Estudo da Calorimetria

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Calorimetria
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, signi�ca medida.
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.
Uma fogueira nos aquece através da transferência de calor
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ 
INSTITUTO DE TECNOLOGIA 
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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 de�ne 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
Veja também: Energia Térmica
Equação Fundamental da Calorimetria
A quantidade de calor sensível recebida ou cedida por um corpo pode
ser calculada através da seguinte fórmula:
Q = m . c . ΔT
Sendo:
Q: quantidade de calor sensível (J ou cal)
m: massa do corpo (kg ou g)
c: calor especí�co (J/kg.ºC ou cal/g.ºC)
ΔT: variação de temperatura (ºC), ou seja, a temperatura �nal menos a
temperatura inicial
Calor especí�co e capacidade térmica
O calor especí�co (c) é a constante de proporcionalidade da equação
fundamental da calorimetria. Seu valor depende diretamente da
substância que constitui o corpo, ou seja, do material o qual é feito.
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Exemplo: o calor especí�co do ferro é igual a 0,11 cal/g.ºC, já o calor
especí�co da água (líquida) é 1 cal/g.ºC.
Podemos ainda de�nir uma outra grandeza chamada capacidade
térmica. Seu valor está relacionado ao corpo, levando em
consideração a sua massa e a substância de que é feito.
Podemos calcular a capacidade térmica de um corpo, através da
seguinte fórmula:
C = m.c
Sendo,
C: capacidade térmica (J/ºC ou cal/ºC)
m: massa (kg ou g)
c: calor especí�co (J/kg.ºC ou cal/g.ºC)
Exemplo
Em uma panela foram colocados 1,5 kg de água em temperatura
ambiente (20 ºC). Ao ser aquecida, sua temperatura passa para 85 ºC.
Considerando que o calor especí�co da água é de 1 cal/g ºC, calcule:
a) a quantidade de calor recebida pela água para atingir essa
temperatura
b) a capacidade térmica dessa porção de água
Solução
a) Para encontrar o valor da quantidade de calor, devemos substituir
todos os valores informados na equação fundamental da calorimetria.
Contudo, devemos ter uma atenção especial com as unidades. No
caso, a massa de água foi informada em quilograma, como a unidade
do calor especí�co está em cal/g ºC, iremos transformar essa
unidade para grama.
m = 1,5 kg = 1500 g
ΔT = 85 - 20 = 65 ºC
c = 1 cal/g ºC
Q = 1500 . 1 . 65
Q = 97 500 cal = 97,5 kcal
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b) O valor da capacidade térmica é encontrado substituindo os valores
da massa da água e o seu calor especí�co. Mais uma vez, iremos usar
o valor da massa em gramas.
C = 1. 1500 = 1500 cal/ ºC
Mudança de Estado
Podemos ainda calcular a quantidade de calor recebida ou cedida por
um corpo que gerou uma mudança em seu estado físico.
Para tal, devemos assinalar que durante o período em que um corpo
está mudando de fase, sua temperatura é constante.
Assim, o cálculo da quantidade de calor latente é feito usando-se a
seguinte fórmula:
Q = m.L
Sendo:
Q: quantidade de calor (J ou cal)
m: massa (kg ou g)
L: calor latente (J/kg ou cal/g)
Exemplo
Qual a quantidade de calor necessária para que um bloco de 600 kg
de gelo, a 0 ºC, se transforme em água nessa mesma temperatura.
Considere que o calor latente de fusão do gelo é de 80 cal/g.
Solução
Para calcular a quantidade de calor latente, substitui-se os valores
dados na fórmula. Não esquecendo de transformar as unidades,
quando necessário:
m = 600 kg = 600 000 g
L = 80 cal/g ºC
Q = 600 000 . 80 = 48 000 000 cal = 48 000 kcal
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Trocas de Calor
Quando dois ou mais corpos trocam calor entre si, essa transferência
de calor acontecerá de forma que o corpo com maior temperatura
cederá calor para o de menor temperatura.
Em sistemas isolados termicamente, essas trocas de calor irão
ocorrer até que seja estabelecido o equilíbrio térmico do sistema.
Nesta situação, a temperatura �nal será a mesma para todos os
corpos envolvidos.
Assim, a quantidade de calor cedida será igual a quantidade de calor
absorvida. Em outras palavras, a energia total do sistema se conserva.
Este fato pode ser representado através da seguinte fórmula:
Sendo:
ƩQ: soma total da quantidade de calor do sistema
Q ,Q ,...,Q : quantidade de calor cedida ou recebida por cada corpo,
sendo que o calor recebido é positivo e o calor cedido é negativo.
Fluxo de Calor
A transferência de calor entre dois ou mais corpos ocorre ao longo do
tempo. Desta maneira, podemos calcular esse �uxo de calor usando a
seguinte fórmula:
Sendo,
ϕ: �uxo de calor. A unidade do �uxo de calor no SI é o J/s que é
chamado de watt (W). Pode-se usar ainda o cal/s.
Q: quantidade de calor (J ou cal).
Δt: intervalo de tempo (s)
Propagação do Calor
A propagação de calor entre os corpos ocorre de três maneiras:
condução, convecção e irradiação.
1 2 n
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Condução, convecção e irradiação são as três formas de transferência de calor
Condução
Na condução térmica, a propagação do calor ocorre através da
agitação térmica dos átomos e molécula. Essa agitação é transmitida
ao longo do corpo, enquanto existir diferença de temperatura entre as
suas diferentes partes.
É importante notar que essa transmissão de calor necessita de um
meio material para ocorrer. Ela é mais efetiva nos sólidos do que nos
corpos �uidos.
Existem substâncias que permitem essa transmissão com maior
facilidade, são os condutores de calor. Os metais, de uma maneira
geral, são bons condutores de calor.
Por outro lado, há materiais que conduzem mal o calor, e são
chamados de isolantes térmicos, é o caso, por exemplo, do isopor, da
cortiça e da madeira.
Um exemplo dessa transferência de calor por condução acontece ao
mexermos uma panela no fogo com uma colher de alumínio.
Nesta situação, rapidamente a colher esquenta queimando nossa
mão. Por isso, é muito comum usarmos colheres de madeira para
evitar esse aquecimento rápido.
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Na convecção térmica, a transferência de calor acontece por
transporte do material aquecido, em função da diferença de
densidade. A convecção acontece nos líquidos e nos gases.
Quando uma parte da substância é aquecida, a densidade dessa parte
diminui. Essa mudança na densidade cria um movimento no interior
do líquido ou do gás.
A parte aquecida irá subir e a porção mais densa irá descer, criando o
que chamamos de correntes de convecção.
Isso explica o aquecimento da água numa panela, que acontece por
meio das correntes da convecção, onde a água que está mais próxima
do lume, sobe, enquanto a que está fria, desce.
Veja também: Densidade: o que é, como calcular, exemplos e exercícios
Irradiação
A Irradiação térmica corresponde a transferência de calor por meio de
ondas eletromagnéticas. Este tipo de transmissão de calor ocorre
sem a necessidade de existir um meio material entre os corpos.
Desta forma, a irradiação pode ocorrer sem que os corpos estejam em
contato, por exemplo, a irradiação solar que incide no planeta Terra.
Ao atingir um corpo, parte da radiação é absorvida e parte é re�etida.
A quantidade que é absorvida aumenta a energia cinética das
moléculas do corpo (energia térmica).
Os corpos escuros absorvem a maior parte da radiação que incide
sobre eles, ao passo que os corpos claros re�etem a maior parte da
radiação.
Desta maneira, corpos escuros ao serem colocados ao Sol aumentam
muito mais rapidamente sua temperatura do que os corpos de cor
clara.
Continue sua pesquisa!
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Exercício Resolvido
1) Enem - 2016
Num experimento, um professor deixa duas bandejas de mesma
massa, uma de plástico e outra de alumínio, sobre a mesa do
laboratório. Após algumas horas, ele pede aos alunos que avaliem a
temperatura das duas bandejas, usando para isso o tato. Seus alunos
a�rmam, categoricamente, que a bandeja de alumínio encontra-se
numa temperatura mais baixa. Intrigado, ele propõe uma segunda
atividade, em que coloca um cubo de gelo sobre cada uma das
bandejas, que estão em equilíbrio térmico com o ambiente, e os
questiona em qual delas a taxa de derretimento do gelo será maior.
O aluno que responder corretamente ao questionamento do professor
dirá que o derretimento ocorrerá
a) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem uma maior
condutividade térmica que a de plástico.
b) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem inicialmente
uma temperatura mais alta que a de alumínio.
c) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem uma maior
capacidade térmica que a de alumínio.
d) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem um calor
especí�co menor que do plástico.
e) com a mesma rapidez nas duas bandejas, pois apresentarão a
mesma variação de temperatura.
2) Enem - 2013
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Em um experimento foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada
de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro.
No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa,
durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida a
lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as
temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa
e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com
o ambiente.
A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à
da branca, durante todo experimento, foi
a) igual no aquecimento e igual no resfriamento.
b) maior no aquecimento e igual no resfriamento.
c) menor no aquecimento e igual no resfriamento.
d) maior no aquecimento e menor no resfriamento.
e) maior no aquecimento e maior no resfriamento.
3) Enem - 2013
Aquecedores solares usados em residências têm o objetivo de elevar
a temperatura da água até 70 °C. No entanto, a temperatura ideal da
água para um banho é de 30 °C. Por isso, deve-se misturar a água
aquecida com a água à temperatura ambiente de um outro
reservatório, que se encontra a 25 °C.
Qual a razão entre a massa de água quente e a massa de água fria na
mistura para um banho à temperatura ideal?
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a) 0,111.
b) 0,125.
c) 0,357.
d) 0,428.
e) 0,833
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