calorimetria i

Professor Marco Antonio – Abril 2015

Como vimos anteriormente

Calor é a energia térmica em trânsito devido à diferença de temperatura existente, fluindo espontaneamente do sistema de maior para o de menor temperatura.

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Para medir as quantidades de calor utilizaremos a unidade SI joule (J)

ou outra, muito comum em Termologia, que é a caloria (cal)

1 caloria = 4,2 joules

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Propagação do calor

Condução térmica

A condução térmica é a propagação de calor na qual a energia (térmica) se transmite de partícula para partícula.

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Condução térmica

• Nessa forma de propagação, ocorrem colisões entre as partículas (como átomos e moléculas), alterando sua agitação térmica.

• Na condução, não há transporte de partículas através do corpo sólido, apenas interações entre partículas vizinhas.

• A condução térmica é muito re duzida nos meios líquidos e gasosos, e naturalmente não ocorre no vácuo.

Observe que:

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Condução térmica

Cada material tem uma capacidade própria de conduzir calor, relacionada diretamente com o tipo de substância e a natureza das ligações que o compõem.

Se a condução for nula ou bastante reduzida, o material é dito isolante térmico. Caso contrário:• bons condutores: são os metais

em geral, como prata, ouro, alumínio, etc

• maus condutores: gelo, água líquida, madeira, lã, etc

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Condução térmica

É a propagação de calor na qual a energia (térmica) se transmite de partícula para partícula, sem transporte de energia.

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Convecção térmica

A convecção térmica é a propagação de calor na qual a energia térmica se transmite mediante o transporte de matéria (correntes de convecção).

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• Nessa forma de propagação, acontece o deslocamento de partículas de uma posição para outra.

• Sen do assim observável somente em meios fluidos, ou seja, em meios líquidos e gasosos.

Observe que:

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Nas regiões próximas ao litoral, em dias normais, sopram brisas marítimas em direção ao continente durante o dia, e brisas terrestres da costa para o oceano, no decorrer da noite.

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Convecção térmicaO fenômeno natural da inversão térmica é uma alteração do sentido de movimentação das correntes atmosféricas, por convecção. Quando isso ocorre sobre as grandes cidades, temos um pro blema sério, porque é pela convecção que são espalhados os poluen tes.

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Irradiação térmica

A irradiação térmica ou radiação térmica é a propaga ção de calor na qual a energia (térmica) se transmite através de ondas eletromagnéticas.

O Sol aquece a Terra por irradiação térmica

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Irradiação térmica

• Nessa forma de propagação, a velocidade das ondas é extremamen te elevada em vários meios materiais, como o ar, o vidro, a água, etc.

• No vácuo ela também ocorre (ao contrário da condução e da convecção).

• A energia radiante emitida por um corpo é propa gada principalmente por raios infravermelhos; esse fato é útil no mapeamento de vegetações, sensores de pre sença etc.

Observe que:

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Irradiação térmicaPro

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Garrafa térmica

Veja como isso acontece:• a condução é evitada pelo ar rarefeito

colocado entre as paredes duplas e pela tampa isolante;

• a convecção também é eliminada pelo ar rarefeito e pela tampa;

• a irradiação é dificultada pelas paredes espelhadas, que refletem as radiações, tanto interna como exter namente.

Uma garrafa térmica é construída para impedir a tro ca de calor entre o conteúdo e o ambiente externo.

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Garrafa térmica

Uma garrafa térmica é construída para impedir a tro ca de calor entre o conteúdo e o ambiente externo.

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Resumindo tudoPro

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Calor sensível e calor latente

Calor sensívelC

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Calor sensível é o calor trocado que faz com que uma substância sofra variação tão somente de temperatura.

Calor latente

Quando a transferência de calor provoca tão-somente a mudança de estado físico da substân cia, mantendo-se constante a temperatura, ele será denominado calor latente.

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Curva de aquecimentoC

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Quantidade de calor sensível

𝑄=𝑚 .𝑐 .∆ 𝑡Onde:• Q é a quantidade de calor recebida ou cedida• m é a massa• c é o calor específico da substância• ∆t é a variação da temperatura

Observe que:• Se Q > 0 o corpo recebeu (ganhou) calor• Se Q < 0 o corpo cedeu (perdeu) calor.

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Capacidade térmica

𝐶=𝑚 .𝑐Onde:• C é a capacidade

térmica do corpo• m é a massa• c é o calor específico

da substância

Capacidade térmica é a quantidade de calor que um corpo necessita perder ou absorver para que sua temperatura sofra uma variação unitária (1º C).

A perda ou absorção de calor é diretamente proporcional à Capacidade Térmica do corpo.C

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Capacidade térmicaCapacidade térmica é a quantidade de calor que um corpo necessita perder ou absorver para que sua temperatura sofra uma variação unitária (1º C).

A perda ou absorção de calor é diretamente proporcional à Capacidade Térmica do corpo.

A capacidade térmica é utilizada quando trabalhamos com objetos formados por vários materiais (não há um único calor específico)

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Quantidade de calor latente

𝑄=𝑚 .𝐿Onde:• Q é a quantidade de calor recebida ou

cedida• m é a massa• L é o calor latente de mudança de fase:o Lfusão = 80 cal/go Lvaporização = 540 cal/g

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Calor sensível e calor latenteC

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Aplicação

Aplicação

ER3. Um bloco de ferro, de massa 1 kg, é resfriado de 100°C para 20°C. Dado o calor específico do ferro igual a 0,11 cal/gºC. Calcule:a) a quantidade de calor sensível que o bloco deve ceder;b) a capacidade térmica do bloco.

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Aplicação

ER4. O diagrama temperatura x tempo da figura re-fere-se ao que acontece quando uma barra de metal de 100 g de massa recebe calor de uma fonte de po tência constante à razão de 200 cal/min. Com base nessas

informações, determine:a) a quantidade de calor

sensível recebida pela barra nos 5 minutos iniciais;

b) o calor específico do metal.

Anote aiO fluxo de calor é dado por:

𝜑=𝑄∆ 𝑡

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AplicaçãoC

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ER5. Qual é a quantidade de calor latente necessária para fundir 1 kg de gelo, a 0 °C? O calor latente de fusão do gelo é de 80 cal/g.

ER6. Qual é a quantidade de calor necessária para fundir 100 g de gelo, inicialmente a -10 °C? O calor específico do gelo é igual a 0,5cal/gC e o caloe latente de fusão do gelo é de 80 cal/g.

Princípio da igualdade das trocas de calor

Princípio da igualdade das trocas de calorTr

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rConsidere dois corpos, A e B, com tempera turas diferentes (ΘA > Θ B) no interior de um recipiente ter micamente isolado e de capacidade térmica desprezíve.

Haverá transferência de calor do corpo A para o corpo B até que os dois corpos atinjam o equilíbrio térmico.


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Quando dois ou mais corpos trocam calor entre si, até estabelecer-se o equilíbrio térmico, é nula a soma das quantidades de calor trocas por eles.

O líquido A, a 40ºC, ao ser misturado com o líquido B, a 20ºC, fornece calor a ele, de modo que a mistura dos dois tem uma temperatura de equilíbrio de 32ºC.


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rA soma algébrica das quantidades de calor trocadas entre n corpos em um sistema termicamente isolado é nula:

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

É importante destacar que:

• Quando os recipientes trocam calor com um líquido, devemos considerar sua capacidade térmica.

• Os calorímetros são recipientes termicamente isolados do ambiente externo.

• Um recipiente que não admite absolutamente nenhuma troca de calor com o meio externo é dito adiabático.


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Equivalente em águaTr

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Denomina-se Equivalente em água de um corpo, à massa de água que é numericamente igual à capacidade térmica desse corpo.

𝑚á 𝑔𝑢𝑎=𝐶𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜

Aplicação

AplicaçãoER7. Uma jovem mãe coloca 200 L de água em uma piscina infantil no quintal de sua casa e verifica que a temperatura é de 20°C. Decide, então, esquentar 5 L de água até 100 °C e misturá-los com a água da piscina. Sua intenção, naturalmente, é que seus filhos possam se divertir em uma água um pouco mais quente. Será que o objetivo dessa dedicada mãe foi satisfeito a contento? Qual terá sido a temperatura de equilíbrio da mistura final de água na piscina?

ER8. Em um experimento, usa-se um calorímetro de capacidade térmica igual a 100 cal/°C, contendo 500 g de água a 20 °C. Um pedaço de gelo em fusão é colocado no calorímetro, obtendo-se o equilíbrio térmico a 5 °C. Então, qual era a massa desse gelo? O calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g e o calor específico da água é igual a 1 cal/gºC.

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Aplicação

1. O alumínio tem calor específico igual a 0,20 cal/gºC e a água líquida, 1,0 cal/gºC. Um corpo de alumínio, de massa 10 g e à tem peratura de 80ºC, é colocado em 10 g de água à temperatura de 20ºC. Considerando que só há tro cas de calor entre o alumínio e a água, determine a temperatura final de equilíbrio térmico.2. Um corpo de massa 200 g a 50ºC, feito de um material desconhecido, é mergulhado em 50 g de água líquida a 90ºC. O equilíbrio térmico se estabelece a 60 ºC. Sendo 1,0 cal/gºC o calor específico da água, e admitindo só haver trocas de calor entre o corpo e a água, determine o calor específico do material desconhecido.

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Aplicação3. (UFPE) Um calorímetro, de capacidade térmica desprezível, contém 100 g de água a 15 °C. Adiciona-se no interior do calorímetro uma peça de metal de 200 g, à temperatura de 95 °C. Verifica-se que a temperatura final de equilíbrio é de 20 °C. Qual o calor específico do metal, em cal/g °C?

4. No interior de um calorímetro são misturados 300 g de água a 80o C com 700 g de água a 10o C. Qual é a temperatura final da mistura? Despreze a capacidade calorífica do calorímetro.

5. (OSEC-SP) Num calorímetro, contendo 200 g de água a 10o C, coloca-se um bloco de ferro, de 500 g, a 110o C. Sendo 0,11 cal/g º C o calor específico do ferro e desprezando-se o calor absorvido pelo calorímetro, calcule a temperatura de equilíbrio do sistema.

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Exercícios de fixação

Exercícios de fixaçãoC

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EP3. Por que motivo, quando você coloca sua mão dentro de um forno quente por pouco tempo, não sofre queimaduras, ao contrário do que se tocasse na parede interna de metal?

EP8. Os raios infravermelhos ficam retidos dentro de uma estufa de plantas porque:a) eles não se propagam mais pelo ar quente;b) a convecção evita que eles sejam irradiados;c) o vidro dificulta a sua passagem, impedindo que saia da estufa;d) ocorre inversão térmica dentro da estufa;e) não existe vácuo no interior da estufa.


EP15. Um bloco de cobre, de massa 0,1 kg, é aque cido de 5 °C para 65 °C. Dado o seu calor específico igual a 0,094 cal/gºC, calcule:a) a quantidade de calor sensível que o bloco recebe;b) a capacidade térmica desse bloco;

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EP16. O fluxo de calor refere-se a certa quantidade de calor que flui de um corpo para outro (ou da fonte para o receptor), por unidade de tempo. Se uma fon te térmica fornecer energia, sob um regime constan te, igual a 500 cal/s, então poderá aquecer 1,5 kg de água, de 20 °C a 21 °C, em quanto tempo? É dado o calor específico da água: cágua = 1 cal/gºC. Despreze as eventuais perdas de calor,


EP17. O diagrama a seguir refere-se ao fenômeno que ocorre com uma porção líquida de 50 g de mas sa. Ela cede energia térmica à razão de 150 cal/min.

Com base nessas informações, obtenha:a) a quantidade de calor sensível cedida pela porção considerada, nos 2 minutos iniciais;b) o calor específico do líquido.

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EP19. Uma quantidade de 5,4 kcal de calor faz derreter 180 g de um corpo sólido constituído por determinada substância em ponto de fusão. Qual é o calor latente de fusão dessa substância, em cal/g?

EP20. Que quantidade de calor é necessária para fundir 70 g de gelo, inicialmente a -20 °C? O calor específico do gelo é igual a 0,5 g cal/g °C e o calor latente de fusão do gelo é de 80 cal/g.

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Exercícios de fixaçãoEP21. O diagrama mostra a variação da tempera tura em função do tempo de um sistema constituí do por uma porção de água de 150 g de massa, inicialmente a 40 °C. O calor específico da água é igual a 1cal/gºC e o calor latente de vaporização é de 540cal/g.

a) Quantas calorias a água recebe entre os instantes 3 e 6 minutos? b) Identifique o estado físico do sistema logo após 6 minutos.c) Qual deve ser a potência média da fonte de calor, desprezando-se as perdas para o ambiente, nos primeiros 3 minutos de aquecimento, em cal/s?

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Exercícios de fixação1- (VUNESP-SP) o calor específico de uma substância é 0,2 cal/g °C. Isso significa que, se 100 gramas dessa substância absorverem 600 calorias de energia térmica, sem mudança de estado, a sua temperatura, em °C, vai se elevar de:2- (PUC-SP) É preciso abaixar de 3 °C a temperatura da água do caldeirão, para que o nosso amigo possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água? O caldeirão contém 104 g de água e o calor específico da água é 1 cal/g oC.C

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Exercícios de fixação3- Misturam-se m1 = 40 g de óleo na temperatura θ1 = 50 °C com m2 = 60 g de óleo na temperatura θ2 = 10 oC. Qual a temperatura de equilíbrio térmico?

4- Em um recipiente de capacidade térmica desprezível, são misturados 100 g de água a 80°C com 100 g de água a 40 oC. Qual a temperatura final da mistura?

5- Um calorímetro contém 70 g de água a 10 °C. Derramam-se nele 50 g de água a 50 °C e a temperatura de equilíbrio resultante é 20 °C. Determine a capacidade térmica do calorímetro. Dado: cágua. = 1,0 cal/g °C.

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FIM

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