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FÍSICA, 2º ANOCalor sensível, capacidade térmica e calor específico

Física IICALORIMETRIA

Prof. Dr. Luciano Soares Pedroso

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

Algumas curiosidades...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

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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.

CalorCalor

Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica

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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 Joseph Black (1728 – 1799)(1728 – 1799)

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

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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 Joseph Black (1728 – 1799)(1728 – 1799)

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

Calor SensívelCalor Sensível

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

Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License

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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 CalorUnidade de medida de Calor

1 cal = 4,18 J1 cal = 4,18 J

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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.

Exemplo:

46ºC46ºC

26ºC26ºC

Neste caso, temos:

Logo:

Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura desse corpo em 1 ºC, precisaremos fornecer a ele 2 cal.

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

Calor Específico

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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:

Logo:Logo:27ºC27ºC

26ºC26ºC

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Equação Fundamental da Calorimetria

Como

Temos que:

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.

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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

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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

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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

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CuriosidadeBrisa Marítima X Brisa ContinentalPor 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

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Brisa Marítima X Brisa ContinentalDurante 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

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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

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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

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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

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• 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

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FÍSICA, 2º Ano do Ensino MédioCalor sensível, capacidade térmica e calor específicoTrocas de calor - ∑Q = 0

Aparelho utilizado em laboratório com o objetivo de realizar experiências envolvendo trocas de calor entre corpos ou substâncias, evitando a perda de calor.

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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.

Para um sistema de n corpos, escrevemos:

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.

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Vamos Exercitar?

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Trocas de calorUm recipiente termicamente isolado contém 500g de água na qual se mergulha uma barra metálica homogênea de 250g. A temperatura inicial da água é 25,0°C e a da barra 80,0°C. Considerando o calor específico da água igual a 1,00 cal/g.°C, o do metal igual a 0,056 cal/g.°C e desprezando a capacidade térmica do recipiente, determine a temperatura do equilíbrio térmico.

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Exercício 01Massas 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

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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)

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Exercício 02Um 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

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Sabemos que:

Resolução

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

Substituindo os valores, obtemos:

Resposta: d)

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Exercício 03Um 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

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Resolução

Sabemos que:

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

Substituindo os valores, obtemos:

Resposta: b)

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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.

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)

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Exercício 05É 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

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Resolução

Sabemos que:

Da equação geral da calorimetria, temos

Resposta: d)

Substituindo os valores, obtemos:

O sinal negativo indica que o calor foi retirado da água.

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Calor latenteO calor latente, de uma mudança de estado, é a quantidade de calor que a substância recebe ou cede, por unidade de massa, durante a transformação, mantendo-se constante a temperatura, desde que a pressão não se altere. Matematicamente, podemos expressá-lo por:

Sendo: – Q = quantidade total de calor latente trocada no processo– m = massa do corpo– L = calor latente de mudança.

mLQmQL

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Mudança de fase

Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura, podemos alterar o estado de agregação da matéria. Por ora, trataremos da mudança de fase sob pressão constante, variando somente a temperatura. Processos de mudança:

– Fusão: passagem de sólido para líquido; – Solidificação: passagem de líquido para sólido;– Vaporização: passagem de líquido para vapor;– Condensação: passagem de vapor para líquido;– Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor para sólido, processo também

conhecido como cristalização.

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Curvas de aquecimento ouresfriamento

Este gráfico será chamado de curva de aquecimento, se o corpo estiver recebendo energia térmica, ou curva de resfriamento, se o corpo estiver cedendo energia térmica.

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Leis gerais de mudança

– Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a temperatura se mantém constante.

– Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de fase perfeitamente definida.

– Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também variam.

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Influência da pressão na mudançade fase

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Curva de fusão

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Curva de Vaporização

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Temperatura Crítica

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Curva de sublimação

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Calcule a quantidade de calor necessária para transformar 100 g de gelo a - 10o C em água a 20o ?Dados: calor específico do gelo = 0,5 cal / g oC calor latente de fusão do gelo = 80 cal / g calor específico da água = 1 cal / g oC

Solução:

O gelo se encontra numa temperatura abaixo do ponto de fusão, neste caso será aquecido de - 10o C até o seu ponto de fusão (0o C): Q = m . c . t

Q1 = m . c . t Q1 = 100 . 0,5 . (0 - (-10))

Q1 = 50 . (10 ) Q1 = 500 Q1 = 500 cal

1a parte:

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FÍSICA, 2º Ano do Ensino MédioCalor sensível, capacidade térmica e calor específico2a parte:

Chegando a 0 oC, o gelo agora se encontra na temperatura do ponto de fusão, neste caso sofrerá mudança de fase: Q = m . L

Q2 = m . L Q2 = 100 . 80 Q2 = 8 000

Q2 = 8 000 cal

3a parte:

O gelo agora já se transformou em água e esta água será aquecida de 0o C até 20o C:

Q = m . c . t

Q3 = m . c . t Q3 = 100 . 1 . (20 - 0)

Q3 = 100 . 20 Q3 = 2 000 Q3 = 2 000 cal

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Cálculo final: Devemos agora somar ...

Q1 = 500 cal Q2 = 8 000 cal Q3 = 2 000 cal

Resposta:

Q = 10 500 cal