Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 2º Ano Calor sensível,...

Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física

Ensino Médio, 2º Ano Calor sensível, capacidade térmica e calor específico

FÍSICA, 2º Ano do Ensino MédioCalor sensível, capacidade térmica e calor específico

Algumas curiosidades...

Antes de responder, vamos conhecer alguns conceitos fundamentais...

Por que durante o dia é tão quente no deserto, mas à noite é tão frio?

Por que, durante o dia, quando estamos na praia, percebemos que o vento sopra da água para a areia, mas à noite esse sentido é invertido?

Imagem: Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic


Energia Térmica em trânsito devido a diferença de temperatura entre corpos. Costuma-se dizer que calor é ENERGIA TÉRMICA EM MOVIMENTO.

Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente do corpo de MAIOR temperatura para o corpo de MENOR temperatura.

Calor

Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica


Físico, Químico e Médico escocês, evidenciou-se no seu trabalho sobre Termodinâmica, sendo o primeiro a distinguir Calor de Temperatura. Introduziu a noção de Calor Específico e de Calor Latente. É considerado, juntamente com Cavendish e Lavoisier, um dos pioneiros da Química Moderna.

Joseph Black (1728 – 1799)

Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público


Por meio de experimentos nos quais misturava substâncias a diferentes temperaturas, observou que os resultados não condiziam com as teorias da época, que apontavam o calor como uma substância fluida (chamada de calórica) presente na matéria.XAVIER, Claudio & BENIGNO, Barreto. Física aula por aula. Volume 2. FTD. 1ª ed. 2010.

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Joseph Black (1728 – 1799)


Calor que produz variação de temperatura sem que o estado físico da matéria seja alterado.

Calor Sensível

Ex.: Quando colocamos algo para aquecer no fogo, estamos aumentando sua temperatura.

Charge disponível no link: http://3.bp.blogspot.com/-ksA8bKowSVk/T9MppBkJepI/AAAAAAAAKDY/x6Z97-RnG1w/s1600/aquecimento-global+7.jpg

Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License

http://3.bp.blogspot.com/-ksA8bKowSVk/T9MppBkJepI/AAAAAAAAKDY/x6Z97-RnG1w/s1600/aquecimento-global+7.jpg




A energia é medida em joules (J) no (S.I.). Como o calor também é uma forma de energia, possui a mesma unidade. Por motivos históricos e práticos, também usamos outra unidade, a caloria (cal).

Unidade de medida de Calor

1 cal = 4,18 J


Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de um corpo.

Capacidade Térmica

Equivale ao quociente entre a quantidade de calor recebido ou cedido pelo corpo e a correspondente variação de temperatura.

𝑪=𝑸∆𝑻

Exemplo:

Q = 40 cal

46ºC

26ºC∆T = 20 ºC

Neste caso, temos: 𝑪=𝟒𝟎𝒄𝒂𝒍𝟐𝟎𝒐𝑪

Logo: 𝑪=𝟐𝒄𝒂𝒍 /𝒐𝑪Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura desse corpo em 1 ºC, precisaremos fornecer a ele 2 cal.


Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de uma unidade de massa de um corpo.

Calor Específico

𝑐=𝑄

𝑚 ∙∆𝑇

http://d1gnq2svmchsi4.cloudfront.net/wp-content/uploads/2012/02/cryoscope.jpg

Exemplo:

Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura de 1 g do material que compõe esse corpo em 1 º C, precisaremos fornecer a ele 0,5 cal.

Nesse caso, temos: 𝒄=𝟎 ,𝟓𝒄𝒂𝒍𝟏𝒈 ∙𝟏𝒐𝑪

Logo: 𝒄=𝟎 ,𝟓𝒄𝒂𝒍 /(𝒈 .𝒐𝑪)

Q = 0,5 cal

27ºC

26ºC

∆T = 1 ºC


Equação Fundamental da Calorimetria

Como 𝑐=𝑄

𝑚 ∙∆𝑇

Temos que: 𝑸𝑺=𝒎∙𝒄 ∙∆𝑻

Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (QS) é DIRETAMENTE PROPORCIONAL

1. à Massa (m) do corpo Quanto maior a massa do corpo, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura;

2. ao Calor Específico (c) Quanto maior o calor específico, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura;

3. à Variação de Temperatura (∆T) Quanto maior a variação de temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de calor que se deve fornecer.


No deserto, durante o dia, a temperatura atinge valores muito elevados; situação que se inverte à noite, com temperaturas bem baixas.

Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic

Curiosidade


A areia do deserto possui calor específico relativamente pequeno, o que a faz aquecer com muita facilidade durante o dia e se resfriar facilmente à noite. Por isso, as temperaturas variam muito.

CuriosidadeA explicação dessa variação se baseia no conceito de calor específico.

Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic


1 Cal = 1000 cal

CuriosidadeA “Caloria” utilizada por médicos e nutricionistas é, na realidade, a quilocaloria (1 kcal = 1000 cal), também chamada Grande Caloria.

Imagem: Glane23 / GNU Free Documentation License


CuriosidadeBrisa Marítima X Brisa Continental

Por que, quando estamos na praia durante o dia, percebemos que os ventos sopram da água para a praia e à noite esse sentido é invertido?

Imagem: Tó campos1 / Domínio Público


Brisa Marítima X Brisa Continental

Durante o dia, a temperatura da terra se eleva mais rapidamente que a da água. Isso acontece porque o calor específico da água é maior que o da terra. Ou seja, é necessário maior quantidade de calor para elevar a temperatura de certa massa de água que elevar a temperatura da mesma massa de areia. As camadas de ar que estão em contato com a areia se aquecem mais, ficam menos densas e sobem. Seu lugar é ocupado pelo ar frio que está em contato com a água. Surge assim uma brisa do mar para a praia (Brisa Marítima).

Dia

z

o ar se esfria e desce

AR DE ALTAPRESSÃO

AR DE BAIXAPRESSÃO

o ar é mais friosobre o mare se move emdireção ao continente

o ar se aquece nocontinente e sobe


À noite, o movimento se inverte. Devido, ainda, aos diferentes valores de calores específicos, a terra esfria mais rapidamente. A água demora mais para esfriar. Assim, à noite, o ar mais quente é o que está em contato com a água. Por ser menos denso, ele sobe, dando lugar ao ar mais frio que está em contato com a praia. Produz-se então a brisa da terra para o mar (Brisa Continental ou Brisa Terrestre).

Brisa Marítima X Brisa Continental

Noite

z

o ar se esfria em altitude e desce

AR DE BAIXAPRESSÃO

AR DE ALTAPRESSÃO

o ar mais frio sobre o continente se desloca em direçáo ao mar

o ar mais aquecido sobre o mar sobe


Recipiente termicamente isolado que evita troca de calor entre o seu conteúdo e o meio externo.

Em princípio, um calorímetro ideal não deveria trocar calor com os corpos de seu interior, mas na prática isso ocorre. Portanto, em alguns casos, vamos considerar a capacidade térmica do calorímetro no equacionamento da troca de calor.

Imagem: Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Calorímetro


A garrafa térmica é um tipo de calorímetro.

Calorímetro

Com a finalidade de isolar termicamente o conteúdo de uma garrafa térmica do meio ambiente, adotam-se os seguintes procedimentos:• As paredes internas são feitas de vidro, que,

por ser mau condutor, atenua a troca de calor por condução;

• as paredes internas são duplas, separadas por uma região de vácuo, cuja função é evitar a condução do calor que passa pelas paredes de vidro.

Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic


• O vidro de que são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando assim as trocas por irradiação.

• Para evitar as possíveis trocas de calor por convecção, basta fechar a garrafa, pois dessa forma as massas fluidas internas não conseguem sair do sistema.

• É evidente que não existe o isolamento térmico perfeito; assim, apesar dos cuidados citados, após um tempo relativamente grande (várias horas), o conteúdo da garrafa térmica acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente.

A garrafa térmica é um tipo de calorímetro.

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Calorímetro


Trocas de calorNum sistema de vários corpos, termicamente isolados do meio externo, a soma das quantidades de calor por eles trocados é igual a zero.

𝑸𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐+𝑸𝒓𝒆𝒄𝒆𝒃𝒊𝒅𝒐=𝟎

Para um sistema de n corpos, escrevemos:

𝑄1+𝑄2+𝑄3+⋯+𝑄𝑛=0

No caso de o sistema não estar termicamente isolado ou de o calorímetro não ser ideal, devemos levar em conta a troca de calor dos corpos com o ambiente.

𝑄1+𝑄2+𝑄3+⋯+𝑄𝑛+𝑄𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒=0


Vamos Exercitar?


Exercício 01

(VUNESP-SP) Massas iguais de cinco líquidos distintos, cujos calores específicos estão dados na tabela adiante, encontram-se armazenadas, separadamente e à mesma temperatura, dentro de cinco recipientes com boa isolação e capacidade térmica desprezível. Se cada líquido receber a mesma quantidade de calor, suficiente apenas para aquecê-lo, mas sem alcançar seu ponto de ebulição, aquele que apresentará temperatura mais alta, após o aquecimento, será:

a) a água.b) o petróleo.c) a glicerina.d) o leite.e) o mercúrio.

Tabela

Líquido Calor Específico (J/9°C)

ÁguaPetróleoGlicerinaLeiteMercúrio

4,192,092,433,930,14


Resolução

Pela equação geral da calorimetria (Qs = m.c.∆T), percebemos que a variação de temperatura é inversamente proporcional ao calor específico da substância. Ou seja, vai sofrer MAIOR VARIAÇÃO DE TEMPERATURA aquela substância que apresentar MENOR CALOR ESPECÍFICO.

Resposta:e) o mercúrio: c = 0,14 J/g.ºC

Resposta: e)


Exercício 02

(FUVEST-SP) Um bloco de massa 2,0 kg, ao receber toda energia térmica liberada por 1000 g de água que diminuem a sua temperatura de 1°C, sofre um acréscimo de temperatura de 10°C. O calor específico do bloco, em cal/g.°C, é: (Adote: cágua: 1,0 cal/g.°C)

a) 0,2b) 0,1c) 0,15d) 0,05e) 0,01


Sabemos que:

{𝑚𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜=2,0𝑘𝑔=2000𝑔

∆𝑇𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜=10℃𝑐𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜=?

𝑚á 𝑔𝑢𝑎=1000𝑔∆𝑇 á𝑔𝑢𝑎=1℃

𝑐á𝑔𝑢𝑎=1𝑐𝑎𝑙 /(𝑔 ∙℃)

Resolução

Como todo calor liberado pela água vai ser aproveitado para aquecer o bloco, temos que:

𝑸𝒃𝒍𝒐𝒄𝒐=𝑸á𝒈𝒖𝒂

𝒎𝒃 ∙𝒄𝒃 ∙∆𝑻 𝒃=𝒎𝒂∙𝒄𝒂 ∙∆𝑻 𝒂

𝟐𝟎𝟎𝟎 ∙𝒄𝒃 ∙𝟏𝟎=𝟏𝟎𝟎𝟎 ∙𝟏 ∙𝟏

Substituindo os valores, obtemos:

𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎 ∙𝒄𝒃=𝟏𝟎𝟎𝟎

𝒄𝒃=𝟏𝟎𝟎𝟎𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎

Resposta: d)

𝒄𝒃=𝟎 ,𝟎𝟓𝒄𝒂𝒍 /(𝒈 ∙℃)


Exercício 03

(FATEC-SP) Um frasco contém 20 g de água a 0°C. Em seu interior é colocado um objeto de 50 g de alumínio a 80°C. Os calores específicos da água e do alumínio são respectivamente 1,0 cal/g°C e 0,10 cal/g°C.Supondo não haver troca de calor com o frasco e com o meio ambiente, a temperatura de equilíbrio dessa mistura será:

a) 60°Cb) 16°Cc) 40°Cd) 32°Ce) 10°C


Resolução

Sabemos que: {

𝑚𝐴𝑙=50𝑔𝑇 𝑖 , 𝐴𝑙=80℃

𝑐𝐴𝑙=0,10𝑐𝑎𝑙 /(𝑔 ∙℃)𝑚á𝑔𝑢𝑎=20𝑔𝑇 𝑖 ,á𝑔𝑢𝑎=0℃

𝑐á𝑔𝑢𝑎=1𝑐𝑎𝑙 /(𝑔 ∙℃)𝑇 𝑓 , 𝐴𝑙=𝑇 𝑓 ,á 𝑔𝑢𝑎=𝑇 𝑒𝑞 .

Como não vai haver troca de calor com o meio externo, temos que:

𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒐+𝑸𝒓𝒆𝒄𝒆𝒃𝒊𝒅𝒐=𝟎

𝟓𝟎 ∙𝟎 ,𝟏𝟎 ∙ (𝑻 𝒆𝒒−𝟖𝟎)+𝟐𝟎 ∙𝟏 ∙ (𝑻 𝒆𝒒−𝟎)=𝟎Substituindo os valores, obtemos:

𝑻 𝒆𝒒𝒖𝒊𝒍 í 𝒃𝒓𝒊𝒐=𝟏𝟔℃

𝟓 ∙ (𝑻 𝒆𝒒−𝟖𝟎)+𝟐𝟎 ∙𝑻 𝒆𝒒=𝟎

𝟓 ∙𝑻 𝒆𝒒−𝟒𝟎𝟎+𝟐𝟎 ∙𝑻 𝒆𝒒=𝟎

𝟐𝟓 ∙𝑻 𝒆𝒒−𝟒𝟎𝟎=𝟎 𝟐𝟓 ∙𝑻 𝒆𝒒=𝟒𝟎𝟎

𝑻 𝒆𝒒=𝟒𝟎𝟎𝟐𝟓

Resposta: b)𝑸𝑨𝒍𝒖𝒎 í 𝒏𝒊𝒐+𝑸á𝒈𝒖𝒂=𝟎

𝒎𝑨𝒍 ∙𝒄 𝑨𝒍 ∙∆𝑻 𝑨𝒍+𝒎𝒂 ∙𝒄𝒂 ∙∆𝑻 𝒂=𝟎


Exercício 04

a) o corpo maior é o mais quente.b) o corpo menor é o mais quente.c) não há troca de calor entre os corpos.d) o corpo maior cede calor para o corpo menor.e) o corpo menor cede calor para o corpo maior.

(FEI-SP) Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que:

ResoluçãoComo os corpos estão em equilíbrio térmico, não vai existir calor, visto que CALOR É A ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO devido a diferenças de temperatura entre os corpos.

Resposta: c)


Exercício 05

(PUC-SP - Modificada) É preciso abaixar de 3°C a temperatura da água da bacia, para que o nosso amigo possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água?O caldeirão contém 10 kg de água e o calor específico da água é 1 cal/g°C.

a) 20 kcalb) 10 kcalc) 50 kcald) 30 kcale) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar a resposta.

Imagem: Richfife / Domínio Público


Resolução

Sabemos que:

Da equação geral da calorimetria, temos

Resposta: d)

{𝑚á 𝑔𝑢𝑎=10𝑘𝑔=10000𝑔∆𝑇 á𝑔𝑢𝑎=−3℃

𝑐á𝑔𝑢𝑎=1𝑐𝑎𝑙 / (𝑔 ∙℃)

𝑸𝒔=𝒎á𝒈𝒖𝒂 ∙𝒄á𝒈𝒖𝒂 ∙∆𝑻 á𝒈𝒖𝒂

)

Substituindo os valores, obtemos:

𝑸𝒔=−𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎𝒄𝒂𝒍

𝑸𝒔=−𝟑𝟎𝒌𝒄𝒂𝒍 O sinal negativo indica que o calor foi retirado da água.


ExtrasVÍDEO DO YOUTUBECalor específicoLink: http://www.youtube.com/watch?v=dLZVp4m49kA CalorimetriaLink: http://www.youtube.com/watch?v=X_JR7OpoNxE SIMULAÇÃO COMPUTACIONALTransferência de calor entre um metal e a águaLink: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/heat_metal.html Equilíbrio térmicoLink: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/thermoEquiv.html EXPERIÊNCIAS/ EXPERIMENTOSCapacidade térmica do calorímetro (Determinação)Link: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_32.asp

CURIOSIDADESEquivalente mecânico do calorLink: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/ET_05.asp LISTAS DE EXERCÍCIOSCola da WebLink: http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/calorimetria

http://www.youtube.com/watch?v=dLZVp4m49kA

http://www.youtube.com/watch?v=X_JR7OpoNxE

http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/heat_metal.html

http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/thermoEquiv.html

http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_32.asp

http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/ET_05.asp

http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/calorimetria


Obrigado pela Atenção!


Bibliografia• BENIGNO, Barreto Filho; XAVIER, Cláudio da Silva. Física aula por aula. 1. ed.

Vol. 02. São Paulo: Editora FTD, 2010.• GASPAR, Alberto. Compreendendo a Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Ática,

2011. • GUALTER; HELOU; NEWTON. Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Saraiva, 2011. • MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física. 1. ed. Vol. 02. São

Paulo: Editora Scipione, 2011.• <http://educar.sc.usp.br> Acesso em 12/06/2012.• <http://pt.wikipedia.org> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.ciencia-cultura.com/Pagina_Fis> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.coladaweb.com/fisica> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.fisica.ufs.br> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.fisicafacil.pro.br> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.if.ufrj.br> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.infoescola.com/fisica> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.mundoeducacao.com.br> Acesso em 12/06/2012.• <http://www.sofisica.com.br/conteudos> Acesso em 12/06/2012.

http://educar.sc.usp.br/

http://educar.sc.usp.br/

http://pt.wikipedia.org/

http://www.ciencia-cultura.com/Pagina_Fis

http://www.coladaweb.com/fisica

http://www.fisica.ufs.br/

http://www.fisicafacil.pro.br/

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Tabela de Imagens

n° do slide

direito da imagem como está ao lado da foto

link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso

2 Capture Queen / Creative Commons

Attribution 2.0 Generichttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ameen.jpg 13/09/2012

3 Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametail.jpg?uselang=pt-br

13/09/2012

4 James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Black_Joseph.jpg

13/09/2012

5 James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Black_Joseph.jpg

13/09/2012

6 GRAN / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boiling_water.jpg

13/09/2012

11 Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:(Men_and_camels_in_the_desert.).jpg

13/09/2012

12 Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:(Men_and_camels_in_the_desert.).jpg

13/09/2012

13 Glane23 / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pringles_chips.JPG

13/09/2012

14 Tó campos1 / Domínio Público http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Brisa.jpg 13/09/201217 Akshat Goel / Creative Commons

Attribution-Share Alike 3.0 Unportedhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bomb_Calorimeter.png

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Tabela de Imagens

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18 Henna / Creative Commons Attribution-

Share Alike 1.0 Generichttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermos_bottle.jpg

13/09/2012

19 Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermos_bottle.jpg

13/09/2012

29 Richfife / Domínio Público http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Baby_vs._Bathwater.JPG

13/09/2012

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