Esfriando chá com movimento

11 de fevereiro, 2023 às 20:00 | Postado em Termologia, termodinâmica

Se agitarmos uma xícara com chá quente com uma colher, ela vai esfriar mais rapidamente, mas pela primeira lei da termodinâmica ao realizarmos trabalho no chá (com o movimento da colher), o chá deveria esquentar. Por que não esquenta?

Antes de responder, o interessante é testar se de fato ocorre um resfriamento mais rápido ou não. Para tanto realizei medidas da variação da temperatura em um vidro Becker, com a água inicialmente em 86⁰C, sendo realizadas medidas por 10 minutos. Na figura 1 estão fotos ilustrativas do aparato experimental. Comparei a situação sem agitação e com agitação contínua. Devido a diferenças entre os sensores existentes no laboratório, optei por usar sempre o mesmo sensor para medir a temperatura na xícara. Como as medidas não foram realizadas simultaneamente, a temperatura do ambiente foi monitorada. Durante os experimentos as variações da temperatura ambiente não foram significativas, de forma que podemos considerar a temperatura ambiente constante em ambas as situações (com agitação e sem agitação).

Os resultados das medidas nas temperaturas com agitação e sem agitação estão apresentados nos gráficos da figura 2, onde fica claro que a variação da temperatura ocorre mais rapidamente com agitação do que sem agitação. A diferença final de temperatura comparando os casos com e sem agitação, foi cerca de 4⁰C (a precisão do sensor de acordo com o manual é de +/- 0,5 ⁰ C), sendo a temperatura mais baixa atingida com a agitação.

Mas como compatibilizar com a primeira lei da Termodinâmica, em especial com o experimento de Joule? (Veja por exemplo em Energia Mecânica e Calor). Entendendo quais os processos envolvidos em cada caso! Não fixar apenas na agitação do sistema. (Um caso interessante de que a agitação ajuda a esfriar está relatado em Resfriando Rapidamente a Cerveja?, ressaltando que a parte que esfria é a cerveja.)  No caso do experimento de Joule, o sistema a ser aquecido com agitação deve estar isolado do ambiente (a única entrada é a da energia externa no sistema, mas idealmente não sai energia do sistema), de forma que toda energia que é fornecida ao sistema e que vem de fora, é mantida no sistema. Neste caso a energia interna do sistema aumenta, mas note que não estamos CRIANDO energia, pois o excesso vem de uma fonte externa. Aqui uma ressalva importante, se o sistema for por exemplo água e gelo em equilíbrio, a energia externa não vai aumentar a temperatura, mas acelerar a mudança de fase. Isto é, o aumento da energia interna nem sempre implica no aumento da temperatura.

No caso da xícara, o sistema não é fechado, ocorrendo uma troca de energia com o ambiente. Esta troca ocorre através da superfície de contato do líquido com o ambiente e se a xícara for um bom isolante térmico, vai ocorrer principalmente na superfície livre do líquido com o ambiente, caso contrário com toda superfície de contato do liquido, incluindo a que está em contato com a xícara.

Ao agitarmos o líquido, ocorre uma transferência da energia mecânica para o líquido, mas a agitação faz com que diferentes partes do líquido entre em contato com o ambiente. Em líquido sem agitação, inicialmente é o líquido na superfície superior que esfria (e dependendo do material da xícara, a parte em contato com a xícara esfria significativamente), e só depois as camadas mais internas. O esfriamento das camadas internas pode ocorrer ou por condução de calor ou por convecção, dependendo das condições do sistema.  Com a agitação, misturamos as diferentes camadas e colocamos as camadas mais quentes internas em contato com o ambiente (mais frio) de forma mais rápida do que ocorreria sem a agitação. Esta troca de energia com o ambiente é muito mais rápida do que a rapidez com qual energia é fornecida ao sistema com a agitação (que é um processo ineficiente para aumentar a temperatura do sistema), de forma que o resultado final é o sistema (nosso chá) perder energia para o ambiente de forma mais rápida com a agitação do que sem a agitação.

Um outro fator que ajuda a resfriar, é com a utilização de uma colher metálica. Por ser um bom condutor térmico, o metal da colher ajuda na troca pelo processo de calor com o ambiente, e quanto maior a área da colher, melhor este processo.