Esfriando chá com movimento

     Uma questão interessante que pode trazer dúvidas para um estudante: 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 verificar se de fato ocorre um resfriamento mais rápido ou não. Para verificar, realizei medidas da variação da temperatura em um vidro Becker,  com a água inicialmente em 86⁰C , sendo realizado medidas por 10 minutos. Na figura 1, 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 monitorado e durante as medidas as variações não foram significativas, de forma que podemos considerar a temperatura ambiente constante em ambas as situações (com agitação e sem agitação).

Figura 1. Uma visão geral do experimento (foto a esquerda), do líquido sendo agitado (foto direita superior) e as temperaturas do ambiente e do líquido (foto direita inferior).

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

Figura 2. Variação da temperatura nas xícaras com e sem agitação. 

Figura 3. Neste gráfico incluímos a temperatura do ambiente . Note que as variações na temperatura ambiente são muito menores que a do liquido.

    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 é o caso 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 que entra no sistema, mas idealmente não sai 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 pela superfície de contato do líquido com o ambiente 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 o líquido na superfície superior esfria (e dependendo do material da xícara, a parte em contato com a xícara esfria significativamente), e 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 calor com o ambiente é muito mais rápido do que energia 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.

      Também não podemos esquecer que ao analisarmos o processo de esfriamento, precisamos considerar a evaporação, que não é desprezível em muitas situações.

    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 de calor com o ambiente, e quanto maior a área da colher, melhor este processo.  Apenas como informação , algumas pessoas 8ndicam que uma boa maneira  para ajudar a esfriar o líquido é colocando sal! O sal em contato com a água, sofre um processo de dissociação, e este processo consome energia, logo, ajuda a reduzir a temperatura da água. Mas  chá com sal,  não costuma ser uma boa combinação. De qualquer forma, como não realizei o experimento, não sei se realmente reduz a temperatura de forma significativa com a colocação do sal. Assim, o melhor é deixar esfriar normalmente (com ou sem agitação) e apreciar sua xícara de chá, com tranquilidade.