CALORIMETRIA

Calorimetria

Antes de iniciar seus estudos, reflita sobre as questões abaixo, forme suas opiniões e confronte-as com a teoria apresentada em seguida. Suas ideias e sugestões são muito importantes para enriquecer o ensino e o aprendizado.

1) Quais são as coisas e os fenômenos relacionados com o aquecimento e com o resfriamento?

2) O cobertor é uma fonte de calor?

3) Como a evolução do conceito de calor influencia nossa percepção da natureza, o desenvolvimento econômico e a preocupação com o ambiente?

4) É possível fornecer calor para um sistema sem que ele varie sua temperatura?

5) Por que é quase dez vezes mais fácil aquecer um disco de ferro do que uma quantidade de mesma massa de água?

6) Além de uma situação de sede desesperadora, quando 300m de água têm o mesmo valor de 10kg de ouro?

1. A Física e o cotidiano

Esfregando as mãos, conseguimos aquecê-las: a energia cinética, o atrito e o calor estão sempre relacionados.

O cobertor é um isolante térmico e a fonte de calor é o corpo da pessoa.

Os motores dos veículos podem ser refrigerados a água ou a ar.

2. A Física e o mundo

Como a evolução do conceito de calor influencia nossa percepção da natureza, o desenvolvimento econômico e a preocupação com o ambiente?

A fotossíntese é a responsável pela energia dos alimentos. Um adulto deve consumir entre 2000kcal e 2500kcal diárias para realizar suas atividades.

Isso faz com que ele seja equivalente a um sistema com uma potência comparável a uma lâmpada de 100W.

Vocábulos e expressões da língua inglesa relacionados com a Calorimetria

HEAT: Transfer of energy from one part of a substance to another, or from one body to another by virtue of a difference in temperature.

SPECIFIC HEAT: The heat capacity, or the measure of the amount of heat required to raise the temperature of a unit mass of a substance one degree.

3. A Física e o laboratório

O conceito de calor tornou-se importante quando se separou do conceito de temperatura.

A partir daí, definiu-se o equilíbrio térmico (QA + QB = 0; lei zero da termodinânica) e que o calor flui espontaneamente da região de maior temperatura para a de menor temperatura (2.a lei da termodinâmica).

Caloria – calor específico sensível da água

Por definição, chama-se caloria a quantidade de calor necessária para aquecer 1,0g de água pura de 14,5°C a 15,5°C, sob pressão normal. Assim, temos:

Calores específicos sensíveis médios em cal/g°C
ouro	0,030
chumbo	0,031
mercúrio	0,033
prata	0,056
cobre	0,094
ferro	0,110
querosene	0,510
álcool	0,580
água	1,00

A água (1,0cal/g°C) é referência para os outros calores específicos sensíveis, Assim, é fácil ver que, com apenas 11% do calor que aquece uma certa massa de água, é possível produzir a mesma variação de temperatura numa mesma massa de ferro (0,11cal/g°C).

Outro fato importante é que quanto mais alto é o calor específico sensível do material, mais tempo leva para aquecê-lo, e quanto mais calor absorver, mais tempo leva para esfriá-lo.

Calor sensível e calor latente

Colocando-se um pedaço de ferro na chama de uma vela, observamos que o calor fornecido pela chama provoca uma variação de temperatura (aquecimento) no ferro.

Colocando-se um pedaço de gelo na chama da vela, notamos que o calor fornecido pela chama provoca uma mudança de estado (fusão) no gelo.

Portanto, quando um corpo recebe ou cede calor, este pode produzir no corpo dois efeitos diferentes: variação de temperatura ou mudança de estado.

Se o efeito no corpo for apenas variação de temperatura, o calor é chamado calor sensível.

Se o efeito no corpo for apenas mudança de estado, o calor é chamado calor latente.

Assim, nas considerações acima, o calor recebido pelo ferro é sensível e o recebido pelo gelo é latente.

Por exemplo, se colocarmos um pedaço de ferro aquecido na cavidade feita num bloco de gelo a 0°C, verificaremos o resfriamento do ferro e a fusão de parte do gelo. O ferro, mais quente, cede calor ao gelo. Esta quantidade de calor cedida pelo ferro provocou nele um resfriamento, sendo calor sensível. A mesma quantidade de calor ao ser recebida pelo gelo provoca nele uma fusão, sendo, pois, chamado de calor latente.

4. A Física e a evolução de seus conceitos

Energia térmica

Todo corpo é formado de partículas. Essas partículas estão constantemente em agitação, provocada por uma energia nelas existente.

A energia cinética média associada a uma partícula é que determina seu estado de agitação, definindo a temperatura do corpo.

O somatório das energias de agitação das partículas é a energia térmica do corpo.

É importante notar que esse somatório de energias depende da energia de agitação de cada partícula (da temperatura) e do número de partículas que o corpo possui (da massa do corpo).

Calor e equilíbrio térmico

Quando dois corpos em temperaturas diferentes são colocados em contato térmico, espontaneamente, há transferência de energia térmica do corpo de maior para o de menor temperatura. Dessa forma, a temperatura do “mais quente" diminui e do “mais frio" aumenta até que as duas se igualem. Nesse ponto, cessa a troca de energia térmica. Dizemos que foi atingido o equilíbrio térmico e a temperatura comum é denominada temperatura final de equilíbrio térmico.

Observemos que a causa determinante da passagem de energia térmica de A para B foi a diferença de temperaturas e que, quando as temperaturas se igualaram, cessou a passagem de energia térmica.

A energia térmica que passa de A para B recebe, durante a passagem, a denominação de calor.

Portanto, calor é energia térmica em trânsito de um corpo para outro, motivada por uma diferença de temperaturas existente entre eles.

Capacidade térmica (C) e calor específico sensível (c)

Suponhamos que um corpo A de massa m receba uma quantidade de calor sensível Q, que lhe provoca o aquecimento .

Século V a.C. – Platão destaca que o calor e o fogo podem ser produzidos por impacto ou fricção.

Antiguidade e Idade Média – Ao lado do ar, da terra e da água, o fogo serviu como elemento para compor a visão de mundo e a filosofia natural. Era o único que não abrigava a vida.

1620 – Francis Bacon de fende a ideia de que calor e temperatura são manifestações do movimento (energia).

1680 – Robert Hooke e Robert Boyle relacionam a temperatura com a “rápida e impetuosa agitação das partes de um corpo".

1779 – Joseph Black, usando um termômetro, concebido por Fahrenheit, realiza as primeiras experiências para diferenciar calor de temperatura. Aqueceu corpos de massa (m) e substâncias diferentes e percebeu que eles respondiam com diferentes variações de temperatura ().

Definiu, então, o calor sensível (Q), a capacidade térmica de um corpo C e o calor específico sensível (c) de uma substância e os relacionou nas fórmulas:

A ideia de Black de que o calor é uma substância sem peso (calórico) transferida de um corpo quente para outro frio, apesar de lógica, desagrada muitos cientistas (energistas x caloristas).

1800 – Conde Rum ford (Benjamim Thomson) observando a fabricação de canhões, conclui que um corpo finito não poderia produzir quantidades in finitas de calórico – o calor, relacionado com o movimento e o atrito, é definido como energia em trânsito, provocado por uma diferença de temperaturas.

1843 – Joule, pelo caminho experimental, e Mayer, pelo teórico, mostram que o calor pode transformar-se em trabalho mecânico e conservar-se como qual quer tipo de energia.

1907 – Einstein restringe a agitação molecular a energias discretas (quantização) e deter mina valo res muito precisos para os calores específicos sensíveis dos metais.

1912 – Debye aperfeiçoa a sideias de Einstein, ao considerar que átomos e moléculas de um sólido, sob aquecimento, agitam-se como as ondas sonoras no ar, com modos de vibração chamados de fônons.

Exercícios propostos

1. (ETEC-MODELO ENEM) – Assinale a alternativa que completa, corretamente, a afirmação a seguir.

O calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes. O calor flui naturalmente de um corpo A para um corpo B, desde que o corpo A tenha _____________ que o corpo B.

a) maior volume.

b) maior densidade.

c) maior temperatura.

d) menor calor específico.

e) menor capacidade térmica.

2. Nos dias frios, é comum ouvir expressões como: “Esta roupa é quentinha" ou então “Feche a janela para o frio não entrar". As expressões do senso comum utilizadas estão em desacordo com o conceito de calor da Termodinâmica. A roupa não é “quentinha", muito menos o frio “entra" pela janela.

A utilização das expressões “roupa é quentinha" e “para o frio não entrar" é inadequada, pois o(a)

a) roupa absorve a temperatura do corpo da pessoa, e o frio não entra pela janela, o calor é que sai por ela.

b) roupa não fornece calor por ser um isolante térmico, e o frio não entra pela janela, pois é a temperatura da sala que sai por ela.

c) roupa não é uma fonte de temperatura, e o frio não pode entrar pela janela, pois o calor está contido na sala, logo o calor é que sai por ela.

d) calor não está contido num corpo, sendo uma forma de energia em trânsito de um corpo de maior temperatura para outro de menor temperatura.

e) calor está contido no corpo da pessoa, e não na roupa, sendo uma forma de temperatura em trânsito de um corpo mais quente para um corpo mais frio.

3. (VUNESP) – A capacidade térmica é uma característica associada a corpos, indicando, no Sistema Internacional, a quantidade de

a) newtons necessária para fazer com que 1kg de matéria do corpo varie em 1°C a temperatura do corpo.

b) watts necessária para fazer com que 1kg de matéria do corpo varie em 1°C a temperatura do corpo.

c) watts necessária para fazer variar em 1°C a temperatura do corpo.

d) newtons necessária para fazer variar em 1°C a temperatura do corpo.

e) joules necessária para fazer variar em 1°C a temperatura do corpo.

4. (UFJF-MODELO ENEM) – Um estudante de Física realizou experimentos de calorimetria com três líquidos diferentes. Cada um deles é aquecido lenta mente por uma resistência elétrica dentro de um calorímetro ideal, e a temperatura é anotada em função da energia total fornecida. Após a realização dos experimentos, o estudante construiu o gráfico a seguir:

Utilizando o gráfico, o estudante encontrou um calor específico sensível para a água de 4,18 kJ/(kg.K), para o metanol, 2,50 kJ/(kg.K), e para o óleo de soja, 1,97 kJ/(kg.K). No entanto, o estudante esqueceu-se de identificar os líquidos na legenda do gráfico. Nossa tarefa é corrigir esse erro. Sabendo-se que a quantidade de massa das amostras foi a mesma nos três casos, identifique corretamente os líquidos A, B e C, respectiva mente:

a) água, metanol, óleo de soja.

b) metanol, água, óleo de soja.

c) óleo de soja, metanol, água.

d) óleo de soja, água, metanol.

e) água, óleo de soja, metanol.

Exercícios propostos

1. (VUNESP-MODELO ENEM) – O calor específico sensível do alumínio é igual a 0,2 cal/(g.°C), enquanto o calor específico sensível do ferro é igual a 0,1 cal/(g.°C). Desprezando-se qualquer perda de energia, aquece-se de 20°C a 100°C um ferro de passar roupas atual (elétrico, de alumínio e de massa igual a 250 g) e um ferro de passar roupas antigo (a carvão, de ferro e de massa igual a 1500 g).

A quantidade de energia utilizada para o aquecimento do ferro de passar roupas antigo em relação ao ferro de passar roupas atual é:

a) igual.

b) duas vezes maior.

c) três vezes maior.

d) quatro vezes maior.

e) cinco vezes maior.

2. O Inmetro procedeu à análise de garrafas térmicas com ampolas de vidro, para manter o consumidor informado sobre a adequação dos produtos aos Regulamentos e Normas Técnicas. Uma das análises é a de eficiência térmica. Nesse ensaio, verifica-se a capacidade da garrafa térmica de conservar o líquido aquecido em seu interior por determinado tempo. A garrafa é completada com água a 90 °C até o volume total. Após 3 horas, a temperatura do líquido é medida e deve ser, no mínimo, de 81°C para garrafas com capacidade de 1,0 litro, pois o calor específico sensível da água é igual a 1,0 cal/g °C.

(Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/garrafavidro.asp>. Acesso em: 3 maio 2009. Adaptado.)

Atingindo a água 81°C nesse prazo, a energia interna do sistema e a quantidade de calor perdida para o meio são, respectivamente,

a) menor e de 900 cal.

b) maior e de 900 cal.

c) menor e de 9.000 cal.

d) maior e de 9.000 cal.

e) constante e de 900 cal.

Dado: 1,0 contém 1,0kg de água

3. (UNIFEV)

Hábitos que fazem diferença

Em uma residência, um banho de chuveiro de 15 minutos gasta 45 litros de água. Porém, se a pessoa fechar o registro ao se ensaboar (banho econômico), o tempo do chuveiro ligado cai para 5 minutos e o consumo, para 15 litros.

(O Estado de S.Paulo, 31 mai. 2020. Adaptado.)

Com base no texto, calcule a quantidade de energia, em calorias, que é utilizada para o aquecimento da água no banho econômico. Considere o calor específico sensível e a massa específica da água iguais a 1,0cal/g°C e 1,0kg/, respectivamente, e que a variação da temperatura da água ao passar pelo chuveiro é de 15°C.

4. (FAMECA) – O gráfico representa a variação da temperatura de dois objetos de massas iguais, R e S, em função da quantidade de calor por eles absorvida.