Introdução à Calorimetria

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Calorimetria
INTRODUÇÃO
Calorimetria é a parte da física que estuda os fenômenos relacionados as trocas de energia térmica. Essa energia em trânsito é chamada de calor e ocorre devido a diferença de temperatura entre os corpos. O termo calorimetria, é formada por duas palavras: “calor” e “metro”. Do latim, “calor” representa a qualidade do que é quente, e “metro”, do grego, significa medida.
O QUE É CALOR?
O calor representa a energia transferida de um corpo para um outro, em função unicamente da diferença de temperatura entre eles. Esse transporte de energia, na forma de calor, sempre ocorre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Estando os corpos isolados termicamente do exterior, essa transferência irá ocorrer até atingirem o equilíbrio térmico (temperaturas iguais). Vale ainda ressaltar que um corpo não possui calor, ele possui energia interna. Portanto, só faz sentido falar em calor quando essa energia está sendo transmitida.
A transferência de energia, na forma de calor, quando produz no corpo uma mudança na sua temperatura é chamado de calor sensível. Quando gera uma mudança no seu estado físico é chamado de calor latente. A grandeza que define essa energia térmica em trânsito é chamada de quantidade de calor (Q). No Sistema Internacional (SI), a unidade de quantidade de calor é o joule (J). 
Contudo, na prática, usa-se também uma unidade chamada de caloria (cal). Essas unidades possuem a seguinte relação:
1 cal = 4,1868 J
QUAIS AS FORMAS DE SE TRANSFERIR O CALOR?
A transferência de calor pode ocorrer de três formas: radiação, condução e convecção.
A radiação térmica, também conhecida como irradiação, é uma forma de transferência de calor que ocorre por meio de ondas eletromagnéticas. Como essas ondas podem propagar-se no vácuo, não é necessário que haja contato entre os corpos para haver transferência de calor. Todos os corpos emitem radiações térmicas que são proporcionais à sua temperatura.
A condução é um processo de transferência de calor, exemplo: segurando uma barra de ferro em uma das suas extremidades e colocando a outra ponta sobre uma chama, ela começará a aquecer. Primeiramente, a parte que está sobre o fogo terá sua temperatura elevada, pois a chama está transferindo energia para a barra. 
As moléculas que a constituem começarão a ficar agitadas e chocar-se-ão com as outras que não estão em contato com o fogo.
A convecção, que é a forma de transferência de calor comum para os gases e líquidos. 
Ao colocar água para ferver, a parte que está próxima ao fogo será a primeira a aquecer, por exemplo: quando ela aquece, sofre expansão e fica menos densa que a água da superfície, sendo assim, ela desloca-se para ficar por cima, enquanto a parte mais fria e densa move-se para baixo. Esse ciclo repete-se várias vezes e forma uma corrente de convecção, que é ocasionada pela diferença entre as densidades, fazendo com que o calor seja transferido para todo o líquido.
O QUE É CAPACIDADE TÉRMICA? DÊ EXEMPLOS.
A capacidade térmica determina a quantidade calor que um corpo precisa receber para alterar sua temperatura em uma unidade. Cada corpo comporta-se de forma diferente ao receber uma determinada quantidade de calor, e um exemplo em que podemos perceber isso facilmente ocorre na praia. A areia e a água do mar estão submetidas à mesma fonte de calor, o sol, mas a areia fica muito mais quente do que a água. Isso acontece porque a areia e a água possuem capacidades térmicas diferentes.
Sendo assim, a capacidade térmica é uma grandeza que depende da quantidade de calor recebida e da variação de temperatura sofrida por um corpo. Ela pode ser definida da seguinte forma:
“A capacidade térmica (C) é a razão entre a quantidade de calor (Q) recebida por um corpo e a variação de temperatura (ΔT) sofrida por ele.”
Matematicamente, essa relação é dada pela expressão:
C =  Q 
      ΔT
A unidade de medida da capacidade térmica no Sistema Internacional é calorias por grau Celsius (cal/ºC). Um exemplo para compreender melhor a interpretação dessa grandeza é a seguinte situação:
Se um corpo recebe 1000 cal e aumenta sua temperatura em 20ºC, sua capacidade térmica é?
C = Q = 1.000 = 50 cal/ºC
              ΔT     20                              
Ou seja, a cada 50 calorias que o corpo recebe, sua temperatura varia em 1ºC.
A capacidade térmica é uma propriedade dos corpos que depende apenas de sua massa, sendo assim, dois corpos feitos do mesmo material podem sofrer variações de temperatura diferentes ao receberem a mesma quantidade de calor se suas massas são diferentes. Por exemplo: se quisermos aquecer duas chapas de metal, uma com 5 kg e outra com 10 kg, será necessário fornecer maior quantidade de calor à chapa de 10 kg, já que sua massa é maior.
O QUE É O CALOR ESPECÍFICO DE UM CORPO? DÊ EXEMPLOS.
O calor específico é a quantidade de calor que deve ser fornecida para que 1 g de substância tenha a sua temperatura elevada em 1°C. Cada substância possui um determinado valor de calor específico, que é geralmente expresso em cal/g.°C.
Quanto maior for o calor específico de uma substância, maior será a quantidade de calor que deverá ser fornecida ou retirada dela para que ocorram variações de temperatura. A água, quando comparada com várias outras substâncias, possui o maior calor específico, que corresponde a 1 cal/g.ºC
Ao visitar a praia, percebemos que, durante o dia, a temperatura da água é inferior à temperatura da areia. A partir da tabela, podemos reparar que o calor específico da areia é bem menor que o da água, logo, a quantidade de energia necessária para aquecer a areia é menor e, por isso, seu aquecimento ocorre mais rápido. Durante a noite, a areia também perde energia mais facilmente que a água, esfriando-se mais rapidamente.
c = Q/m. Δθ ou c = C/m
Onde,
c: calor específico (cal/g.°C ou J/Kg.K)
Q: quantidade de calor (cal ou J)
m: massa (g ou Kg)
Δθ: variação de temperatura (°C ou K)
C: capacidade térmica (cal/°C ou J/K)
QUAL A RELAÇÃO ENTRE CALOR ESPECÍFICO E CAPACIDADE TÉRMICA.
Podemos concluir, portanto, que a capacidade térmica é proporcional à massa dos corpos. Essa proporcionalidade é definida por uma grandeza denominada calor específico (c), que é determinado pela razão constante entre a capacidade térmica e a massa de uma substância, sendo expresso matematicamente pela equação:
c = C
      m
A unidade de medida do calor específico é cal/g.ºC. Essa grandeza define a quantidade de calor que deve ser fornecida ou retirada de cada 1 grama de um material para variar sua temperatura em 1ºC.
A capacidade térmica e o calor específico dos materiais podem ser determinados com o uso de um calorímetro, um aparelho com isolação térmica utilizado para estudar as trocas de calor entre corpos de diferentes temperaturas.
COMO SE CALCULA O CALOR ABSORVIDO OU CEDIDO PELA VARIAÇÃO DE UM CORPO? DÊ UM EXEMPLO DESSE CÁLCULO
Quantidade de calor que é retirada ou fornecida a um corpo e é capaz apenas de gerar variação de temperatura. A determinação da quantidade de calor sensível é feita pela equação a seguir:
QS = Quantidade de calor sensível;
m = Massa da substância aquecida ou resfriada;
c = Calor específico da substância, isto é, a grandeza que determina a quantidade de calor necessária para que 1 g da substância eleve a sua temperatura em 1°C;
Δt = Variação de temperatura.
Exercício:
Determine a quantidade de calor necessária para aquecer o volume de 2 L de água a uma temperatura de 25ºC até a temperatura de 100ºC, em condições normais de pressão.
Dados:
densidade da água: 1kg/L
calor específico da água: 1 cal/g°C ou 4200 J/kg.K
1 cal = 4,2 J
Resolução:
Inicialmente, é necessário determinarmos a massa de água contida no volume de 1 L. Para tanto, devemos observar que a densidade da água, informada pelo exercício, é de 1 kg/L, portanto, a massa de água em questão é de 2 kg.
Depois disso, usaremos a equação do calor sensível para calcularmos a quantidade de calor que é necessária para que ocorra o aquecimento da água de 25ºC para 100ºC: