Núcleo de apoio – Física2UNI – Lista 13 – Calorimetria (versão 3)Data: 23/09/10 Prof. Sérgio T. Mauricio

1) Complete os espaços em branco do texto abaixo, observando as sugestões do banco de palavras.

Calorimetria – calor e temperatura.A calorimetria estuda como se comportam os corpos quando absorvem ou perdem __________.O calor é uma forma de __________. Quando absorvido por um corpo, pode provocar _____________ ou _______________.A temperatura de um corpo é uma medida do grau de _________________________ das moléculas do corpo, ou seja, sua energia interna.

Trocas de calor sem mudança de fase.A relação entre o calor absorvido por um determinado corpo e o quanto sua temperatura varia é a sua ____________________, ou seja quanto maior este valor, maior será o calor que deverá ser absorvido por ele para que sua temperatura aumente de um determinado valor. Por exemplo, se a capacidade térmica de um corpo é de 2000 cal/ C, isto significa que ele precisa absorver ______________ calorias para que sua temperatura varie de _____ C. Se outro corpo precisar de 3000 cal para que sua temperatura aumente em 1 C, então sua capacidade térmica será de ________________. Em outras palavras, o valor da capacidade térmica de um corpo representa a _____________ (facilidade/dificuldade) que ele tem de variar de temperatura.Verificamos que em grande parte dos casos, dentro de determinadas faixas de temperatura, o calor absorvido pelo corpo e sua variação de temperatura são diretamente proporcionais, isto é, a sua __________________ é constante. Expressando esta relação matematicamente fica: ____________.Quando um corpo absorve calor, o aumento em sua temperatura também depende de sua massa. Se dois objetos de mesmo material absorverem a mesma quantidade de calor, o que irá aumentar mais de temperatura será o que tiver ____________ (maior/menor) massa.Se pegarmos, portanto, dois objetos de massas idênticas, o calor absorvido por eles será proporcional às variações em suas temperaturas, porém esta relação pode ser diferente para cada um, ou seja, a temperatura de um pode subir mais rápido que a do outro. Isto depende do ______________ de que o corpo é feito.Portanto, podemos dizer que a quantidade de calor por unidade de massa do corpo é proporcional à sua variação de temperatura, porém esta relação é uma característica do _________________ do corpo e chama-se ____________________________.O valor do calor específico do material representa a ______________ (facilidade/dificuldade) que o material apresenta para variar de temperatura. Isto explica, por exemplo, por que numa praia, em um dia de sol, a areia esquenta muito mais rapidamente que a água do mar – é que a água é um material de _________ (alto/baixo) calor específico, ao contrário da areia. Ou seja: a água é um material que consegue armazenar muita _________________, variando pouco de ______________.A expressão matemática que estabelece a relação entre o calor absorvido por unidade de massa de um corpo e sua variação de temperatura é ___________________________.

Trocas de calor com mudança de fase.Quando um corpo absorve (ou perde) calor e muda de fase, o grau de ___________________ de suas moléculas praticamente não muda, isto é sua temperatura permanece ________________. Os valores de temperatura nos quais podem ocorrer mudanças de fase são característicos de cada material e também da pressão local.Durante uma mudança de fase, a relação entre a quantidade de calor que o corpo absorve (ou perde) e a massa dele que muda de fase é praticamente constante e denomina-se ____________________ de mudança de fase, para o ________________ de que é feito o corpo.A expressão matemática para esta relação é ________________________.

Princípio da conservação da energiaDois corpos somente podem trocar calor – isto é, um dar energia térmica para o outro – se um deles tiver mais energia que o outro. Isto significa que o calor naturalmente passa do corpo com __________ (maior/menor) ______________ para o corpo com _______________ (maior/menor) _________________, até que elas se igualem – o que é denominado estado de equilíbrio térmico.

Em trocas de calor envolvendo vários corpos, vale um princípio dos mais fundamentais e importantes da Física: o da conservação da energia. Ele nos diz que, em um sistema isolado termicamente, isto é, que não troca calor com o meio externo, o calor perdido pelo(s) corpo(s) com ___________ (maior/menor) temperatura é exatamente igual ao calor absorvido pelo(s) corpo(s) com ___________ (maior/menor) temperatura. Matematicamente: ____________________.Tente dar um exemplo disto, numa situação envolvendo dois corpos quaisquer, em um calorímetro, que é um recipiente isolado termicamente do ambiente. Descreva as características dos dois corpos, suas temperaturas, qual perde e qual absorve calor e a relação entre essas duas quantidades.

Banco de palavras: temperatura, energia, calor, mudança de fase, agitação, Q1 + Q2 + Q3 + ... = 0, Q = m.L, Q = m.c., Q = C., capacidade térmica, calor latente, calor específico, material, constante, aumento de temperatura.

2) Sendo o calor específico de um tipo de óleo igual a 0,5 cal/gºC e sua densidade 0,8 g/mL, calcule:a) a massa de 300 mL desse óleo;b) a quantidade de calor, em calorias, que 300 mL desse óleo, a 20ºC, precisam absorver para que sua temperatura aumente para 80ºC;c) essa quantidade de calor em joules, sabendo que 1cal = 4,2 J;d) o tempo necessário para que uma fonte de calor de potência 200 W (ou seja 200 J/s) realize esse aquecimento.

3) Dado o calor latente de fusão do gelo (80 cal/g), calcule a massa de gelo, a 0 ºC, que se funde quando absorve 1600 cal de energia térmica.

4) Uma pessoa retira um cubo de gelo de 20 g de um freezer a –10 ºC e o coloca sobre uma mesa, à temperatura ambiente de 20 ºC, ao nível do mar.a) Se a pessoa esperar o suficiente para que a temperatura do gelo/água se estabilize, qual será esse valor? Suponha que a temperatura ambiente não se altere. Justifique sua resposta.b) Calcule a quantidade de calor transferida pelo __________ ao ____________ até ser atingida a temperatura citada no item a.c) Se a temperatura do item a foi atingida em 90 min, calcule a potência média dissipada pelo cubo de gelo no processo.

5) Para derreter uma barra de um material w de 1kg é necessário aquecê-lo até a temperatura de 1000°C. Sendo a temperatura do ambiente no momento analisado 20°C e o calor específico de w=4,3J/kg.°C, qual a quantidade de calor necessária para derreter a barra?

6) Um bloco de ferro de 10cm³ é resfriado de 300°C para 0°C. Quantas calorias o bloco perde para o ambiente? Dados: densidade do ferro=7,85g/cm³ e calor específico do ferro=0,11cal/g.°C

7) Qual a quantidade de calor absorvida para que 1L d'água congelado e à -20°C vaporize e chegue a temperatura de 130°C.

Dados:Calor latente de fusão da água: L=80cal/gCalor latente de vaporização da água: L=540cal/gCalor específico do gelo: c=0,5cal/g.°CCalor específico da água: c=1cal/g.°CCalor específico da água: c=0,48cal/g.°CDensidade da água: d:1g/cm³1L=1dm³=1000cm³

8) Um bloco de uma material desconhecido e de massa 1kg encontra-se à temperatura de 80°C, ao ser encostado em outro bloco do mesmo material, de massa 500g e que está em temperatura ambiente (20°C). Qual a temperatura que os dois alcançam em contato? Considere que os blocos estejam em um calorímetro.

9) Em uma cozinha, uma chaleira com 1L de água ferve. Para que ela pare, são adicionados 500mL de água à 10°C. Qual a temperatura do equilíbrio do sistema?

RESPOSTAS2) a) 240 g; b) 7200 cal; c) 30240 J; d) 151,2 s; 3) 20 g; 4) a) 20 ºC; b) 2100 cal; c) 1,63 W

5) 1006,45 cal; 6) 2590,5 cal; 7) 744,4 kcal; 8) 60 C; 9) 70 CAJUDA

2) a) (Competência: conhecimento do conceito de densidade) A densidade mede o grau de concentração de matéria dentro de um certo volume. Por exemplo: em qual material você acha que a matéria está mais concentrada: isopor ou ferro? _________________Outra maneira de pensar: imagine dois blocos de mesmo tamanho (ou volume), um de ferro e o outro de isopor. Qual deles pesará mais?Conclua: qual destes dois materiais possui maior densidade? ________________________O valor da densidade exprime a massa por unidade de volume, por exemplo, quantos gramas por centímetro cúbico (g/cm3) ou quantos quilogramas por litro (kg/L) etc.Então, conclua: quando se diz que a água tem densidade de 1 g/cm3, isto quer dizer que cada cm3 de água tem massa de ______. Se o óleo tem densidade de 0,8 g/mL, isto quer dizer que cada mL desse óleo tem massa _________.OK? Muito bem. Agora vamos deduzir uma expressão matemática que relacione a densidade, a massa e o volume de um corpo.Se eu digo que um certo corpo de volume 2 cm3 tem uma massa de 10 g, qual é então a sua densidade? Ou seja: quantos gramas ele tem por cm3?Resposta: ele tem __________ g em 1 cm3, portanto sua densidade é _______________.Qual a conta que você fez para chegar neste resultado?Resposta: _____________________________________Conclua: Então, sendo d a densidade do material, m a massa de um corpo feito desse material e V o seu volume, a expressão matemática que permite calcular a densidade, a partir da massa e do volume é:

b) (Habilidade: estratégia de abordagem de problema de Física) Utilize a expressão matemática que você encontrou no exercício 1, no final da parte que trata das trocas de calor sem mudança de fase. Organize uma lista das informações do enunciado e identifique o que o problema está pedindo, tudo em relação às variáveis que estão relacionadas pela expressão matemática que você pretende utilizar.

c) (Competência: regra de três – grandezas diretamente proporcionais) 1 cal = 4,2 J. Esta é uma relação de proporcionalidade entre essas duas unidades de medida. Toda vez que temos duas grandezas diretamente proporcionais, o problema pode ser resolvido por uma simples regra de três.

d) (Competência: conhecimento do conceito de potência) O conceito de potência está relacionado com a velocidade ou rapidez com que a energia é fornecida ou utilizada. Seu valor corresponde à energia fornecida ou utilizada por unidade de tempo, isto é, por exemplo, quantos joules por segundo (nesse caso, a unidade da potência será o watt).No caso de uma fonte de calor, por exemplo, a sua potência exprime a rapidez com que ela está fornecendo energia térmica (calor) para um corpo. Um aquecedor de 1000 W de potência fornece, portanto ________ J de energia térmica a cada segundo.Um motor elétrico que gasta 1500 J por segundo tem potência __________ W.Agora imagine um motor que gaste 200 J de energia em 2 s. Ele gastará _________ J em 1 s e, portanto, sua potência será de _________ W.A conta que você fez para chegar ao valor da potência foi _______________________.Portanto, expresse matematicamente a relação que permite calcular a potência (P) a partir da energia (E) gasta ou fornecida e do intervalo de tempo (t) no qual ela é gasta ou fornecida:

RESPOSTAS (ajuda):

2a) Ferro; ferro; 1g; 0,8 g; 5 g; 5 g/cm3; Dividi a massa pelo volume;

2d) 1500; 100; 100; dividir a energia gasta pelo intervalo de tempo no qual ela é gasta;