O assunto inicial que eu ensino todos os anos nas 2ªs séries do ensino médio é calorimetria. A maioria dos alunos já traz algum conhecimento prévio sobre o significado de calorias. Quase todos já ouviram falar das calorias "contidas" em um determinado alimento, ou sobre a quantidade que é perdida em um exercício físico, para emagrecer ou manter a forma. O problema é que certos conceitos físicos são usados popularmente de maneiras diferentes da definição formal, como é o caso, por exemplo, de se falar "eu peso 70 quilos", sendo que, pelos rigores da física, quilograma, na verdade é unidade de massa, e não de peso.
As calorias adotadas popularmente para indicar a energia fornecida pelos alimentos correspondem a 1.000 calorias daquelas que usamos na maioria dos cálculos dos exercícios de física. Para diferenciá-las, usa-se um C maiúsculo no caso de estarmos nos referindo às calorias alimentares. Então:
1 caloria alimentar = 1 Cal = 1 kcal
Durante a aula, com 40 alunos lotando a sala, e dois ventiladores que tentavam diminuir o desconforto térmico, uma aluna me pede para sair, a fim de encher a garrafinha de água. Claro que diante das condições do ambiente, sem questionar, dou-lhe permissão, e aproveito para perguntar a ela sobre a quantidade de água da garrafa. Ela me diz que são 500 mL. Como a densidade da água é de 1 g/mL, a massa é 500 g. Estimo em aproximadamente 10,5ºC a temperatura da água gelada que ela iria obter do bebedouro da escola, e proponho aos alunos um exercício:
- Vamos calcular a quantidade de calorias retiradas do corpo da nossa colega assim que ela tiver ingerido toda a água da garrafa?
Peço a eles para que me digam a temperatura aproximada do corpo humano, supondo que estivesse em um estado normal, sem febre. Eles estimam corretamente: 36,5ºC.
Comento com eles que se podemos conversar no nosso dia a dia sobre as calorias dos alimentos, é porque em algum momento alguém definiu o que seria uma caloria. Explico que sempre que comentamos, por exemplo, sobre a altura de uma pessoa, estamos comparando a medida dela com um padrão pré definido, que pode ser, neste caso, o metro. Quando dizemos: "Fulano tem 1,80 m", todos já sabem que ele é relativamente alto. Da mesma forma como alguém definiu o comprimento correspondente a um metro, em um determinado instante da história da ciência, tornou-se necessário definir o que seria uma caloria.
Vejamos o que nos diz a Wikipédia:
Historicamente, a definição de calorias era a quantidade de energia necessária para elevar em 1 grau celsius a temperatura de 1 g de água (o calor específico da água é, por definição, igual a 1).
Com a evolução das técnicas de medida, verificou-se que o calor específico não era constante com a temperatura.
Por isso buscou-se padronizá-lo para uma faixa estreita, e a caloria
foi então redefinida como sendo o calor trocado quando a massa de um
grama de água passa de 14,5 °C para 15,5 °C.
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definição de 1 caloria
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Como podem notar, pelo fato de a caloria ter sido definida com base na água, o calor específico desta substância é, obviamente, c = 1 cal/gºC. Então, agora podemos responder:
Quantas calorias serão retiradas do corpo da nossa colega, depois de ter tomado 500 mL de água a aproximadamente 10,5ºC?
Vejam que através de um exercício simples, aproveito para inserir diversos conceitos básicos da calorimetria. Então, finalmente, vamos à fórmula, que foi historicamente determinada através de experimentações :
Q = m . c . ∆
t
Q quantidade de calor ( calorias )
m massa ( g )
c calor específico ( cal/gºC)
∆
t variação da temperatura ( ºC )
No nosso problema fica:
Q = 500 . 1 . (36,5 - 10,5) = 13.000 calorias = 13 Cal
Neste ponto faço a distinção entre calorias térmicas e calorias devido à queima de gorduras do corpo. Claro que a perda de calorias de gordura só é possível através de exercícios físicos, caso contrário eu estaria propondo a dieta da água gelada. As pessoas obesas com certeza adorariam poder perder peso desta maneira, mas infelizmente, as calorias perdidas no caso da aluna são apenas calorias térmicas.
Outro conceito que eu aproveito para explicar aos alunos neste momento é o da transmissão do calor, sendo que ele passa sempre expontaneamente, do corpo de maior temperatura para o de menor. Desta maneira, sabemos que se a temperatura do dia está em torno de 30ºC, e o nosso corpo a 36,5ºC, o calor tem maior dificuldade em sair, comparando com um dia frio, em que a temperatura ambiente é de 10ºC, e o calor do corpo é perdido num fluxo maior. Portanto, quanto maior a diferença entre a temperatura corpórea e a externa, maior o fluxo de calor que sai do nosso corpo, aumentando a sensação de frio.
Por que temos a sensação de frio quando estamos com febre?
Através do que expliquei, fica fácil entender. Se quando estamos com febre, a temperatura do corpo se eleva um pouco, aumenta a diferença entre esta e a temperatura ambiente, o que faz com que o fluxo de calor que sai do corpo se intensifique, aí temos a sensação de frio, por estarmos perdendo mais calor do que o normal.
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