CalorimetriaProf. MSc. Marcos Macêdo É a parte da física que estuda as trocas de calor entre os sistemas e sua medidas. As sensações de frio ou quente que sentimos em nosso dia-a-dia estão relacionadas às trocas de energia entre nosso corpo e o meio ambiente. A sensação de quente está relacionada ao ganho de energia, e a de frio a perda de energia pelo nosso corpo. Calor Calor é a energia transferida de um corpo para outro em virtude, unicamente, de uma diferença de temperatura entre esses corpos. O termo calor só deve ser usado para designar a energia em trânsito. A transferência de calor para um corpo acarreta um aumento na energia de agitação de seus átomos e moléculas, isso é, acarreta um aumento da energia interna do corpo, o que, em geral, provoca uma elevação na sua temperatura. Portanto, um corpo não possui calor, ele possui energia interna, e quanto maior a sua temperatura, maior a sua energia interna. Unidades de calor Como o calor é uma forma de energia, uma certa quantidade de calor deve ser medida em unidades de energia. No S.I. de unidades, a unidade de energia é o joule (J), e portanto o calor pode ser medido em joules. A relação entre o joule e a caloria é dada por: 1 cal = 4,186 J Capacidade Térmica(C) É a grandeza física que determina o calor que é necessário fornecer a um corpo para produzir neste uma determinada variação térmica. Se um corpo recebe uma quantidade de calor Q e sua temperatura varia de ΔT, a capacidade térmica deste corpo é dada por: . Na figura abaixo, o corpo B tem duas vezes a massa do corpo A, a capacidade térmica dos corpos A e B será: Ou seja, devemos fornecer 5 cal ao corpo A para cada 1 ºC de elevação em sua temperatura. Para o corpo B, devemos fornecer 10 cal para cada Calor Específico(c) O calor específico é uma constante para um dado material, não dependendo da quantidade de massa do material. Dessa forma ele é uma propriedade do material. Se um corpo de massa m tem uma capacidade térmica C, o calor específico, c, do material que constitui o corpo é dado por: Na figura ao lado, teremos três valores para a capacidade térmica do material, C1, C2 e C3. Já o calor específico será o mesmo, ou seja: O calor específico é característico de cada material, sendo encontrado em tabelas de propriedades físico-químicas de substâncias, conforme mostrado ao lado para alguns materiais. O calor específico da água é bem maior do que os calores específicos de quase todas as demais substâncias. Isso significa que, cedendose a mesma quantidade de calor a massas iguais de água e de outra substância, observa-se que a massa de água se aquece menos. O calor específico de um material pode apresentar variações em determinadas circunstâncias. Por exemplo, quando uma substância passa do estado sólido para o estado líquido (ou gasoso), seu calor específico é alterado. Quantidade de Calor Sensível A quantidade de calor Q absorvida ou liberada por um corpo de massa m e calor específico c, quando sua temperatura varia de ΔT, sem que ocorra mudança de estado físico, pode ser calculada pela relação: EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA CALORIMETRIA Ex. 1 Um bloco de ferro com massa de 600g está a uma temperatura de 20ºC. O calor específico do ferro é igual a 0,114 cal/g.ºC. a) Qual a quantidade de calor que o bloco deve receber para que sua temperatura passe de 20ºC a 50ºC. b) Qual a quantidade de calor que o bloco deve ceder para que sua temperatura varie de 20ºC a -5ºC. Ex. 2 Um pequeno aquecedor elétrico de imersão é usado para aquecer 100g de água para uma xícara de café instantâneo. O aquecedor está rotulado com 200W, o que significa que ele converte energia elétrica em energia térmica com essa taxa. Calcule o tempo necessário para levar toda essa água de 23ºC para 100ºC , ignorando quaisquer perdas. Quantidade de calor latente A temperatura do material não aumenta necessariamente Quando uma quantidade de calor é fornecida ou retirada de um corpo, não modifica a sua temperatura ,mas produz mudança de seu estado de agregação ou mudança fase, é denominado quantidade de calor latente. Exemplo 1 Exemplo 2 O gálio é um metal cujo ponto de fusão é 30°C, à pressão normal; por isso, ele pode liquefazer-se inteiramente quando colocado na palma da mão de uma pessoa. Sabe-seque o calor específico e o calor latente de fusão do gálio são,respectivamente, 410 J/(kg.°C) e 80000 J/kg. a) Qual a quantidade de calor que um fragmento de gálio de massa 25 g, inicialmente a10°C, absorve para fundir-se integralmente quando colocado na mão de uma pessoa? b) Construa o gráfico t (°C) x Q (J) que representa esse processo, supondo que ele comece a 10°C e termine quando o fragmento de gálio se funde integralmente. Curva de Aquecimento PRINCÍPIO GERAL DAS TROCAS DE CALOR Se dois ou mais corpos trocam calor entre si, a soma algébrica das quantidades de calor trocadas pelos corpos, até o estabelecimento do equilíbrio térmico, é NULA Qcedido Qrecebido 0 EXEMPLOS Que massa de vapor d’água a 100ºC deve ser misturada com 150g de gelo no seu ponto de fusão, em um recipiente isolado termicamente, para produzir água líquida a 50ºC ? Uma garrafa térmica isolada contém 130 cm³ de café quente, a uma temperatura de 80ºC.Você insere um cubo de gelo de 12g no seu ponto de fusão para esfriar o café. De quantos graus o seu café esfriou quando o gelo se derreteu? Trate o café como se ele fosse água pura e despreze as transferências de energia para o ambiente. Um pedaço de 0,5 kg de um metal é aquecido até 200ºC dentro de um calorímetro ideal contendo 0,4 kg de água inicialmente em 20ºC. Se a temperatura de equilíbrio do sistema metal-água é 22,4ºC. Encontre qual o calor especifico do metal. Calorímetro O instrumento que serve para medir a quantidade de calor é o calorímetro. Este é constituído por um recipiente onde se coloca água; possui uma tampa que permite fechá-lo perfeitamente; esta isolado termicamente, o melhor possível, do ambiente exterior. Um termômetro, que fica sempre imerso, assinala a temperatura da água contida no calorímetro. Equivalente em água de uma substância: é a quantidade de água que apresenta o mesmo comportamento térmico de uma massa qualquer de outra substância. Numericamente é igual à capacidade térmica da substância. Exemplo 1: a capacidade térmica de 100 g de cobre é igual a 9,3 cal/ ºC O equivalente em água é: Eágua = 9,3 g Significa que 9,3 g de água têm o mesmo comportamento térmico que 100 g de cobre.