CAPACIDADE CALORÍFICA E CALOR ESPECÍFICO

MUDANÇAS DE FASE E CALOR LATENTE

TERMODINÂMICA

Cursos de Engenharias

Prof. João Paulo de Castro Costa

Referência

TIPLER, P. A. e MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros: mecânica, oscilações e ondas, termodinâmica. v.1, 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000.

CAPACIDADE CALORÍFICA E CALOR ESPECÍFICO

Quando se transfere energia a uma substância através do aquecimento, a temperatura da substância normalmente sobe. A quantidade de energia térmica Q necessária para elevar a temperatura de uma substância é proporcional a variação de temperatura e à massa da substância.

Q = C.Q = C.ΔΔT = m.c.T = m.c.ΔΔTT Onde C é a capacidade calorífica (ou capacidade

térmica) e c é o calor específico que determina a capacidade calorífica por unidade de massa.

A unidade histórica de energia térmica, a caloria, foi definida originalmente como a quantidade de calor necessária para elevar em um grau Celsius a temperatura de um grama de água. Como calor é uma medida de energia em trânsito, pode-se definir o calor em unidades no SI, o joule.

1 cal = 4,184 J1 cal = 4,184 J No sistema inglês, habitualmente usado nos

Estados Unidos, a unidade usual de calor é Btu (unidade térmica britânica), definida como a quantidade de energia necessária para elevar 1˚F a temperatura de 1 libra de água. A relação entre Btu, a caloria e o joule é dada por:

1 Btu = 252 cal = 1,054 kJ1 Btu = 252 cal = 1,054 kJ

Calor específico da água

cágua = 1 cal/(g.˚C) = 1 kcal/(kg.˚C)

= 1 kcal/(kg.K) = 4,184 kJ/(kg/K) = 1 Btu/(lb.˚F)

A capacidade calorífica por mol é chamada capacidade calorífica molar (calor molar) c’:

Onde M = m/n é a massa molar.

Calores Específicos e Calores Molares de alguns sólidos e Líquidos

Substância c – kJ/kg.K c – kcal/kg.Kou Btu/lb.˚F

c‘ – J/mol.K

Alumínio 0,900 0,125 24,3

Bismuto 0,123 0,0294 25,7

Cobre 0,386 0,0923 24,5

Vidro 0,840 0,20 -

Ouro 0,126 0,0301 25,6

Gelo (–10˚C) 2,05 0,49 36,9

Chumbo 0,128 0,0305 26,4

Prata 0,233 0,0558 24,9

Tungstênio 0,134 0,0321 24,9

Zinco 0,387 0,0925 25,2

Álcool etílico 2,4 0,58 111

Mercúrio 0,140 0,033 28,3

Água 4,18 1,00 75,2

EXEMPLO 01

Que quantidade de calor é necessária para elevar de 20˚C a temperatura de 3 kg de cobre?

EXEMPLO 02 – TROCAS DE CALORQCEDIDO + QRECEBIDO = 0

Para medir o calor específico do chumbo, uma pessoa aquece 600 g de granalha de chumbo até a temperatura de 100˚C e depois coloca esse conteúdo em um calorímetro de alumínio com 200 g de massa, contendo 500 g de água, inicialmente a 17,3˚C. Se a temperatura final do conjunto for 20˚C, qual o calor específico do chumbo? (o calor específico do recipiente de alumínio é 0,900kJ/kg.K)

MUDANÇA DE FASE E CALOR LATENTE

Quando se fornece calor a uma amostra de gelo a 0˚C, a temperatura do gelo não se altera. Em vez disso, ocorre fusão do gelo. Este é um exemplo de mudança de fase.

A teoria molecular pode dar o auxílio necessário para entender porque a temperatura permanece constante durante a mudança de fase. As moléculas em um líquido estão muito próximas uma das outras e exercem forças atrativas mútuas. Num gás, as moléculas estão muito afastadas. Por causa dessa atração molecular, é preciso haver energia para fazer com que as moléculas de um líquido formem um gás. Considere uma panela de água sobre a chama de um fogão. No princípio, conforme a água é aquecida, o movimento de suas moléculas aumenta e sua temperatura se eleva. Quando a temperatura alcança o ponto de ebulição, as moléculas já não podem aumentar sua energia cinética permanecendo no estado líquido. À medida que a água evapora, a energia térmica recebida é usada para superar as forças de atração entre as moléculas de água conforme elas se espalham na forma gasosa. Assim, a energia que o líquido recebe aumenta a energia potencial das moléculas, mas não a energia cinética molecular. Como a temperatura é uma medida da energia cinética média de translação das moléculas, ela não se altera.

A mudanças de fase de uma substância pura a uma determinada pressão ocorre somente em uma certa temperatura. Por exemplo, água pura a 1 atm de pressão passa de sólido para líquido a 0˚C (o ponto de fusão normal da água) e de líquido para vapor a 100˚C (o ponto de ebulição normal da água).

PROCESSO ENDOTÉRMICO

PROCESSO EXOTÉRMICO

CALOR LATENTE

A energia térmica necessária para fundir uma substância de massa m sem alterar sua temperatura é proporcional à massa da substância:

Qf = mLf

Onde Lf é o calor latente de fusão da substância. Para a água, a 1 atm, o Lf =333,5 kJ/kg = 79,7 kcal/kg. Se a mudança de fase for de líquido para vapor (gás), o calor requerido é:

Qv=mLv

Onde Lv é o calor latente de vapor da substância. Para a água, a 1 atm, o Lv = 2,26MJ/kg = 540 kcal/kg.

EXEMPLO 03

Qual a quantidade de calor necessária para transformar 1,5 kg de gelo a –20˚C e 1 atm em vapor a 100˚C?

EXEMPLO 04

Uma amostra de chumbo de 830 g é aquecida até o seu ponto de fusão dado por 600 K. Que quantidade de energia deve ser fornecida para fundir essa massa chumbo inicialmente a 300 K?

EXEMPLO 05 Um jarro de 2 litros, com limonada, foi colocado sobre uma

mesa de piquenique, ao sol o dia inteiro, a 33˚C. Uma amostra de 0,24 kg de limonada é derramada em uma xícara com 2 cubos de gelo (cada um 0,025 kg, a 0˚C). Considere que a xícara é feita com isolante térmico isopor de capacidade térmica desprezível. Admitindo que não haja perda de calor para o ambiente, e que a limonada tem o mesmo calor específico que a água, DETERMINE a temperatura final da limonada.