FÍSICA TÉRMICA
CALORIMETRIA Rangel Martins Nunes
Junho de 2018
CONTEÚDOS:
Quantidade de calor;
Unidades de calor; Calor específico;
Calor sensível e calor latente;
Mudanças de estado físico;
O calor específico sensível c de uma substância a quantidade de calor necessária para elevar
(ou baixar) em 1°C a temperatura de um grama de água.
Conceito de Calor
Vimos que o calor é a energia térmica em transito e ocorre quando dois ou mais corpos estão
em temperaturas diferentes. A energia térmica flui até que os corpos atinjam o equilíbrio térmico. No
equilíbrio térmico todos os corpos ficam com a mesma temperatura média. As três formas pelo qual o
calor se propaga: irradiação, condução e convecção. E esta propagação de calor ocorre sempre do
corpo de maior temperatura para o de menor temperatura (o contrário não ocorre naturalmente).
A propagação do calor prossegue
(o mais aquecido se resfria e o mais frio
se aquece) até que os corpos atinjam o
equilíbrio térmico.
Agora iremos abranger um pouco
mais o conceito de calor, tratando da
absorção e emissão de calor por um
corpo em processos de aquecimento e
resfriamento.
A quantidade de calor recebida ou perdida por um corpo em processos de aquecimento e
resfriamento, respectivamente, é determinada pela equação fundamental da calorimetria.
Q = m.c.∆T
A quantidade de calor Q depende da variação da temperatura ∆T e do calor específico sensível
O calor específico sensível da água líquida é c = 1 cal/ (g.°C).
Exemplo 1):
Determine a quantidade de calor que uma fonte térmica deve fornecer a 100g de
água para aquecê-la de 20°C para 80°C.
Vimos que Q = m.c.∆T Q = 100.1.(80-20);
∆T = T – T0 Q = 6000 cal
Exemplo 2):
Determine a potência de uma chapa de aquecimento para aquecer uma massa de 200g de água
de 20°C a 80°C em 2 min?
Primeiro devemos determinar a quantidade de calor que esta massa de água ira absorver: Q = m.c.(T –
T0).
Q = 200.1.(80 20)
Q = 12000 cal
Pot = Q/∆t A potência é expressa em watts (J /s), logo devemos converter o valor de Q para joules:
1 cal ⇒ 4,18J Pot = 50160/(2 x 60)
12000 ⇒ x x = 50160 J Pot = 418 W
Unidades de Calor
As unidades de medidas de calor absorvido ou emitido por um corpo são caloria (cal, Kcal) e
joule (J, KJ, MJ). O joule é a unidade de trabalho e energia do S.I. A relação entre cal e J é a
seguinte: 1 cal ⇒ 4,18 J
Determinação energética dos alimentos
Hoje os alimentos trazem em sua embalagem o teor energético por unidade de massa. Este teor
energético são as famosas calorias, tão discutidas quando o assunto é dieta e saúde alimentar. As
calorias são uma medida de quanta de energia os alimentos podem fornecer para o corpo. Sabemos
que as energias dos alimentos estão nas ligações químicas nas moléculas de açucares e gorduras e esta
energia pode ser desprendida (com a quebra destas moléculas) e armazenada no fígado em forma de
ATP. Podemos determinar experimentalmente este valor energético através da queima destes
alimentos e quantificação do calor desprendido (energia).
Uma amostra do alimento será queimada por uma chama constante, dentro de um calorímetro
termicamente isolado. A queima ocorrerá na parte central do calorímetro; as laterais desta câmara são
preenchidas de água. O método consiste basicamente em determinar o calor absorvido pela água no
processo de queima do alimento.
Etapas:
Primeira fase: O queimador é ligado por um determinado tempo t, sem que haja a amostra de
alimento no interior do calorímetro. O volume de água do calorímetro é aquecido e o aumento de
temperatura é registrado pelo termômetro. Com isso calcula-se a quantidade de calor Q chama que a
água absorveu.
Segunda fase: A amostra de alimento é colocada dentro do calorímetro, a chama é ligada pelo
mesmo tempo t da primeira fase e o alimento é queimado. A água agora absorvera o calor da chama
mais o calor devido à combustão do alimento. Teremos uma quantidade de calor absorvido Q chama
+ Qalimento
A quantidade de calor aliminado, em calorias, apenas pelo alimento (Qalimento)
será, portanto:
Primeira fase Segunda fase
Q chama + alimento - Q chama
Calor Sensível e Calor Latente
Calor Sensível: Quando a substância perde ou ganha calor sem que haja mudança de estado físico e
hienas mudança em sua temperatura. Q pode ter valor negativo ou positivo.
Quantidade de calor positiva (+Q): Q terá valor positivo sempre que o corpo absorver calor. Neste
caso ele sofrerá um aquecimento e a variação de temperatura será positiva.
+Q ⇒ ∆T > 0;
Quantidade de calor negativo (-Q): Q terá valor negativo sempre que o corpo perder calor para o
ambiente ou para outro corpo. Neste caso ele sofrerá um resfriamento e a variação da temperatura será
negativa.
-Q ⇒ ∆T < 0;
Observe a figura abaixo:
Observe que o gelo absorve calor +Q enquanto a substância acima perde calor –Q (para o gelo).
Depois de certo tempo a substância teve sua temperatura diminuída e o gelo aumentou sua temperatura
chegando a mudar de estado físico.
Calor Latente: É a quantidade de calor necessária que um corpo deve perder ou ganhar para que haja
mudança de seu estado físico. O calor latente QL:
QL = m.L
Onde L é o calor latente que pode ser: de fusão (Lf), vaporização (Lv), condensação (Lc) e
solidificação (Ls). Os valores de L são tabelados e como exemplo estudaremos as mudanças
de estado físico na água. Abaixo segue uma tabela com os valores de calor latente da água:
Calores Latentes da ÁGUA Calor absorvido (+)
ou eliminado (-)
Descrição dos valores de
calor latente da água
Calor latente de fusão Ff + 80 cal/g 1g de gelo a 0°C deve
absorver 80 cal para virar
água líquida a 0°C
Calor latente de solidificação Fs - 80 cal/g 1g de água líquida a 0°C
deve perder 80 cal para
formar 1g de gelo a 0°C
Calor latente de vaporização Fv + 540 cal/g 1g de água líquida a 100°C
deve absorver 540 cal para
formar 1g de vapor a 100°C
Calor latente de condensação Fc - 540 cal/g 1g de vapor a 100°C deve
perder 540 cal para formar 1g
de água líquida a 100°C.
Mudanças de Estado Físico
Mudanças de estado físico é mudança no arranjo das moléculas de uma substância devido ao
aquecimento ou resfriamento. No estado sólido temos as moléculas da substancia em seu estado menos
energético e com menor grau de mobilidade; No estado gasoso as moléculas estarão em seu estado
mais energético com máxima mobilidade. O novo arranjo molecular confere a substância novas
propriedades físico – químicas.
Visite: https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-
basics_pt_BR.html (PhET Universidade do Colorado)
Extraído da Internet.
Fusão: é a passagem do estado sólido para o líquido. Ocorre com ganho de calor. No caso da água ela
passa de gelo a água líquida quando recebe 80 cal/g a 0°C então Lf = +80 cal/g. A temperatura só ira
subir quando todo o gelo fundir.
Exemplo:
Qual a quantidade de calor que uma pedra de gelo de 50g deve ganhar para se fundir completamente.
Q = m.Lf
Q = 50.80
Q = 4000 cal
Vaporização: é a passagem do estado líquido para o gasoso. Ocorre também com ganho de calor. A
vaporização de um líquido ocorre por três processos:
Evaporação: Passagem do estado líquido para o gasoso a temperatura ambiente. Trata-se de um
processo superficial onde as moléculas do retículo superficial do liquido – em contato com o ar e a
pressão de 1 atm – ganham energia térmica e escapam da massa líquida. Nas roupas, poças d`’agua,
lagoas etc a água evapora.
Ebulição: Passagem rápida do estado líquido para o gasoso. É um processo turbulento que ocorre a
uma temperatura e pressão específica (para água a 1 atm a temperatura de ebulição é de 100°C). Há a
formação de vapor em vários pontos da massa de água em um processo convectivo.
No caso da água ele passa de água líquida para vapor de água quando recebe +540 cal/g a
100°C (100°C quando a pressão é de 1 atm – 1 atmosfera.) então Lv = +540 cal/g. O vapor só
aumentara de temperatura quando toda água evaporar.
Calefação: Processo de vaporização que ocorre quando o líquido entra em contato com uma superfície
que esteja a uma temperatura superior ao de ebulição deste líquido. Quando uma gota de água entra em
contato com uma superfície de temperatura superior a 100C ela “flutua” sobre um colchão formado
pelo seu próprio vapor.
Diferença entre gás de água e vapor : O vapor que sai da chaleira é um “gás” que esta em
equilíbrio com a massa líquida que está ebulindo. Até a temperatura de 374°C á água é chamado de
vapor e pode ser liquefeita apenas aumentando suficientemente a pressão e/ou abaixando a
temperatura. Acima de 374°C (temperatura crítica da água) temos o gás de água propriamente dito.
Nesta temperatura não se consegue liquefazer a água apenas aumentando a pressão más é necessário
também abaixar a temperatura (abaixo de 100°C).
Exemplo:
Qual a quantidade de calor que devemos fornecer a 100g de água para que evapore totalmente.
Q = m.Lv
Q = 100.540 Q = 54000 cal
Condensação: é a passagem do estado gasoso para o estado líquido. Agora a massa de vapor deve
perder calor para voltar ao estado líquido. Observamos este fenômeno quando o vapor quente bate em
uma superfície metálica e aparecem gotas de água. Neste caso uma massa de vapor de água deve
perder 540 cal/g a 100°C para voltar ao estado líquido. Lc = -540 cal/g. A temperatura da água
baixara só quando toda a água condensar.
Exemplo:
Qual a quantidade de calor que deve perder 10g de vapor para que se
condense completamente. Q = m.Lc
Q = 10.(-540)
Q = - 54000 cal O sinal negativo indica calor perdido
Solidificação: é a passagem do estado líquido para o sólido. Quando colocamos água no
congelador da geladeira a água passa do estado líquido para o estado sólido. Neste caso a massa de
água líquida deve perder 80 cal/g a 0°C. Logo Ls = -80 cal/g. A temperatura do gelo só abaixara
quando toda água congelar.
Diagrama de fases da água: Curvas de Aquecimento e Resfriamento
Nas curvas de aquecimento e resfriamento temos a relação da variação de temperatura por tempo.
Também no eixo das abcissas (eixo x), além do tempo, podemos ter a quantidade de calor (Q) em
calorias ou Joules.
Exemplo 1):
Calcule a quantidade de calor necessário para transformar 100g de gelo a -10°C em água líquida a
80°C. Sabendo que cgelo = 0,5 cal/ (g.°C) e da água líquida cágua = 1,0 cal/ (g.°C).
Q = 8000 cal
Temos três fases: aquecimento do gelo, fusão do gelo, aquecimento da água
líquida.
Aquecimento do gelo (Q1):
Q = m.cgelo.∆T
Q = 100.0,5.(0-(-10))
Q = 500cal
Fusão do gelo
(Q2) Q = m.Lf
Q = 100.80
Q = 8000 cal Aquecimento da água líquida
(Q3) Q = m.cágua. ∆T
Q = 100.1,0.(80-0)
Logo o calor total que 100g de gelo a -10/C deve receber para virar água líquida a 80°C
é de: Q1 + Q2 + Q3 = 500 + 8000 + 8000 = 16500 cal
Fazer em sala de aula (discussão dos conceitos)
Exemplo 2)
Calcule a quantidade de calor que um refrigerador deve retirar de 100 g de água a 80ºC para produzir
100g de gelo a -10ºC.
Exemplo 3)
Determine a quantidade de calor que uma superfície metálica deve retirar de 50g de vapor a 110°C
condensando-o em água a 80°C.
Exemplo 4)
Com relação ao exercício acima, se colocarmos esta água na geladeira, quanto de calor o refrigerador
deve retirar das 110 g de água líquida para solidificá-la em gelo a 0°C.
1) Uma massa de 200 ml de água está a
25°C. Esta massa de água é aquecida por
uma fonte térmica até 90°C. Determine a
quantidade de calorias absorvidas durante o
processo de aquecimento. Considere
cágua liq
= 1 cal/g °C
2) Quantas calorias um refrigerador deve
retirar de 50g de água líquida para resfria-la
de 60°C para 5°C. Considere cágua liq = 1
cal/g C
3) Quantas calorias 100 ml de água a
100°C deve absorver para vaporizar
completamente? Considere Lvap = 540
cal/g.
4) Quantas calorias 50 ml de água a
0°C deve perder para congelar
completamente? Considere Ls = - 80
cal/g.
5) Quantas calorias 100g de vapor a
100°C devem perder para uma superfície
resfriada para se transformar em 100g de
água líquida? Considere Lc = -540 cal/g.
6) Um recipiente de vidro de 200g contem
300 ml de água. A água e o recipiente estão
inicialmente a 25°C. Uma amostra de
alimento é queimada completamente sob o
recipiente, elevando a temperatura deste e
da água para 90°C. Sendo o cágua liq = 1,0
cal/g°C e cvidro = 0,16 cal/g°C, determina a
quantidade aproximada de calorias da
amostra de alimento.
7) Quantas calorias devem ser fornecidas
a uma massa de gelo de 50g a - 5°C para
obtenção de água líquida a 50°C?
Considere cagua liq = 1,0 cal/g°C, Lf = 80
cal/g, cgelo = 0,5 ca/g°C.
8) Quantas calorias devem ser
fornecidos a uma massa de gelo de 10g a -
5C para obtenção de vapor líquida a 150C?
Considere cagua liq = 1,0 cal/g°C, Lf = 80
cal/g, cgelo = 0,5 ca/g°C e cvap = 0,5
cal/g.°C.
9) Na curva de aquecimento padrão da
água abaixo, indique o que acontece em
cada intervalor de calor/ temperatura A, B,
C e D.
10) Para fundir 300g de Ferro é
necessário que um maçarico forneça 64500
cal. Esta quantidade é fornecida
rapidamente devido a alta temperatura da
chama do maçarico. Com esta quantidade
de calor da para aquecer quantos litros de
água de 25°C a 100°C?
11) O gráfico ilustra as transformações
sofridas por 5,0 g de uma substancia que
se encontra inicialmente no estado sólido.
Calcule:
a) O calor específico da substância no
estado sólido e líquido.
b) O calor latente de fusão.
12) Uma barra de 200g de ferro a 110°C
é colocada no interior de um calorímetro
ideal com 2,5 L de água a 25°C. Determine
a temperatura final de equilíbrio térmico.
Considere cFe = 0.11 cal/g°C.
13) Uma amostra de 50g de um
determinado alimento é queimada
totalmente em um calorímetro. O
equipamento possui 250 ml de água a 25°C
e após a queima total da amostra a
temperatura da água é alevada a 90°C.
Determine a quantidade aproximada de
energia contida em uma amostra de 500g
do referido alimento.
14) Um refrigerador – freezer consegue
retirar 100 cal/min de um material que seja
depositado em seu interior. Quanto tempo
será necessário para congelar
completamente 200g de água inicialmente
a 25°C?
RESPOSTAS:
1) 13000 cal 2) -2750 cal 3) 54 kcal 4) -4000
cal 5) – 54 Kcal 6) 21580 cal 7) 6625 cal
8) 7475 cal 9) analise do gráfico 10) 860g de
água 11) a) csolid = 0,1 cal/g°C, cliq = 0,4
cal/g°C b) Lf = 100 cal/g 12) 25,7°C 13) 16,25
Kcal 14) 3,5h
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