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Page 1: Fís. · Semana 18 Leonardo Gomes ... É o calor absorvido ou cedido por um corpo que tem ... Em um calorímetro de capacidade térmica igual a C = 1700 J/°C,

Fís. Semana 18

Leonardo Gomes(Caio Rodrigues)

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Calorimetria14jun

01. Exercícios de Aula

02. Exercícios de Casa

03. Questão Contexto

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s.

RESUMOCalor nada mais é do que a terminologia que desig-

na energia térmica em trânsito, ou seja, transferên-

cia térmica de energia de um sistema a outro. Assim,

Calor não é uma propriedade dos sistemas termo-

dinâmicos, e por tal não é correto afirmar que um

corpo possui mais calor que outro, e tampouco é

correto afirmar que um corpo “possui” calor, muito

menos que “está fazendo calor”. Sua dimensão pode

ser dada em calorimetria (cal), mas, pelo SI, o corre-

to é joule (J). A taxa de conversão é: 1 cal = 4,1868 J.

Para fins práticos, definimos duas diferentes termi-

nologias:

Calor Sensível

É o calor absorvido ou cedido por um corpo que tem

como consequência a variação da energia (cinética)

interna, a qual é observada diretamente na tempe-

ratura do corpo em questão. O nome “calor sensí-

vel” faz referência ao fato de que tais trocas podem

ser observadas através da variação de temperatura,

nunca incorrendo em transição de fase de primeira

ordem.

Calor Latente

É o calor cedido ou absorvido por um corpo que tem

como consequência a variação da energia potencial

intermolecular. O corpo que absorve ou distribui,

mantém sua temperatura constante, porém passa

por mudança de estado físico. É o que acontece, por

exemplo, em mudanças de fase.

Definição de temperatura

Temperatura é uma grandeza física que mensura a

energia cinética média de cada grau de liberdade de

cada uma das partículas de um sistema em equilí-

brio térmico. Ou seja, a rigor, temperatura é definida

apenas para sistemas em equilíbrio térmico.

A temperatura não é uma medida de calor, mas a

diferença de temperaturas é responsável pela trans-

ferência de energia térmica na forma de calor entre

dois ou mais sistemas.

Existem diferentes grandezas para expressar a tem-

peratura, no entanto a grandeza, no SI, que mede a

temperatura absoluta é a medida Kelvin (K), que é

diretamente proporcional à quantidade de energia

térmica em um sistema.

Outras grandezas

✓ Capacidade térmica

É a razão entre a quantidade de calor recebida (ou

cedida) (Q) por um corpo e a variação de temperatu-

ra (∆θ) deste corpo, dada por:

A unidade usual para essa medida é: cal/°C.

✓ Calor específico

Aqui partimos da seguinte constatação: “A quanti-

dade de calor Q recebida (ou cedida) por um corpo

é diretamente proporcional à sua massa m e à varia-

ção de temperatura ∆θ sofrida pelo corpo”. Assim:

Essa fórmula é conhecida como a Equação Funda-

mental da Calorimetria. O coeficiente de proporcio-

nalidade c depende do material e é denominado ca-

lor específico, sua unidade usual é cal/g.°C, a partir

de seu isolamento da equação:

Dessa forma, a partir das equações dadas, podemos

concluir que:

Ou seja: C = m.c

Logo, a capacidade térmica de um corpo pode ser

expressa como o produto se sua massa pelo calor

específico do material que o constitui.

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Trocas de calor e Equilíbrio Térmico

Se dois ou mais corpos trocam calor entre si, a soma

algébrica das quantidades de calor trocadas pelos

corpos, até o estabelecimento do equilíbrio térmi-

co é nula.

Ou seja,

Fluxo de Calor

Sabemos que, espontaneamente, o calor sempre se

propaga de um corpo com maior temperatura para

um corpo com menor temperatura.

O fluxo de calor ∅ através de uma superfície pode

ser definido como a razão entre a quantidade de ca-

lor Q que atravessa a superfície e o intervalo de tem-

po decorrido ∆t:

São tantas aplicações práticas deste assunto que

poderíamos enumerar diversos fatos do cotidiano,

desde aspectos envolvendo o mundo subatômico

até aspectos envolvendo as galáxias e, principal-

mente, o dia a dia de cada um. De toda forma, va-

mos ver alguns fatos interessantes.

Na Prática 1. Já percebeu que, depois

que chove, é comum a calçada continuar molhada

por um tempo maior do que o asfalto, que logo fica

seco? Isso ocorre devido ao calor específico das

substâncias que constituem o asfalto e a calçada.

Como o asfalto possui calor específico menor do

que a calçada, sua temperatura, para uma mesma

quantidade de calor (provinda, principalmente, de

energia solar), varia mais do que a temperatura da

calçada, o que faz com que a calçada permaneça

úmida por mais tempo. Isso também justifica o fato

de o asfalto, em dias quentes, estar mais “quente” do

que a calçada.

Na Prática 2. A PRAIA!

Da próxima vez que você for à praia não vai pensar

em outra coisa senão em Física e, principalmente,

em Calorimetria.

(Lembre-se: é um fato que a água possui um alto ca-

lor específico, por isso ela “regula bem” a variação

de temperatura de sistemas)

Imagine a situação: você chega à praia e põe o pé

naquela areia quente, e sente seus pés quase quei-

marem, então corre em direção ao mar. E logo que

entra na água sente um frio de bater os dentes, aí

você pensa: “Como pode? A areia estava escaldan-

do e aqui eu tô morrendo de frio”. Isso acontece por

causa do alto calor específico da água – que é mui-

to maior do que o da areia – o que faz com que sua

temperatura varie pouco com a quantidade de calor

recebida dos raios solares, ao passo que a areia, por

ter um baixo calor específico, terá uma variação de

temperatura maior do que a água.

Então você decide sair da água. Logo ao sair, bate

aquele vento e você estremece de frio... O que jus-

tifica isso é o fato de que, para a água evaporar, ela

retira calor do ambiente e de você. Como ela precisa

de muito calor para evaporar, você sente a perda de

calor (frio). Se estiver no sol, sente menos frio, pois o

calor transmitido pelo sol ajuda evaporar mais rápi-

do, mas na sombra...

Na Prática 3.Já imaginou colocar a mão em chumbo derretido

(a mais de 330 °C) e não se queimar? Isso é possí-

vel! O que acontece é justificado pelo assim chama-

do efeito Leidenfrost, que resumidamente pode ser

descrito assim: ao entrar em contato com superfí-

cies com temperaturas muitos superiores à tempe-

ratura de ebulição da água, uma porção desta eva-

pora rapidamente e cria uma camada de vapor que

isola o seu interior – como quando uma gota d’água

cai sobre uma chapa que se encontra em alta tem-

peratura e não evapora instantaneamente, em vez

disso, ela “corre” pela chapa até evaporar, devido à

camada que se formou entre a gota e a superfície –,

por isso é possível não queimar a mão, uma vez que

essa camada “isolará” a mão por alguns segundos.

Isso não dura muito tempo, por isso há sérias chan-

ces de você ter queimaduras muito sérias se tentar

fazer isso. No entanto, já ouvimos histórias sobre um

professor de física que fazia o experimento todo ano

para seus alunos – mas, claro, nem todo ano dava

certo e às vezes saía com queimaduras sérias.

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EXERCÍCIOS DE AULA1.

2.

3.

Uma esfera constituída de um material desconhecido, inicialmente a 25 °C, tem

sua temperatura aumentada para 40 °C após receber 750 cal. Determine a capa-

cidade térmica dessa esfera.

a) 10 cal/°C

b) 30 cal/°C

c) 50 cal/°C

d) 70 cal/°C

e) 90 cal/°C

Uma moça que se acha muito esperta, por não ter ventilador nem condicionador

de ar em seu quarto, decide fazer o seguinte: pôr a geladeira, que se encontra

na cozinha, em seu quarto, ligá-la e deixar sua porta aberta. Considerando que a

porta do quarto encontra-se fechada e não há nenhuma forma de transmissão de

calor entre o quarto e o meio externo, marque a alternativa correta.

a) A temperatura no quarto diminuirá, pois o ar frio que antes estava dentro da

geladeira irá resfriar o interior do quarto.

b) A temperatura do quarto irá diminuir, uma vez que a geladeira irá realizar tra-

balho para transportar o ar quente que está dentro do quarto para fora deste.

c) A temperatura no quarto aumentará, pois a quantidade de calor irradiada por

unidade de tempo será igual à potência consumida pela geladeira, uma vez que a

energia elétrica transforma-se em calor e o calor retirado do congelador voltará

novamente ao quarto.

d) A temperatura no quarto irá aumentar, pois a quantidade de calor irradiada

por unidade de tempo será maior do que a potência consumida pela geladeira,

uma vez que a energia elétrica transforma-se em calor e o calor retirado do con-

gelador voltará novamente ao quarto.

e) A temperatura no quarto permanecerá constante, pois o trabalho realizado

pela geladeira nesse sistema será nulo.

Determine a quantidade de calor que deve ser fornecida a 100g de gelo, inicial-

mente a – 30 °C, para transformá-lo em 100 g de água a 50 °C. Dados: calor es-

pecífico do gelo = 0,5 cal/g.°C; calor específico da água = 1 cal/g.°C; calor laten-

te de fusão do gelo = 80 cal/g.

a) 12.500 cal

b) 13.550 cal

c) 14.500 cal

d) 15.555 cal

e) 16.200 cal

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4.

4.

Entendendo “boneco de neve” como sendo “boneco de gelo” e que com o termo

“evaporou” a mãe se refira à transição de água líquida para vapor, pode-se supor

que ela imaginou a sequência: gelo / água / vapor / água. As mudanças de esta-

do que ocorrem nessa sequência são:

a) Fusão, sublimação e condensação.

b) Sublimação, vaporização e condensação.

c) Fusão, vaporização e condensação.

d) Condensação, vaporização e fusão.

e) Fusão, vaporização e sublimação.

Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em ebulição à temperatura

de 100 °C. Tendo por base essa afirmação, um garoto residente em uma cidade

litorânea fez a seguinte experiência:

- Colocou uma caneca metálica contendo água no fogareiro do fogão de sua

casa.

- Quando a água começou a ferver, encostou, cuidadosamente, a extremidade

mais estreita de uma seringa de injeção, desprovida de agulha, na superfície do

líquido e, erguendo o êmbolo da seringa, aspirou certa quantidade de água para

seu interior, tampando-a em seguida.

- Verificando após alguns instantes que a água da seringa havia parado de fer-

ver, ele ergueu o êmbolo da seringa, constatando, intrigado, que a água voltou a

ferver após um pequeno deslocamento do êmbolo.

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s.

3.

EXERCÍCIOS PARA CASA1.

2.

Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslo-

camento:

a) Permite a entrada de calor do ambiente externo para o interior da seringa.

b) Provoca, por atrito, um aquecimento da água contida na seringa.

c) Proporciona uma queda de pressão no interior da seringa, que diminui o ponto

de ebulição da água.

d) Produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição da água.

e) Possibilita uma diminuição da densidade da água que facilita sua ebulição.

Sabe-se que, para aquecermos ou esfriarmos a água, se levarmos em conta algu-

mas medidas, então obteremos água na forma líquida para temperaturas meno-

res do que 0 °C e maiores do que 100 °C.

Em um calorímetro de capacidade térmica igual a C = 1700 J/°C, encontra-se 1

kg de água resfriada até – 10°C. Então, adiciona-se 100g de água aquecida até

120 °C. Qual é, aproximadamente, a temperatura estabelecida no calorímetro?

a) 2 °C

b) 3,5 °C

c) 4 °C

d) 5,5 °C

e) 6 °C

Num dia frio, uma pessoa deseja aquecer as mãos esfregando uma contra a ou-

tra. Suponha que 40% da energia muscular gasta pela pessoa sejam transforma-

dos em calor que aquece as mãos. Considere ainda que a massa total aquecida

das mãos seja equivalente a 100g, que elas tenham um calor específico médio

equivalente a 0,80 cal/g.°C e que sua temperatura média varie de 10 °C. Deter-

mine a energia muscular dispendida.

a) 500 cal.

b) 1000 cal.

c) 2000 cal.

d) 4000 cal.

e) 6000 cal.

A figura apresenta o esquema simplificado da experiência de Joule. O bloco tem

massa de 10 kg e está a uma altura H = 4,20 m. Quando ele cai, produz o movi-

mento das pás, mergulhadas em 1kg de água.

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4.

5.

Supondo que toda a variação de energia potencial gravitacional do sistema foi

transformada em calor, considerando o calor específico da água c = 1 cal/g.°C, 1

cal = 4,2 J e g = 10 m/s², determine a variação de temperatura da água.

a) 0,1 °C

b) 0,2 °C

c) 1,0 °C

d) 0,3 °C

e) 0,5 °C

O Rio Amazonas é o maior rio do mundo em volume d’água, com uma vazão em

sua foz de, aproximadamente, 175 milhões de litros por segundo. A usina hidro-

elétrica de Itaipu também é a maior do mundo em operação. A potência insta-

lada da usina é de 12,6.109 W. Suponha que toda essa potência utilizada para

aquecer a água que flui pela foz do Rio Amazonas, sem que houvesse perdas de

energia. Nesse caso, a variação de temperatura dessa água, em graus Celsius,

seria da ordem de: (calor específico da água = 1 cal/g.°C; 1 cal = 4,2 J; densidade

da água = 1kg/L)

a) 10-2

b) 10-1

c) 100

d) 101

e) 102

Dois objetos, A e B, são constituídos do mesmo material e recebe, a mesma

quantidade de calor. Observa-se que a variação da temperatura do objeto A é

o dobro da variação da temperatura do objeto B. Podemos, então, afirmar que:

a) A capacidade térmica de B é o dobro da de A.

b) O calor específico de B é o dobro de A.

c) A capacidade térmica de A é o dobro da de B.

d) O calor específico de A é o dobro do de B.

e) Os dois objetos têm coeficiente de dilatação térmica diferente.

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QUESTÃO CONTEXTO

Quantas calorias são necessárias para transformar 100 g de gelo, a – 20 °C, em

água a 60 °C? O gelo funde a 0 °C, tem calor específico 0,5 cal/g.°C e seu calor

latente de fusão é 80 cal/g. O calor específico da água é 1 cal/g.°C.

Construa a curva de aquecimento do sistema.

Dois estudantes debatiam entusiasticamente sobre o processo de formação de

gelo em nuvens. O primeiro, Leonardo, dizia: “Sabemos que a água se congela à

temperatura de 0 °C, assim o gelo nas nuvens tem que se formar a uma tempera-

tura próxima desse valor”. O outro, Eduardo, tinha uma ideia bastante diferente;

ele dizia: “Se dividirmos uma quantidade de água em pequenas gotículas, então

a água pode super-resfriar-se até -40 °C.

Assim, o gelo formado nas nuvens pode estar a uma temperatura muito mais bai-

xa que 0 °C”. Com qual dos dois estudantes você concorda? Justifique.

6.

7.

Uma garota, chamada Juliana, joga sobre um carrinho de massa M, que se movia

com velocidade v0, uma pedra de massa m. Supondo que, no sistema, toda a va-

riação de energia será convertida em forma de calor, determine a quantidade de

calor desprendida em função dos parâmetros citados neste enunciado.

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s.

01.Exercícios para aula1. c

2. c

3. c

4. c

5. c

02.Exercícios para casa1. c

2. c

3. a

4. a

5. a

6. 15.000 cal

7. Eduardo tem razão

03.Questão contexto

GABARITO