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Calor Sensível Capacidade térmica Calor específico Ricardo Santos Algumas curiosidades... Antes de responder, vamos conhecer alguns conceitos fundamentais... Por que durante o dia é tão quente no deserto, mas à noite é tão frio? Por que, durante o dia, quando estamos na praia, percebemos que o vento sopra da água para a areia, mas à noite esse sentido é invertido? Imagem: Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Energia Térmica em trânsito devido a diferença de temperatura entre corpos. Costuma-se dizer que calor é ENERGIA TÉRMICA EM MOVIMENTO. Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente do corpo de MAIOR temperatura para o corpo de MENOR temperatura. Calor Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Físico, Químico e Médico escocês, evidenciou-se no seu trabalho sobre Termodinâmica, sendo o primeiro a distinguir Calor de Temperatura. Introduziu a noção de Calor Específico e de Calor Latente. É considerado, juntamente com Cavendish e Lavoisier, um dos pioneiros da Química Moderna. Joseph Black (1728 – 1799) Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Por meio de experimentos nos quais misturava substâncias a diferentes temperaturas, observou que os resultados não condiziam com as teorias da época, que apontavam o calor como uma substância fluida (chamada de calórica) presente na matéria. XAVIER, Claudio & BENIGNO, Barreto. Física aula por aula. Volume 2. FTD. 1ª ed. 2010. Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público Joseph Black (1728 – 1799) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Calor que produz variação de temperatura sem que o estado físico da matéria seja alterado. Calor Sensível Ex.: Quando colocamos algo para aquecer no fogo, estamos aumentando sua temperatura. Charge disponível no link: http://3.bp.blogspot.com/-ksA8bKowSVk/T9MppBkJepI/AAAAAAAAKDY/x6Z97-RnG1w/s1600/aquecimento-global+7.jpg Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico A energia é medida em joules (J) no (S.I.). Como o calor também é uma forma de energia, possui a mesma unidade. Por motivos históricos e práticos, também usamos outra unidade, a caloria (cal). Unidade de medida de Calor 1 cal = 4,18 J FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de um corpo. Capacidade Térmica Equivale ao quociente entre a quantidade de calor recebido ou cedido pelo corpo e a correspondente variação de temperatura. Exemplo: Q = 40 cal 46ºC 26ºC ∆T = 20 ºC Neste caso, temos: Logo: Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura desse corpo em 1 ºC, precisaremos fornecer a ele 2 cal. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de uma unidade de massa de um corpo. Calor Específico http://d1gnq2svmchsi4.cloudfront.net/wp-content/uploads/2012/02/cryoscope.jpg Exemplo: Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura de 1 g do material que compõe esse corpo em 1 º C, precisaremos fornecer a ele 0,5 cal. Nesse caso, temos: Logo: Q = 0,5 cal 27ºC 26ºC ∆T = 1 ºC FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Equação Fundamental da Calorimetria Como Temos que: Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (QS) é DIRETAMENTE PROPORCIONAL à Massa (m) do corpo Quanto maior a massa do corpo, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; ao Calor Específico (c) Quanto maior o calor específico, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; à Variação de Temperatura (∆T) Quanto maior a variação de temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de calor que se deve fornecer. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico No deserto, durante o dia, a temperatura atinge valores muito elevados; situação que se inverte à noite, com temperaturas bem baixas. Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic Curiosidade FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico A areia do deserto possui calor específico relativamente pequeno, o que a faz aquecer com muita facilidade durante o dia e se resfriar facilmente à noite. Por isso, as temperaturas variam muito. Curiosidade A explicação dessa variação se baseia no conceito de calor específico. Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico 1 Cal = 1000 cal Curiosidade A “Caloria” utilizada por médicos e nutricionistas é, na realidade, a quilocaloria (1 kcal = 1000 cal), também chamada Grande Caloria. Imagem: Glane23 / GNU Free Documentation License FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Curiosidade Brisa Marítima X Brisa Continental Por que, quando estamos na praia durante o dia, percebemos que os ventos sopram da água para a praia e à noite esse sentido é invertido? Imagem: Tó campos1 / Domínio Público FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico 14 FÍSICA, 1º ANO Lei da Inércia e Ação e Reação Brisa Marítima X Brisa Continental Durante o dia, a temperatura da terra se eleva mais rapidamente que a da água. Isso acontece porque o calor específico da água é maior que o da terra. Ou seja, é necessário maior quantidade de calor para elevar a temperatura de certa massa de água que elevar a temperatura da mesma massa de areia. As camadas de ar que estão em contato com a areia se aquecem mais, ficam menos densas e sobem. Seu lugar é ocupado pelo ar frio que está em contato com a água. Surge assim uma brisa do mar para a praia (Brisa Marítima). Dia z o ar se esfria e desce AR DE ALTA PRESSÃO AR DE BAIXA PRESSÃO o ar é mais frio sobre o mar e se move em direção ao continente o ar se aquece no continente e sobe FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico À noite, o movimento se inverte. Devido, ainda, aos diferentes valores de calores específicos, a terra esfria mais rapidamente. A água demora mais para esfriar. Assim, à noite, o ar mais quente é o que está em contato com a água. Por ser menos denso, ele sobe, dando lugar ao ar mais frio que está em contato com a praia. Produz-se então a brisa da terra para o mar (Brisa Continental ou Brisa Terrestre). Brisa Marítima X Brisa Continental Noite z o ar se esfria em altitude e desce AR DE BAIXA PRESSÃO AR DE ALTA PRESSÃO o ar mais frio sobre o continente se desloca em direçáo ao mar o ar mais aquecido sobre o mar sobe FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Recipiente termicamente isolado que evita troca de calor entre o seu conteúdo e o meio externo. Em princípio, um calorímetro ideal não deveria trocar calor com os corpos de seu interior, mas na prática isso ocorre. Portanto, em alguns casos, vamos considerar a capacidade térmica do calorímetro no equacionamento da troca de calor. Imagem: Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported Calorímetro FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica ecalor específico A garrafa térmica é um tipo de calorímetro. Calorímetro Com a finalidade de isolar termicamente o conteúdo de uma garrafa térmica do meio ambiente, adotam-se os seguintes procedimentos: As paredes internas são feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua a troca de calor por condução; as paredes internas são duplas, separadas por uma região de vácuo, cuja função é evitar a condução do calor que passa pelas paredes de vidro. Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico O vidro de que são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando assim as trocas por irradiação. Para evitar as possíveis trocas de calor por convecção, basta fechar a garrafa, pois dessa forma as massas fluidas internas não conseguem sair do sistema. É evidente que não existe o isolamento térmico perfeito; assim, apesar dos cuidados citados, após um tempo relativamente grande (várias horas), o conteúdo da garrafa térmica acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente. A garrafa térmica é um tipo de calorímetro. Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic Calorímetro FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Trocas de calor Num sistema de vários corpos, termicamente isolados do meio externo, a soma das quantidades de calor por eles trocados é igual a zero. Para um sistema de n corpos, escrevemos: No caso de o sistema não estar termicamente isolado ou de o calorímetro não ser ideal, devemos levar em conta a troca de calor dos corpos com o ambiente. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Vamos Exercitar? FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 01 (VUNESP-SP) Massas iguais de cinco líquidos distintos, cujos calores específicos estão dados na tabela adiante, encontram-se armazenadas, separadamente e à mesma temperatura, dentro de cinco recipientes com boa isolação e capacidade térmica desprezível. Se cada líquido receber a mesma quantidade de calor, suficiente apenas para aquecê-lo, mas sem alcançar seu ponto de ebulição, aquele que apresentará temperatura mais alta, após o aquecimento, será: a) a água. b) o petróleo. c) a glicerina. d) o leite. e) o mercúrio. Tabela Líquido Calor Específico (J/9°C) Água Petróleo Glicerina Leite Mercúrio 4,19 2,09 2,43 3,93 0,14 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Resolução Pela equação geral da calorimetria (Qs = m.c.∆T), percebemos que a variação de temperatura é inversamente proporcional ao calor específico da substância. Ou seja, vai sofrer MAIOR VARIAÇÃO DE TEMPERATURA aquela substância que apresentar MENOR CALOR ESPECÍFICO. Resposta: e) o mercúrio: c = 0,14 J/g.ºC Resposta: e) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 02 (FUVEST-SP) Um bloco de massa 2,0 kg, ao receber toda energia térmica liberada por 1000 g de água que diminuem a sua temperatura de 1°C, sofre um acréscimo de temperatura de 10°C. O calor específico do bloco, em cal/g.°C, é: (Adote: cágua: 1,0 cal/g.°C) a) 0,2 b) 0,1 c) 0,15 d) 0,05 e) 0,01 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Sabemos que: Resolução Como todo calor liberado pela água vai ser aproveitado para aquecer o bloco, temos que: Substituindo os valores, obtemos: Resposta: d) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 03 (FATEC-SP) Um frasco contém 20 g de água a 0°C. Em seu interior é colocado um objeto de 50 g de alumínio a 80°C. Os calores específicos da água e do alumínio são respectivamente 1,0 cal/g°C e 0,10 cal/g°C. Supondo não haver troca de calor com o frasco e com o meio ambiente, a temperatura de equilíbrio dessa mistura será: a) 60°C b) 16°C c) 40°C d) 32°C e) 10°C FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Resolução Sabemos que: Como não vai haver troca de calor com o meio externo, temos que: Substituindo os valores, obtemos: Resposta: b) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 04 a) o corpo maior é o mais quente. b) o corpo menor é o mais quente. c) não há troca de calor entre os corpos. d) o corpo maior cede calor para o corpo menor. e) o corpo menor cede calor para o corpo maior. (FEI-SP) Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que: Resolução Como os corpos estão em equilíbrio térmico, não vai existir calor, visto que CALOR É A ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO devido a diferenças de temperatura entre os corpos. Resposta: c) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 05 (PUC-SP - Modificada) É preciso abaixar de 3°C a temperatura da água da bacia, para que o nosso amigo possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água? O caldeirão contém 10 kg de água e o calor específico da água é 1 cal/g°C. a) 20 kcal b) 10 kcal c) 50 kcal d) 30 kcal e) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar a resposta. Imagem: Richfife / Domínio Público FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Resolução Sabemos que: Da equação geral da calorimetria, temos Resposta: d) ) Substituindo os valores, obtemos: O sinal negativo indica que o calor foi retirado da água. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Bibliografia BENIGNO, Barreto Filho; XAVIER, Cláudio da Silva. Física aula por aula. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora FTD, 2010. GASPAR, Alberto. Compreendendo a Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Ática, 2011. GUALTER; HELOU; NEWTON. Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Saraiva, 2011. MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora Scipione, 2011. <http://educar.sc.usp.br> Acesso em 12/06/2012. <http://pt.wikipedia.org> Acesso em 12/06/2012. <http://www.ciencia-cultura.com/Pagina_Fis> Acesso em 12/06/2012. <http://www.coladaweb.com/fisica> Acesso em 12/06/2012. <http://www.fisica.ufs.br> Acesso em 12/06/2012. <http://www.fisicafacil.pro.br> Acesso em 12/06/2012. <http://www.if.ufrj.br> Acesso em 12/06/2012. <http://www.infoescola.com/fisica> Acesso em 12/06/2012. <http://www.mundoeducacao.com.br> Acesso em 12/06/2012. <http://www.sofisica.com.br/conteudos> Acesso em 12/06/2012. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico image2.jpeg image3.jpeg image4.jpeg image5.jpeg image7.png image8.png image9.png image10.png image11.png image12.png image13.png image14.png image6.jpeg image7.jpeg image8.jpeg image15.png image16.jpeg image20.png image21.png image22.png image23.png image24.png image25.png image26.png image27.png image28.png image29.png image38.png image39.png image40.png image30.png image31.png image32.png image33.png image34.png image35.png image36.png image37.png image17.jpeg image42.png image43.png image44.png image45.png image46.png image1.jpeg
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