Calorimetria

Aprenda sobre o ramo da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor.

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O Calor

Já sabemos que a temperatura mede o grau de agitação das moléculas. Para que um corpo altere o grau de agitação de suas moléculas, ou seja, altere sua temperatura, ele precisa de energia. A essa energia térmica que se propaga, chamamos de calor.

Calor é a energia térmica em trânsito.

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Se um corpo se resfria, isto é, sua temperatura diminui, ele perdeu calor. Obviamente, se um corpo tem sua temperatura elevada, aquece-se, logo recebeu calor.

A unidade usual de quantidade de calor é a caloria: uma caloria (1 cal) é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água desde 14,5oC até 15,5oC sob pressão normal. No SI, a energia é expressa em joule(J) e a relação entre elas é:

1 cal = 4,18J

Processos de propagação

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O calor pode se propagar por três processos: condução, convecção e irradiação.

CONDUÇÃO
Pelo processo da condução, o calor é transmitido de partícula para partícula. A partícula que recebe energia aumenta seu grau de agitação e esse grau de agitação é passado para as partículas vizinhas. Não há transporte de matéria. Exemplo: uma chama aquecendo uma barra metálica.

CONVECÇÃO
A convecção é uma forma de transmissão de calor que ocorre em fluidos em geral e se baseia nas correntes de convecção com transmissão de matéria.

O ar frio é mais “pesado”, ou seja, tem uma densidade maior, logo em um recipiente contendo ar quente e frio, o ar frio ficará sempre na parte inferior.

As correntes de convecção consistem na constante troca do ar quente, que mais “leve” tende a subir, com o ar frio, mais “pesado”, irá descer.

O refrigerador utiliza as correntes de convecção para manter todo recipiente gelado.

O refrigerador na parte superior resfria o ar da parte superior, que fica mais “pesado” que o ar na parte inferior e dessa forma, ele desce e o ar quente (menos frio) mais “leve” sobe. Este ar ao atingir as camadas superiores se esfria e torna a descer, ao mesmo tempo, o ar que havia descido se aquece e volta a subir e isto se torna um ciclo. Exemplo: o ar condicionado resfriando um cômodo.

IRRADIAÇÃO
Também pode ser chamada de radiação e é o calor se propagando por meio de ondas eletromagnéticas.

As ondas eletromagnéticas se diferenciam das ondas mecânicas, pois não precisam de meio material para se propagarem. Devido a isto, o calor pode se propagar do Sol até a Terra, pois como no espaço há vácuo, o calor não pode se propagar por condução e nem por convecção, só restando a irradiação. A irradiação é o único processo pelo qual o calor pode se propagar no vácuo.

OBSERVAÇÃO

Garrafa Térmica ou Vaso de Dewar é um recipiente criado para manter a temperatura em seu interior o mais constante possível.

Toda garrafa térmica possui características estruturais importantes para evitar as trocas de calor com o meio externo.

1. As paredes internas são de vidro. Por ser mau condutora dificulta as trocas por condução e também são espelhadas a fim de refletir as ondas eletromagnéticas e diminuir as trocas por radiação

2. Entre as duas paredes de vidro, há uma região de vácuo, dificultando ainda mais as trocas por condução.

3. Para evitar as trocas por convecção, basta fechar a garrafa, já que sendo a temperatura interna constante, não haverá surgimento de correntes.

Capacidade térmica

Define-se como capacidade térmica (C) de um corpo a razão entre a quantidade de calor recebida por ele e a variação de temperatura causada por esta quantidade de calor.

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Quando se diz que a capacidade térmica de um corpo é 200cal/oC queremos dizer que para sua temperatura aumentar um grau Celsius ele deve receber 200 cal.

Calor específico

Investigando como a massa de uma mesma substância interfere no aquecimento de uma substância, não foi difícil concluir que para corpos de mesma substância a razão entre a capacidade térmica do corpo e sua massa se mantinha sempre o mesmo valor, que passou a ser denominado calor específico da substância que constitui o corpo (c):

Sua unidade mais usual é o cal/goC que deve ser interpretado como sendo a quantidade de calor necessária para produzir uma variação de 1oC em 1 g da substância.

Equação fundamental da calorimetria

Chamamos quantidade de calor sensível àquela quantidade de calor que provoca no corpo uma determinada variação de temperatura.

A combinação das equações Q = C.Δθ e C = m.c nos leva à equação:

Q = m.cΔθ – Conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria.

Observe que ela permite calcular a quantidade de calor cedida ou recebida (Q), a quantidade de calor sensível, por certa quantidade de massa (m) de uma substância, desde que ela tenha sofrido uma variação de temperatura (Δθ).

Calor latente (L)

Experimentalmente observou-se que em determina-das temperaturas existem certas quantidades de calor que o corpo recebe ou cede e sua temperatura não varia, esta quantidade de calor provoca mudança no estado físico da matéria e foi denominada quantidade de calor latente. Empiricamente viu-se que ela pode ser determinada pela expressão:

Q = m.L

Onde Q é a quantidade de calor necessária para provocar a mudança de estado físico (latente), m é a massa da substância e L, característica da substância e da mudança de estado que ela irá sofrer, denomina-se Calor Latente de Mudança de Estado.

No caso da água:

1. calor latente de fusão do gelo:

2. calor latente de solidificação da água: 

3. calor latente de vaporização da água: 

4. calor latente de liquefação do vapor de água: 

Observe que se um processo é o contrário do outro os valores são iguais, mudando apenas o sinal, que é para ficar claro se a substância deve receber ou ceder calor para que o processo ocorra.

Mudanças de estado físico

Toda substância possui três estados físicos: sólido, líquido e gasoso, quando um corpo passa de um estado para outro, dizemos que ele realizou uma mudança de estado, e, para isto ele deve ceder ou receber uma certa quantidade de calor latente.

A mudança de estado físico de uma substância depende não só da temperatura, mas também depende da pressão submetida. Portanto, uma substância pura pode ser analisada através de seu diagrama de fases, um gráfico p x T.

Ponto T – ponto triplo, onde há a convivência dos três estados.

Curva 1 – curva da fusão, pontos sobre a curva caracterizam a convivência dos estados líquido e sólido.

Curva 2 – curva da valorização, pontos sobre a curva caracterizam a convivência dos estados líquido e vapor.

Curva 3 – curva da sublimação, pontos sobre a curva caracterizam a convivência dos estados sólido e vapor.

Para a água, o diagrama de fases possui uma pequena diferença, isso se dá por seu comportamento anômalo entra a temperatura de 0°C à 4ºC. O volume da água dilata quando sua temperatura diminui nesse intervalo, com isso a curva que separa os estados sólido e líquido é diferente quando comparada à curva de uma substância pura.

Na tabela abaixo temos algumas temperaturas de fusão e ebulição.

SubstânciaTemperatura de FusãoTemperatura de Ebulição
Água0º C100º C
Álcool– 11,4º C78º C
Mercúrio39º C357º C
Zinco420º C907º C
Alumínio660º C2330º C

Se durante a mudança de estado físico a pressão permanece constante, a temperatura permanece constante.

A seguir mostramos um gráfico de aquecimento da água, desde o estado sólido até o estado gasoso.

Fontes de calor

Na maioria das vezes, a fonte fornecedora de energia fornece sempre a mesma quantidade de energia por unidade de tempo, a esta grandeza denominamos Potência (Pot).

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