FÍSICA TÉRMICA

CALORIMETRIA Rangel Martins Nunes

Junho de 2018

CONTEÚDOS:

Quantidade de calor;

Unidades de calor; Calor específico;

Calor sensível e calor latente;

Mudanças de estado físico;

O calor específico sensível c de uma substância a quantidade de calor necessária para elevar

(ou baixar) em 1°C a temperatura de um grama de água.

Conceito de Calor

Vimos que o calor é a energia térmica em transito e ocorre quando dois ou mais corpos estão

em temperaturas diferentes. A energia térmica flui até que os corpos atinjam o equilíbrio térmico. No

equilíbrio térmico todos os corpos ficam com a mesma temperatura média. As três formas pelo qual o

calor se propaga: irradiação, condução e convecção. E esta propagação de calor ocorre sempre do

corpo de maior temperatura para o de menor temperatura (o contrário não ocorre naturalmente).

A propagação do calor prossegue

(o mais aquecido se resfria e o mais frio

se aquece) até que os corpos atinjam o

equilíbrio térmico.

Agora iremos abranger um pouco

mais o conceito de calor, tratando da

absorção e emissão de calor por um

corpo em processos de aquecimento e

resfriamento.

A quantidade de calor recebida ou perdida por um corpo em processos de aquecimento e

resfriamento, respectivamente, é determinada pela equação fundamental da calorimetria.

Q = m.c.∆T

A quantidade de calor Q depende da variação da temperatura ∆T e do calor específico sensível

O calor específico sensível da água líquida é c = 1 cal/ (g.°C).

Exemplo 1):

Determine a quantidade de calor que uma fonte térmica deve fornecer a 100g de

água para aquecê-la de 20°C para 80°C.

Vimos que Q = m.c.∆T Q = 100.1.(80-20);

∆T = T – T0 Q = 6000 cal

Exemplo 2):

Determine a potência de uma chapa de aquecimento para aquecer uma massa de 200g de água

de 20°C a 80°C em 2 min?

Primeiro devemos determinar a quantidade de calor que esta massa de água ira absorver: Q = m.c.(T –

T0).

Q = 200.1.(80 20)

Q = 12000 cal

Pot = Q/∆t A potência é expressa em watts (J /s), logo devemos converter o valor de Q para joules:

1 cal ⇒ 4,18J Pot = 50160/(2 x 60)

12000 ⇒ x x = 50160 J Pot = 418 W

Unidades de Calor

As unidades de medidas de calor absorvido ou emitido por um corpo são caloria (cal, Kcal) e

joule (J, KJ, MJ). O joule é a unidade de trabalho e energia do S.I. A relação entre cal e J é a

seguinte: 1 cal ⇒ 4,18 J

Determinação energética dos alimentos

Hoje os alimentos trazem em sua embalagem o teor energético por unidade de massa. Este teor

energético são as famosas calorias, tão discutidas quando o assunto é dieta e saúde alimentar. As

calorias são uma medida de quanta de energia os alimentos podem fornecer para o corpo. Sabemos

que as energias dos alimentos estão nas ligações químicas nas moléculas de açucares e gorduras e esta

energia pode ser desprendida (com a quebra destas moléculas) e armazenada no fígado em forma de

ATP. Podemos determinar experimentalmente este valor energético através da queima destes

alimentos e quantificação do calor desprendido (energia).

Uma amostra do alimento será queimada por uma chama constante, dentro de um calorímetro

termicamente isolado. A queima ocorrerá na parte central do calorímetro; as laterais desta câmara são

preenchidas de água. O método consiste basicamente em determinar o calor absorvido pela água no

processo de queima do alimento.

Etapas:

Primeira fase: O queimador é ligado por um determinado tempo t, sem que haja a amostra de

alimento no interior do calorímetro. O volume de água do calorímetro é aquecido e o aumento de

temperatura é registrado pelo termômetro. Com isso calcula-se a quantidade de calor Q chama que a

água absorveu.

Segunda fase: A amostra de alimento é colocada dentro do calorímetro, a chama é ligada pelo

mesmo tempo t da primeira fase e o alimento é queimado. A água agora absorvera o calor da chama

mais o calor devido à combustão do alimento. Teremos uma quantidade de calor absorvido Q chama

+ Qalimento

A quantidade de calor aliminado, em calorias, apenas pelo alimento (Qalimento)

será, portanto:

Primeira fase Segunda fase

Q chama + alimento - Q chama

Calor Sensível e Calor Latente

Calor Sensível: Quando a substância perde ou ganha calor sem que haja mudança de estado físico e

hienas mudança em sua temperatura. Q pode ter valor negativo ou positivo.

Quantidade de calor positiva (+Q): Q terá valor positivo sempre que o corpo absorver calor. Neste

caso ele sofrerá um aquecimento e a variação de temperatura será positiva.

+Q ⇒ ∆T > 0;

Quantidade de calor negativo (-Q): Q terá valor negativo sempre que o corpo perder calor para o

ambiente ou para outro corpo. Neste caso ele sofrerá um resfriamento e a variação da temperatura será

negativa.

-Q ⇒ ∆T < 0;

Observe a figura abaixo:

Observe que o gelo absorve calor +Q enquanto a substância acima perde calor –Q (para o gelo).

Depois de certo tempo a substância teve sua temperatura diminuída e o gelo aumentou sua temperatura

chegando a mudar de estado físico.

Calor Latente: É a quantidade de calor necessária que um corpo deve perder ou ganhar para que haja

mudança de seu estado físico. O calor latente QL:

QL = m.L

Onde L é o calor latente que pode ser: de fusão (Lf), vaporização (Lv), condensação (Lc) e

solidificação (Ls). Os valores de L são tabelados e como exemplo estudaremos as mudanças

de estado físico na água. Abaixo segue uma tabela com os valores de calor latente da água:

Calores Latentes da ÁGUA Calor absorvido (+)

ou eliminado (-)

Descrição dos valores de

calor latente da água

Calor latente de fusão Ff + 80 cal/g 1g de gelo a 0°C deve

absorver 80 cal para virar

água líquida a 0°C

Calor latente de solidificação Fs - 80 cal/g 1g de água líquida a 0°C

deve perder 80 cal para

formar 1g de gelo a 0°C

Calor latente de vaporização Fv + 540 cal/g 1g de água líquida a 100°C

deve absorver 540 cal para

formar 1g de vapor a 100°C

Calor latente de condensação Fc - 540 cal/g 1g de vapor a 100°C deve

perder 540 cal para formar 1g

de água líquida a 100°C.

Mudanças de Estado Físico

Mudanças de estado físico é mudança no arranjo das moléculas de uma substância devido ao

aquecimento ou resfriamento. No estado sólido temos as moléculas da substancia em seu estado menos

energético e com menor grau de mobilidade; No estado gasoso as moléculas estarão em seu estado

mais energético com máxima mobilidade. O novo arranjo molecular confere a substância novas

propriedades físico – químicas.

Visite: https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-

basics_pt_BR.html (PhET Universidade do Colorado)

Extraído da Internet.

Fusão: é a passagem do estado sólido para o líquido. Ocorre com ganho de calor. No caso da água ela

passa de gelo a água líquida quando recebe 80 cal/g a 0°C então Lf = +80 cal/g. A temperatura só ira

subir quando todo o gelo fundir.

Exemplo:

Qual a quantidade de calor que uma pedra de gelo de 50g deve ganhar para se fundir completamente.

Q = m.Lf

Q = 50.80

Q = 4000 cal

Vaporização: é a passagem do estado líquido para o gasoso. Ocorre também com ganho de calor. A

vaporização de um líquido ocorre por três processos:

Evaporação: Passagem do estado líquido para o gasoso a temperatura ambiente. Trata-se de um

processo superficial onde as moléculas do retículo superficial do liquido – em contato com o ar e a

pressão de 1 atm – ganham energia térmica e escapam da massa líquida. Nas roupas, poças d`’agua,

lagoas etc a água evapora.

Ebulição: Passagem rápida do estado líquido para o gasoso. É um processo turbulento que ocorre a

uma temperatura e pressão específica (para água a 1 atm a temperatura de ebulição é de 100°C). Há a

formação de vapor em vários pontos da massa de água em um processo convectivo.

No caso da água ele passa de água líquida para vapor de água quando recebe +540 cal/g a

100°C (100°C quando a pressão é de 1 atm – 1 atmosfera.) então Lv = +540 cal/g. O vapor só

aumentara de temperatura quando toda água evaporar.

Calefação: Processo de vaporização que ocorre quando o líquido entra em contato com uma superfície

que esteja a uma temperatura superior ao de ebulição deste líquido. Quando uma gota de água entra em

contato com uma superfície de temperatura superior a 100C ela “flutua” sobre um colchão formado

pelo seu próprio vapor.

Diferença entre gás de água e vapor : O vapor que sai da chaleira é um “gás” que esta em

equilíbrio com a massa líquida que está ebulindo. Até a temperatura de 374°C á água é chamado de

vapor e pode ser liquefeita apenas aumentando suficientemente a pressão e/ou abaixando a

temperatura. Acima de 374°C (temperatura crítica da água) temos o gás de água propriamente dito.

Nesta temperatura não se consegue liquefazer a água apenas aumentando a pressão más é necessário

também abaixar a temperatura (abaixo de 100°C).

Exemplo:

Qual a quantidade de calor que devemos fornecer a 100g de água para que evapore totalmente.

Q = m.Lv

Q = 100.540 Q = 54000 cal

Condensação: é a passagem do estado gasoso para o estado líquido. Agora a massa de vapor deve

perder calor para voltar ao estado líquido. Observamos este fenômeno quando o vapor quente bate em

uma superfície metálica e aparecem gotas de água. Neste caso uma massa de vapor de água deve

perder 540 cal/g a 100°C para voltar ao estado líquido. Lc = -540 cal/g. A temperatura da água

baixara só quando toda a água condensar.

Exemplo:

Qual a quantidade de calor que deve perder 10g de vapor para que se

condense completamente. Q = m.Lc

Q = 10.(-540)

Q = - 54000 cal O sinal negativo indica calor perdido

Solidificação: é a passagem do estado líquido para o sólido. Quando colocamos água no

congelador da geladeira a água passa do estado líquido para o estado sólido. Neste caso a massa de

água líquida deve perder 80 cal/g a 0°C. Logo Ls = -80 cal/g. A temperatura do gelo só abaixara

quando toda água congelar.

Diagrama de fases da água: Curvas de Aquecimento e Resfriamento

Nas curvas de aquecimento e resfriamento temos a relação da variação de temperatura por tempo.

Também no eixo das abcissas (eixo x), além do tempo, podemos ter a quantidade de calor (Q) em

calorias ou Joules.

Exemplo 1):

Calcule a quantidade de calor necessário para transformar 100g de gelo a -10°C em água líquida a

80°C. Sabendo que cgelo = 0,5 cal/ (g.°C) e da água líquida cágua = 1,0 cal/ (g.°C).

Q = 8000 cal

Temos três fases: aquecimento do gelo, fusão do gelo, aquecimento da água

líquida.

Aquecimento do gelo (Q1):

Q = m.cgelo.∆T

Q = 100.0,5.(0-(-10))

Q = 500cal

Fusão do gelo

(Q2) Q = m.Lf

Q = 100.80

Q = 8000 cal Aquecimento da água líquida

(Q3) Q = m.cágua. ∆T

Q = 100.1,0.(80-0)

Logo o calor total que 100g de gelo a -10/C deve receber para virar água líquida a 80°C

é de: Q1 + Q2 + Q3 = 500 + 8000 + 8000 = 16500 cal

Fazer em sala de aula (discussão dos conceitos)

Exemplo 2)

Calcule a quantidade de calor que um refrigerador deve retirar de 100 g de água a 80ºC para produzir

100g de gelo a -10ºC.

Exemplo 3)

Determine a quantidade de calor que uma superfície metálica deve retirar de 50g de vapor a 110°C

condensando-o em água a 80°C.

Exemplo 4)

Com relação ao exercício acima, se colocarmos esta água na geladeira, quanto de calor o refrigerador

deve retirar das 110 g de água líquida para solidificá-la em gelo a 0°C.

1) Uma massa de 200 ml de água está a

25°C. Esta massa de água é aquecida por

uma fonte térmica até 90°C. Determine a

quantidade de calorias absorvidas durante o

processo de aquecimento. Considere

cágua liq

= 1 cal/g °C

2) Quantas calorias um refrigerador deve

retirar de 50g de água líquida para resfria-la

de 60°C para 5°C. Considere cágua liq = 1

cal/g C

3) Quantas calorias 100 ml de água a

100°C deve absorver para vaporizar

completamente? Considere Lvap = 540

cal/g.

4) Quantas calorias 50 ml de água a

0°C deve perder para congelar

completamente? Considere Ls = - 80

cal/g.

5) Quantas calorias 100g de vapor a

100°C devem perder para uma superfície

resfriada para se transformar em 100g de

água líquida? Considere Lc = -540 cal/g.

6) Um recipiente de vidro de 200g contem

300 ml de água. A água e o recipiente estão

inicialmente a 25°C. Uma amostra de

alimento é queimada completamente sob o

recipiente, elevando a temperatura deste e

da água para 90°C. Sendo o cágua liq = 1,0

cal/g°C e cvidro = 0,16 cal/g°C, determina a

quantidade aproximada de calorias da

amostra de alimento.

7) Quantas calorias devem ser fornecidas

a uma massa de gelo de 50g a - 5°C para

obtenção de água líquida a 50°C?

Considere cagua liq = 1,0 cal/g°C, Lf = 80

cal/g, cgelo = 0,5 ca/g°C.

8) Quantas calorias devem ser

fornecidos a uma massa de gelo de 10g a -

5C para obtenção de vapor líquida a 150C?

Considere cagua liq = 1,0 cal/g°C, Lf = 80

cal/g, cgelo = 0,5 ca/g°C e cvap = 0,5

cal/g.°C.

9) Na curva de aquecimento padrão da

água abaixo, indique o que acontece em

cada intervalor de calor/ temperatura A, B,

C e D.

10) Para fundir 300g de Ferro é

necessário que um maçarico forneça 64500

cal. Esta quantidade é fornecida

rapidamente devido a alta temperatura da

chama do maçarico. Com esta quantidade

de calor da para aquecer quantos litros de

água de 25°C a 100°C?

11) O gráfico ilustra as transformações

sofridas por 5,0 g de uma substancia que

se encontra inicialmente no estado sólido.

Calcule:

a) O calor específico da substância no

estado sólido e líquido.

b) O calor latente de fusão.

12) Uma barra de 200g de ferro a 110°C

é colocada no interior de um calorímetro

ideal com 2,5 L de água a 25°C. Determine

a temperatura final de equilíbrio térmico.

Considere cFe = 0.11 cal/g°C.

13) Uma amostra de 50g de um

determinado alimento é queimada

totalmente em um calorímetro. O

equipamento possui 250 ml de água a 25°C

e após a queima total da amostra a

temperatura da água é alevada a 90°C.

Determine a quantidade aproximada de

energia contida em uma amostra de 500g

do referido alimento.

14) Um refrigerador – freezer consegue

retirar 100 cal/min de um material que seja

depositado em seu interior. Quanto tempo

será necessário para congelar

completamente 200g de água inicialmente

a 25°C?

RESPOSTAS:

1) 13000 cal 2) -2750 cal 3) 54 kcal 4) -4000

cal 5) – 54 Kcal 6) 21580 cal 7) 6625 cal

8) 7475 cal 9) analise do gráfico 10) 860g de

água 11) a) csolid = 0,1 cal/g°C, cliq = 0,4

cal/g°C b) Lf = 100 cal/g 12) 25,7°C 13) 16,25

Kcal 14) 3,5h