo em Hypertexto. Disponível em: <http://www.infobibos.com/Artigos/2010_1/VariaveisFisicas/index.htm>. Acesso em:Publicado no Infobibos em 24/03/2010
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