Em termodinâmica, calor é a energia em transferência entre um corpo e seu meio, exceto quando essa transferência ocorre por trabalho termodinâmico ou por transferência de matéria.
O trabalho termodinâmico é definido por mudanças nas variáveis macroscópicas de estado do sistema, em pares conjugados como pressão e volume, ou magnetização e intensidade de campo magnético, e não por efeitos mecânicos ou de outra natureza no meio. A definição termodinâmica de calor exclui os demais modos definidos de transferência, para manter uma distinção lógica estrita entre eles.
Durante a transferência, o calor não é necessariamente conservado, pois pode ser gerado, embora não destruído, pelo atrito. Na termodinâmica, a temperatura é definida em termos macroscópicos pelos conceitos de calor e trabalho. Calor não é variável nem função de estado, e sim uma quantidade de processo. Um sistema termodinâmico não contém calor.
O calor pode entrar ou sair de um corpo material por condução térmica, por radiação eletromagnética ou pelo atrito causado por movimento mecânico macroscópico. Quando o calor é gerado por atrito, parte dele pode terminar em cada um dos dois corpos envolvidos. Quando a energia entra ou sai de um corpo por transferência de matéria, não é possível separá-la de modo único em trabalho e calor.
Ao assumir a conservação do calor numa transferência, a calorimetria o mede pelos efeitos sobre os estados dos corpos que interagem, por exemplo pela quantidade de gelo derretida ou pela mudança da temperatura de um corpo.Maxwell, J. C. (1871), capítulo III.
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de medida do calor é o joule (J).
Notação e unidades Como forma de energia, o calor tem como unidade o joule (J) no Sistema Internacional de Unidades (SI). Em aplicações de engenharia também se usa a caloria. A unidade padrão da taxa de aquecimento é o watt (W), definido como um joule por segundo.
O símbolo para o calor foi introduzido por Rudolf Clausius e Macquorn Rankine por volta de 1859.Caneva, K. L. (2021). Helmholtz and the Conservation of Energy: Contexts of Creation and Reception. p. 562. Rankine usou o mesmo símbolo no mesmo ano. Como os dois físicos mantinham correspondência nessa época, é difícil determinar qual deles o introduziu primeiro.
Por convenção, o calor liberado por um sistema para o meio é uma quantidade negativa como parcela da energia interna, . Quando um sistema absorve calor do meio, ele é positivo, . A taxa de transferência de calor, ou fluxo de calor por unidade de tempo, é representada por , mas não é a derivada temporal de uma função de estado, que também pode ser escrita com a notação de ponto, porque o calor não é uma função de estado.Baierlein, R. (1999), p. 21. O fluxo de calor é a taxa de transferência de calor por unidade de área da seção transversal, expressa em watts por metro quadrado.
Como é uma quantidade de processo, seu valor entre dois estados não é determinado apenas pelos estados inicial e final. Processos diferentes que ligam os mesmos estados podem envolver quantidades diferentes de calor e trabalho, embora tenham a mesma variação de energia interna.Callen, H. B. (1985), seção 1-8.
História
Na linguagem comum, palavras como o inglês heat ou warmth, o francês chaleur, o alemão Hitze ou Wärme, o latim calor e o grego θάλπος podem se referir à energia térmica, à temperatura ou à percepção humana delas. Mais tarde, chaleur, como usado por Sadi Carnot, heat e Wärme também se tornaram termos científicos equivalentes nas fases iniciais da termodinâmica. A ideia de que o calor seria uma forma separada de matéria teve longa presença na história das ciências e esteve ligada à teoria do flogisto, à teoria calórica e ao fogo como elemento clássico. Muitos experimentos antigos, realizados com cuidado, praticamente eliminavam o atrito, o trabalho mecânico e termodinâmico e a transferência de matéria, examinando apenas a transferência de energia por condução térmica e radiação. Esses resultados davam apoio racional à teoria calórica. Para explicar também mudanças de energia interna causadas por atrito e por trabalho mecânico e termodinâmico, a teoria calórica foi substituída, perto do fim do século XVIII, pela teoria "mecânica" do calor.
Século XVII e início do século XVIII
"Calor é movimento" miniatura|206px|Galileu Galilei Quando cientistas do início da Idade Moderna passaram a adotar a ideia de que a matéria é formada por partículas, tornou-se comum supor uma relação estreita entre calor e movimento dessas partículas. Alguns chegaram a afirmar a equivalência entre os dois conceitos. Em 1620, o filósofo inglês Francis Bacon escreveu: "Não se deve pensar que o calor gera movimento, ou que o movimento gera calor, embora isso seja verdadeiro em certos aspectos, mas que a própria essência do calor [...] é movimento e nada mais". Acrescentou que não se tratava de um "movimento do todo", e sim das pequenas partículas do corpo. Em Il Saggiatore, publicado em 1623, Galileu Galilei apresentou o calor como um artefato da mente.
Galileu escreveu que calor e pressão seriam apenas propriedades aparentes causadas pelo movimento das partículas, este sim um fenômeno real. Em 1665,: fac-símile com paginação.: versão legível por máquina, sem paginação. e de novo em 1681, o polímata inglês Robert Hooke repetiu que o calor nada mais seria do que o movimento das partículas constituintes dos objetos. Em 1675, seu colega, o cientista anglo-irlandês Robert Boyle, também afirmou que esse movimento constituía o calor.
miniatura|184px|John Locke Filósofos também trataram do calor na linguagem comum. Um exemplo é esta passagem de 1720 do filósofo inglês John Locke:
Quando Bacon, Galileu, Hooke, Boyle e Locke escreveram "calor", talvez se referissem mais ao que se chama de "temperatura". Até meados do século XVIII não havia uma distinção clara entre calor e temperatura. A diferença entre a energia interna de um corpo e a transferência de energia como calor só ficou clara em meados do século XIX.
A explicação de Locke sobre o calor foi citada repetidas vezes pelo físico inglês James Prescott Joule. A transferência de calor também era explicada pelo movimento de partículas. O físico e químico escocês Joseph Black escreveu: "Muitos supuseram que o calor é um movimento trêmulo [...] das partículas da matéria, movimento que [...] imaginavam ser comunicado de um corpo a outro". O livro Heat Considered as Mode of Motion, de John Tyndall, publicado em 1863, difundiu entre o público de língua inglesa a ideia do calor como movimento. A teoria também foi desenvolvida em publicações científicas em francês, inglês e alemão.
Século XVIII
Calor e temperatura miniatura|182px|Brook Taylor Distinções não formuladas entre calor e "quente" podem ser muito antigas. O calor podia ser visto como algo dependente da quantidade de uma substância quente, vagamente separado da qualidade de estar quente. Em 1723, o matemático inglês Brook Taylor mediu a temperatura, pela expansão do líquido num termômetro, de misturas com diferentes quantidades de água quente e fria. Como esperado, o aumento da temperatura foi proporcional à parcela de água quente na mistura. A última frase de seu relato expressa implicitamente a distinção entre calor e temperatura.
Resfriamento evaporativo miniatura|183px|William Cullen
Em 1748, The Edinburgh Physical and Literary Essays publicou o relato de um experimento do médico e químico escocês William Cullen. Cullen usou uma bomba de vácuo para reduzir a pressão em um recipiente com éter dietílico. O éter entrou em ebulição sem que calor fosse retirado dele, e sua temperatura diminuiu. Em 1758, num dia quente em Cambridge, na Inglaterra, Benjamin Franklin e o cientista John Hadley mantiveram o bulbo de um termômetro de mercúrio molhado com éter e usaram foles para evaporar o líquido. A cada nova evaporação, o termômetro indicava uma temperatura mais baixa, até chegar a cerca de −14 °C.
Descoberta do calor específico
Em 1756, ou pouco depois, Joseph Black, amigo e ex-assistente de Cullen, iniciou um estudo extenso sobre o calor. Em 1760, percebeu que, quando duas substâncias diferentes de mesma massa e temperaturas distintas eram misturadas, o número de graus de variação de temperatura em cada uma era diferente, embora o calor recebido pela substância mais fria fosse igual ao perdido pela mais quente. Black relatou um experimento realizado por Daniel Gabriel Fahrenheit a pedido do médico neerlandês Herman Boerhaave. Para tornar a explicação mais clara, apresentou uma variante hipotética, mas realista. Se massas iguais de água a 37,8 °C e de mercúrio a 65,6 °C fossem misturadas, a temperatura da água aumentaria cerca de 11,1 °C e a do mercúrio cairia cerca de 16,7 °C, até ambas chegarem a aproximadamente 48,9 °C, embora o calor recebido pela água e o perdido pelo mercúrio fossem iguais. A comparação tornou mais nítida a diferença entre calor e temperatura e introduziu o conceito de calor específico, que varia entre substâncias. Black escreveu: "O mercúrio [...] tem menor capacidade para a matéria do calor do que a água".
Graus de calor Nos estudos de calor específico, Black usou uma unidade de calor que chamou de "graus de calor", em oposição a simples "graus" de temperatura. A unidade dependia do contexto e só podia ser usada quando as demais condições eram idênticas. Baseava-se na mudança de temperatura multiplicada pela massa da substância envolvida.
Descoberta do calor latente miniatura|196px|Joseph Black
Sabia-se que, quando a temperatura do ar subia acima do ponto de congelamento e o ar se tornava a fonte evidente de calor, a neve derretia muito lentamente e a temperatura da água resultante ficava próxima do ponto de fusão. Em 1757, Black começou a investigar se o calor era necessário para fundir um sólido independentemente de qualquer aumento de temperatura. Até onde sabia, a opinião comum era que a fusão vinha inevitavelmente acompanhada de um pequeno aumento de temperatura e não exigia calor adicional além do necessário para esse aumento. Black logo mostrou que, durante a fusão, era necessário muito mais calor do que poderia ser explicado por qualquer elevação de temperatura. Também mostrou que um líquido libera calor ao congelar, em quantidade muito maior do que a simples redução de temperatura explicaria.
Em 1762, Black apresentou esses estudos a uma sociedade de professores da Universidade de Glasgow. Ele colocou massas iguais de gelo a 0 °C e de água a cerca de 0,6 °C em dois recipientes idênticos e bem separados. O ar da sala, mantido a cerca de 8,3 °C, aqueceu uniformemente a água e o gelo até aproximadamente 4,4 °C. Em unidades convertidas para a escala Celsius, a água havia recebido cerca de 3,9 "graus de calor". O gelo foi aquecido por 21 vezes mais tempo e, por isso, teria recebido cerca de 81,7 "graus de calor".Esses "graus de calor" dependiam do contexto e só podiam ser usados quando as condições eram idênticas, exceto pelo único fator investigado. Nos estudos de calor específico, os "graus de calor" se baseavam na mudança de temperatura multiplicada pela massa. Nos estudos de calor latente, baseavam-se na mudança de temperatura multiplicada pelo tempo decorrido. Essas unidades não eram equivalentes. A temperatura do gelo aumentou cerca de 4,4 °C. O gelo havia absorvido cerca de 4,4 "graus de calor", que Black chamou de calor sensível, manifestado por mudança de temperatura e passível de ser sentido e medido. Outros 77,2 "graus de calor" foram absorvidos como calor latente, manifestado pela mudança de fase e não por mudança de temperatura.
Black mostrou depois que água a 80 °C era necessária para derreter uma massa igual de gelo até que tudo chegasse a 0 °C. Assim, pareciam ser necessários cerca de 80 "graus de calor" na escala Celsius para derreter o gelo. O valor moderno do calor de fusão do gelo corresponderia a cerca de 79,5 "graus de calor Celsius" nessa forma de comparação.