CALORIMETRIA

CALOR:

CALORIA:

É a energia transferida de um corpo para outro devido haver uma diferença de temperatura entre eles.

É a energia necessária para variar em 1°C a temperatura de 1g de água.

Logo: 1kcal = 103 cal

1 cal = 10-3 kcal

1cal ≈ 4,186J(Joules)

• A unidade do Sistema Internacional que corresponde a

quantidade de calor é o Joule (J), e por razões históricas,

existe outra unidade,a caloria (cal).

TEMPERATURA:É o estado termodinâmico de um corpo que associamos ao nível médio de agitação de suas partículas

CAPACIDADE TÉRMICA (C) E CALOR ESPECÍFICO (c)

CAPACIDADE TÉRMICA (C): indica a quantidade de calor que um corpo precisa receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade

C = Q ∆ϴ Unidade usual: cal/ºC

C = Capacidade TérmicaQ = Quantidade de Calor∆ϴ = Variação de Temperatura Suponha que um corpo precise receber 100 calorias de energia térmica para que sua temperatura aumente em 5,0ºC. Dividindo esses dados, vamos encontrar a capacidade térmica desse corpo

CALOR ESPECÍFICO (c): indica a quantidade de calor que cada unidade de massa do corpo precisa receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade, ou seja, é a capacidade térmica por unidade de massa do corpo.

c = C = Q m m. ∆ϴ

Supondo que o corpo do exemplo anterior C=20cal/ºC tivesse 100g de massa, seu calor específico seria igual a

m = massa, c = calor específico, C= capacidade térmica

o valor de 20cal/ºC. Isso significa que, para variar 1ºC, ele precisa receber ou ceder 20 calorias.

0,20cal/gºC

Na tabela abaixo apresentamos valores do calor específico de algumas substâncias.

A água tem grande calor específico, se comparada com outras substâncias. Isso explica, por que pela manhã, em regiões litorâneas, o mar está mais frio que a areia. Por ter calor específico maior que o da areia, a água demora mais para se aquecer, pois precisa de maior quantidade de calor para sofrer a mesma variação de temperatura, e também demora mais a resfriar.

SubstânciaCalor

específico (cal/gºC)

Água 1,00

Álcool 0,58

Alumínio 0,219

Chumbo 0,031

Cobre 0,093

Ferro 0,110

Gelo 0,55

Mercúrio 0,033

Prata 0,056

Vidro 0,20

vapor d’água

0,48

CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE

CALOR SENSÍVEL: é o calor que, cedido ou recebido por um corpo, provoca neleuma variação de temperatura.

CALOR LATENTE: energia térmica responsável pelas mudanças de estado

Equação Fundamental da Calorimetria:

c = Q m∆ϴ

∆ϴ= ϴ - ϴo Aumento de temperatura Calor recebidoϴ > ϴo ∆ϴ >0 => Q >0 (Positivo)

Diminuição da temperatura Calor cedidoϴ < ϴo ∆ϴ < 0 => Q < 0 (Negativo)

EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA CALORIMETRIA

m

Cc = ⇒

θ∆= ..cmQ

θ∆= Q

C

mcC .=

⇒ θ∆= .CQ

Logo:

OBS.: A unidade usual de calor específico é cal / g.°C

(caloria por grama vezes grau Celsius.)

A unidade de Calor pode ser em Caloria ou Joule;

1 cal ≈ 4,18 Joules

PRINCÍPIO DA IGUALDADE DAS TROCAS DE CALOR

Para estudar as trocas de calor entre os corpos, é preciso utilizar recipientes especiais cujas paredes sejam isolantes de calor ou adiabáticas (impenetrável).

Em um sistema termicamente isolado:

Não existe troca de calor entre seus componentes e o meio externo

Qrecebida + Qcedida =0

O CALORÍMETRO: é um recipiente metálico e isolado termicamente por um revestimento de isopor, mas que na realidade também participa das trocas de calor, cedendo calor para seu conteúdo ou recebendo calor dele.O CALORÍMETRO IDEAL: seria aquele que além de impedir as trocas de calor entre seu conteúdo e o meio externo, não troca calor com os corpos nele contidos. ”existe apenas na teoria”

Exemplo:

1. (UFRGS) Um corpo de 2 Kg recebe 8000 J de calor e sofre uma variação de temperatura de 100ºC. O valor do calor específico desse corpo, em J/Kg.ºC, é:

Resolução:

θ∆= ..cmQ

)(100.).(2)(8000 CckgJ °=

)(100).(2

)(8000

Ckg

Jc

°=

).(200

)(8000

Ckg

Jc

°=

Ckg

Jc

°=

.40

MUDANÇAS DE ESTADO DE AGREGAÇÃO

Fusão e Solidificação Quando a temperatura atinge um determinado valor, o sólido começa sua

mudança para o estado líquido, o que chamamos de temperatura de fusão e seu valor depende da substância e da pressão externa

A temperatura se mantém constante durante todo o processo de fusão Isto é, a temperatura só volta a subir depois que todo o sólido tiver se

transformado em líquido, pois durante o processo de fusão, o calor é usado não para aumentar a energia cinética das moléculas, mas sim para tirar as moléculas do arranjo cristalino.

Calor de Fusão: Quando uma substância passa do estado sólido para o estado líquido, a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional a massa (m)

Q = Lf . m Lf = Constante O Calor de Fusão é igual ao Calor de solidificação. Assim, no caso da água,

os dois são iguais a 80cal/g, ou seja, Se são necessárias 80 calorias para fundir cada grama de gelo a 0°C, cada grama de água líquida a 0°C precisa perder 80 calorias para se transformar em gelo.Calcule a quantidade de calor necessária para que 200g de gelo a -20ºC sejam transformados em água líquida a 30ºC, são dados:Calor de fusão do gelo: Lf=80cal/gCalor específico do gelo: c=0,50cal/gºCCalor específico da água líquida: c’= 1.0cal/gºC

Na figura a seguir representamos as várias etapas do processo e as quantidades de calor necessárias em cada etapa:

Q1 = m.c. ∆ϴ1

Q2 = Lf.mQ3 = m.c’. ∆ϴ3

Q = Q1 + Q2 + Q3 = 2 000 + 16 000 + 6 000 = 24 000cal

= 200.0,5.20=2 000= 80.200=16 000= 200.1,0.30=6 000

Vaporização e LiquefaçãoA vaporização pode ocorrer de dois modos: EVAPORAÇÃO: é a passagem de uma

substância do estado líquido para o estado de vapor, pode ocorrer a qualquer temperatura. Ex: roupa no varal, devido ter moléculas cuja velocidade é maior do que o valor médio (que está relacionado a temperatura do corpo), de modo que as moléculas mais rápidas conseguem vencer a tensão superficial, escapando para a superfície livre do líquido, transformando-se em vapor. (é um processo mais lento).

EBULIÇÃO: quando a pressão desse vapor fica ligeiramente superior à pressão atmosférica, as bolhas se expandem, sobem e estouram na superfície do líquido.

A temperatura se mantém constante durante a ebulição

Calor de Vaporização Quando uma substância passa do estado líquido para o estado de vapor, a

quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa (m):

Q = Lv.m Lv = Constante O Calor de vaporização é igual ao Calor de liquefação. Assim, no caso da

água, temos o valor de 540cal/g para ambos, ou seja, se são necessárias 540 calorias para vaporizar 1grama de água a 100°C, cada grama de vapor d’água a 100°C precisa perder 540 calorias para se transformar em água líquida.

Calcule a quantidade de calor necessária para transformar 200g de água líquida a 70ºC em vapor de água a 120ºC (sob pressão de 1atm). São dados:c=calor específico da água líquida=1,0cal/g°Cc’=calor específico do vapor d’água=0,48cal/g°CLv=calor de vaporização da água=540cal/g

No diagrama a seguir, representamos as etapas do processo:

Q1 = m.c. ∆ϴQ2 = Lv.mQ3 = m.c’. ∆ϴ’

=200.1,0.30=6 000cal=200.540=108 000cal=200.0,48.20=1 920cal

Q = Q1 + Q2 + Q3 = 6 000cal+108 000cal+1 920cal=115 920cal

Superfusão Quando retiramos calor de um líquido de modo bastante lento, às vezes é

possível levá-lo a uma temperatura inferior à temperatura de solidificação, isto é, a substância está a uma temperatura em que normalmente estaria no estado sólido. Essa situação não é estável. Uma pequena agitação fará com que seja imediatamente solidificada, como por exemplo, quando colocamos uma garrafa de vidro com líquido no congelador, ao retirarmos a garrafa do congelador, ocorre uma pequena agitação e o líquido congela rapidamente.

O experimento de Joule Dentro de um calorímetro foi colocada certa quantidade de água.

Dois corpos suspensos, ao serem libertos, caíam, fazendo girar um conjunto de pás dentro do calorímetro, agitando a água e fazendo sua temperatura variar. Conhecidos os valores das massas dos corpos, da altura de queda e da aceleração da gravidade, Joule calculou o trabalho realizado pelos pesos dos corpos. Por meio do termômetro, ele observou a elevação da temperatura da água e, assim, calculou o valor gerado. Realizando o experimento inúmeras vezes, ele notou uma proporcionalidade entre o calor gerado e o trabalho realizado.

(quantidade de calor) = k (trabalho realizado)K= constanteNa época, Joule usou unidades inglesas: libras, pés, graus Fahrenheit, etc. Transformando para outras unidades, ele obteve:

1cal ≈ 4,186 Newton . metroEm homenagem a Joule, a unidade de energia do SI é o Joule(J).

Assim:1cal ≈ 4,186 Joules = 4,186 J