física (calorimetria)

Professor: Adrianne Mendonça

Calorimetria

Calorimetria:

É a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor.

Energia Térmica:

Quando é analisado microscopicamente um corpo nos estados sólido, líquido e gasoso, nota-se que:

No estado sólido, as partículas que constituem o corpo possuem uma grande vibração em torno de sua posição;

No estado líquido, as partículas, além de vibrarem, apresentam movimento de translação no interior do líquido;

No estado gasoso, as partículas, além de vibrarem intensamente, também transladam com grande velocidade no interior da massa gasosa.

Energia Térmica:

Conclui-se, assim, que: As partículas que constitui os corpos possuem energia de agitação. Esta energia de agitação das partículas do corpo é chamada de energia térmica.

Calor:

Calor é uma forma de energia em trânsito que passa, de maneira espontânea, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

Exemplo: Em um tanque com água a temperatura de 25ºC, foi introduzido uma bloco de aço a 130ºC. Minutos depois, notou-se que o bloco foi se esfriando e a água se aquecendo até ocorrer um equilíbrio térmico.

Obs.: O que aconteceu com a água para elevar sua temperatura? E quem forneceu energia?

Formas de Calor:

Quando um corpo recebe energia, esta pode produzir variação de temperatura ou mudança de estado.

Quando o efeito produzido é a variação de temperatura, dizemos que o corpo recebeu calor sensível.

Se o efeito se traduz pela mudança de fase, o calor recebido pelo corpo é dito calor latente.

A caloria:

Define-se Caloria como sendo a quantidade de calor necessária para que um grama de água pura, sob pressão normal, tenha sua temperatura elevada de 14,5ºC para 15,5ºC.

A unidade de calor, no SI, é o Joule (J);

Ainda se usa bastante a caloria (cal).

1cal = 4,186 J

Capacidade térmica:

Define-se Capacidade térmica como sendo a razão entre a quantidade de calor (Q), que um corpo recebe, e a variação de temperatura ocorrida (Δθ ).

QC

t=

∆

A unidade de capacidade térmica, no SI, é o Joule/Kelvin

(J/K);

Também é encontradocal /º C

Capacidade térmica:

Exercício:Sabendo que dois corpos, A e B, receberam uma quantidade de calor igual a 500 cal, e que as temperaturas se elevaram 50°C e 100°C respectivamente, qual a capacidade térmica dos corpos em Joule/Kelvin e cal /º C?

Calor específico:

As quantidades de calor cedidas a massas iguais da mesma substância ou delas retiradas são diretamente proporcionais às variações de temperatura.

As quantidades de calor cedidas a massas diferentes de uma mesma substância, ou delas retiradas, a fim de produzir variações de temperaturas iguais, são diretamente proporcionais às massas.

O calor específico de uma substância representa a quantidade de calor necessária para que 1 grama da substância eleve a sua temperatura em 1ºC.

Cc

m=

Equação fundamental da calorimetria

A capacidade térmica e o calor específico foram definidos respectivamente como:

Isolando c na segunda equação e substituindo na primeira, obtemos:

QC

t=

∆ C

cm

=

. . Q m c t= ∆

UNIDADES DE MEDIDAS

Unidades usuais Unidades do SIQ............cal...........................Joule (J)m.......grama (g)................quilograma (kg)t.......Celsius (oC)………..…..Kelvin (K)c..........cal/g.oC………….…….J/kg.K

Trocas de calor

Quando dois ou mais corpos, que estão em temperaturas diferentes, são colocados em contato, ocorrem espontaneamente trocas de calor entre eles, que cessam ao ser atingido o equilíbrio térmico.

Para que não haja influência do meio externo nas trocas de calor, é necessário colocá-los em um recipiente isolante térmico chamado calorímetro.

Trocas de calor

Através do balanço energético, conclui se que, em módulo, a somatória dos calores cedidos é igual à somatória dos calores recebidos. Se os sinais são levados em conta, tem-se:

Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = 0

Calor latente

O calor latente, de uma mudança de estado, é a quantidade de calor que a substância recebe ou cede, por unidade de massa, durante a transformação, mantendo-se constante a temperatura, desde que a pressão não se altere. Matematicamente, podemos expressá-lo por:

Sendo: – Q = quantidade total de calor latente trocada no processo– m = massa do corpo– L = calor latente de mudança.

mLQm

QL =→=

Mudança de fase

Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura, podemos alterar o estado de agregação da matéria. Por ora, trataremos da mudança de fase sob pressão constante, variando somente a temperatura. Processos de mudança:

– Fusão: passagem de sólido para líquido; – Solidificação: passagem de líquido para sólido;– Vaporização: passagem de líquido para vapor;– Condensação: passagem de vapor para líquido;– Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor para

sólido, processo também conhecido como cristalização.

Curvas de aquecimento ouresfriamento

Este gráfico será chamado de curva de aquecimento, se o corpo estiver recebendo energia térmica, ou curva de resfriamento, se o corpo estiver cedendo energia térmica.

Leis gerais de mudança

– Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a temperatura se mantém constante.

– Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de fase perfeitamente definida.

– Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também variam.

Influência da pressão na mudançade fase

Curva de fusão

Curva de fusão

- qualquer ponto situado à esquerda da curva de fusão representa as condições de pressão e temperatura para as quais a substância se apresenta na fase sólida.

Curva de Vaporização

Vaporização

Num líquido, as moléculas com maior energia cinética à superfície escapam-se da superfície do líquido formando a fase gasosa. Algumas moléculas mais lentas da fase gasosa e nas proximidades da fase líquida, têm um trajecto oposto, passam à fase líquida.

Num vaso fechado onde se tenha efectuado o vazio, a vaporização do líquido vai tendo lugar até que a certa altura, quando a pressão no interior do vaso atinge um valor máximo, as moléculas regressam à fase líquida de tal modo que a  velocidade de retorno das moléculas ao líquido é igual à velocidade da sua vaporização. Quer dizer é estabelecido um equilíbrio dinâmico entre o líquido e o seu vapor em que a vaporização e a condensação ocorrem à mesma velocidade. 

Temperatura Crítica

Temperatura crítica

É a temperatura acima da qual a substância pode existir somente na forma de gás. Um gás, acima dessa temperatura, não pode ser liquefeito, por mais que a pressão do

sistema seja elevada. Temperatura crítica pode ser definida como aquela tempetatura em que acima dela a

substância pode existir somente na forma de gás. Acima desta temperatura a substância gasosa não pode ser condensada por compressão isotérmica (mantendo a temperatura igual e aumentando a pressão). A temperatura crítica da água é 374,15°C , do álcool etílico é 243,1°C, do ácido carbônico 31,1°C e do hélio é -267,9°C. Isso quer dizer que essas substâncias, em sua respectiva temperatura crítica, será somente gás, mesmo que a injeção de pressão (ou devida redução, em outras substâncias) não irá condensar ou liquefazer o gás.Tomemos como exemplo a própria água: ao nível do mar, com 1 atm de pressão (pressão atmosférica), à 90 ºC, será líquida. A partir de 100 ºC ela passa para o estado de vapor. Se a temperatura for mantida em 100 ºC mas a pressão se elevar, a água irá se liquefazer. Se nessa nova pressão (maior que 1 atm), a água for aquecida até seu "novo" ponto de ebulição, irá ebulir. Novamente, se devida pressão for adicionada a água irá se liquefazer. No entanto, quando a temperatura da água chegar em 374,15 ºC, não poder-se-á liquefazê-la, não importa que pressão for aplicada.

Curva de sublimação

- qualquer ponto situado abaixo da curva de ebulição e à direita da curva de sublimação representa as condições de pressãoe temperatura para as quais a substância se apresenta na fase gasosa.Pelo exposto, podemos notar que as curvas indicam a fase em que uma determinada substância se encontra.

Curva de sublimação

EXERCÍCIOS

. Ao receber 3000 cal, um corpo de 150 g aumenta sua temperatura em 20 °C, sem mudar de fase. Qual o calor específico do material desse corpo?

Resolução: Q = m . c . variação da temperatura

3000 = 150 . c . 20c = 1 cal/g . °C

Obs: Pelo fato de o calor específico ter dado 1cal/g . °C, podemos concluir q essa substância é a água.

EXERCÍCIOS

2. Quantas calorias são necessárias para se aquecer 200 l de água, de 15 °C a 70 °C?

Resolução: Q = m . c . variação da temperatura

Q = 200000 . 1 . (70 – 15)Q = 11000000 cal

EXERCÍCIOS

3. Determine:a) o calor específico do materialb) a capacidade térmica da substância

Resolução/ São dados do exercício:m = 1kg = 1000 gQ = + 400 calt0 = 10 0Ctf = 60 0C.

a) – A variação de temperatura da substância é dada por:∆t = tf – t0∆t = 60 – 10∆t = 50 0C

- Pela equação da quantidade de calor obtemos o calor específico da substância:Q = m.c.∆t400 = 1000 . c . 50400 = 50 000 . c400 / 50 000 = cc = 0,008 (cal / g . 0C )

b) – A capacidade térmica é obtida pela equação C = m.c, logo:C = m.cC = 1000 . 0,008C = 8 cal/0C

Respostas :a) c = 0,008 (cal / g . 0C )b) C = 8 cal/0C