Calorimetria

(Parte 1 de 2)

Editora Exato 5

1. INTRODUÇÃO

Vamos considerar uma moeda quente que, quando mergulhada em uma porção de água fria, tem sua temperatura diminuída.

Inicialmente, a temperatura da moeda é maior que a da água. De acordo com a teoria cinética, as moléculas da moeda têm maior agitação que as moléculas de água, ou seja, maior energia cinética média.

Quando a moeda é mergulhada na água, acontece uma transferência de energia das moléculas da moeda para as da água, diminuindo a temperatura da moeda e aumentando a da água. À medida que as temperaturas se igualam, cessa a transferência de energia e, nessa situação, atingimos o equilíbrio térmico. A essa energia transferida da moeda para a água, devido à diferença de temperatura, damos o nome de calor.

Caro aluno, não esqueça!!!

O termo calor é usado para indicar a energia que se transfere de um corpo, ou sistema, a outro, não sendo usado para indicar a energia que um corpo possui.

A unidade de quantidade de calor [Q] no Sistema Internacional é o joule (J). As unidades mais usadas, no entanto, são a caloria (cal) e seu múltiplo, o quilocaloria (kcal).

Definição de caloria ⇒ 1 caloria é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5ºC a 15,5ºC, sob pressão normal. 1 cal = 4,186 J 1 kcal = 103 cal

2. CAPACIDADE TÉRMICA DE UM CORPO (C)

Representa a quantidade de calor necessária para que a temperatura do corpo varie de 1 grau. Siga o exemplo:

Um pedaço de ferro de 100g é aquecido num calorímetro de 20° C para 50° C, recebendo para isso uma quantidade de calor (Q) de aproximadamente 330 cal. Ou seja, precisou de 11cal para aquecer 1° C. Assim, a capacidade térmica desse pedaço de ferro é de 11cal/ºC. Daí, temos que:

C = Capacidade térmica (cal / °C). Q = Quantidade de calor.

∆∆∆∆T = Variação de temperatura.

3. CALOR ESPECÍFICO DE UMA SUBSTÂNCIA (C)

É a razão entre a capacidade térmica C de um corpo constituído da substância considerada e a massa m do corpo:

A capacidade térmica de uma substância depende da natureza e da quantidade da substância. O calor específico depende da natureza da substância, mas não depende da quantidade.

Exemplo:

1kg de ferro tem o mesmo calor específico de 2kg de ferro, mas os 2kg de ferro têm capacidade térmica maior.

Fórmula fundamental da calorimetria Consideremos dois corpos A e B, com tempe- raturas BAT T>, haverá, então, passagem de energia do corpo A para o corpo B, até que os dois tenham a mesma temperatura (equilíbrio térmico). A quantidade de calor trocada entre os corpos A e B pode ser calculada com a expressão abaixo:

Em que: Q = quantidade de calor sensível (cal) m = massa do corpo (g) c = calor específico cal

∆ T = Tf - Ti = variação de temperatura (°C) Se:

Tf ≥ Ti ⇒ Q > 0 (calor recebido pelo corpo)

Tf ≤ Ti ⇒ Q < 0 (calor cedido pelo corpo) Calor sensível → define-se calor sensível como a quantidade de calor dada a uma substância, a fim de que esta sofra apenas uma variação de temperatura, sem que ocorra mudança de fase.

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Calor específico de algumas substâncias:

Substância Calor específico (cal/g°C) Alumínio 0,219

Água 1,0 Estanho 0,055 Ferro 0,119 Gelo 0,550 Mercúrio 0,033

Calor específico da água:

Note, na tabela anterior, que o calor específico da água é bem superior ao das demais substâncias. Na verdade, na natureza, pouquíssimas substâncias possuem calor específico maior. Como exemplo, podemos citar o hélio. O fato de a água possuir elevado calor específico significa que precisamos de uma grande quantidade de calor para produzir uma elevação de temperatura relativamente pequena numa determinada massa d’água. Como conseqüência, o clima de regiões que possuem grandes quantidades de água (como as litorâneas) sofre menores variações de temperatura, tendo, portanto, um clima mais ameno. Isso não ocorre, por exemplo, em desertos, pois a areia tem baixo calor específico.

4. PRINCÍPIO DA IGUALDADE DAS TROCAS DE CALOR

Consideramos vários corpos com temperaturas diferentes colocados em contato, constituindo um sistema termicamente isolado (não troca calor com o meio externo), por exemplo, uma caixa de isopor. Como as temperaturas são diferentes, os corpos trocam calor até atingirem o equilíbrio térmico.

Como não há trocas com o meio externo, a quantidade de calor recebida pelos corpos mais frios é exatamente igual à quantidade de calor cedida pelos corpos mais quentes. Adotando, para quem cede, o sinal negativo, e para quem recebe calor, o sinal positivo; podemos afirmar que: num sistema termicamente isolado, a soma das quantidades de calor recebido e cedido é nula.

0QQ cedidorecebido =∑+∑

5. CALOR LATENTE

É a quantidade de calor que um grama de uma substância precisa ganhar ou perder para mudar de uma fase a outra.

Durante a mudança de fase de uma substância pura, se a pressão permanece constante, a temperatura também permanece constante. LmQ ⋅=

Q = quantidade de calor trocada durante a mudança de fase (cal). m = massa do corpo (g). L = calor latente de mudança de fase (cal /g).

6. CALORÍMETRO

Para medir a quantidade de calor recebida ou cedida por uma substância, usamos um aparelho chamado calorímetro, que tem a propriedade de não efetuar trocas de calor com o ambiente.

Um dos modelos mais simples é o calorímetro de água, com capacidade para cerca de 2 l. É for- mado por um recipiente de cobre, alumínio ou ferro, envolvido por um material isolante, como o isopor, e que contém uma quantidade conhecida de água. Um termômetro é colocado através da tampa do recipiente, a fim de se verificar a temperatura do sistema.

ESTUDO DIRIGIDO 1 O que é calor?

2 Temos duas amostras de ferro, uma têm 1kg e a outra possui 2kg. Pergunta-se: a) Qual das duas tem o maior calor específico? b) Qual possui a maior capacidade térmica?

3 Escreva a equação de calor sensível, diga o que significa cada símbolo, e sua unidade usual.

1 Calcule a quantidade de calor necessária para e- levar a temperatura de 200g de H2O de 20ºC para 30ºC. Use calor específico da água 1cal/gºC.

Resolução:

Utilizando a equação Qmct=∆, temos: Q=200.1(30-20) Q=200.1.10 Q=2000cal

2 Misturam-se 40l de água a 60ºC com 20l de água a 30ºC. Calcule a temperatura final da mistu- ra. Dado 1/ºHOCcalgC=.

Resolução:

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