Conceitos fundamentais e calorimetria

Prévia do material em texto

1 
 
 CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE TERMOLOGIA 
 
Temperatura é a grandeza física que mede o grau de agitação molecular de um corpo. 
 
Equilíbrio térmico dois ou mais corpos estão em equilíbrio térmico quando as suas tempe-
raturas são iguais. 
 
Lei zero da termodinâmica quando um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B 
e o corpo B está em equilíbrio térmico com um corpo C, então A e C também estão em e-
quilíbrio térmico entre si. 
 
 ESCALAS TERMOMÉTRICAS E SUAS RELAÇÕES 
 
Celsius, Fahrenheit e Kelvin convencionaram os seguintes pontos fixos para suas 
escalas. 
 
 
 
 
Relação entre as var iações de temperaturas
C F K
C F K 5 9 5
100 180 100 Relação entre as temperaturas
C F 32 K 273
5 9 5


  
  
   
  

  
 

 
 
Atenção!
 
 
Não existe temperatura menor que: 
 
o o0K 273 C 459,4 F  
 
 
 
2 
 
 CALORIMETRIA 
 
Energia térmica é o somatório das energias de todas as moléculas que existem num cor-
po. 
 
Calor é a energia térmica que transita de um corpo para outro devido à diferença de tempe-
ratura entre eles. Sem a necessidade de um agente externo, esse processo ocorre de um 
corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. 
 
Calor sensível 
O calor transferido a um corpo é sensível quando este corpo muda de temperatura. 
 
Q m.c.
C m.c
Q C.
 
 
  
 
c: calor específico (cal/g oC) 
m: massa da substância (g) 
: variação de temperatura (oC) 
C: capacidade térmica (cal/oC) 
 
Atenção! 
O equivalente em água de um corpo é numericamente igual à capacidade térmica do corpo. 
 
Calor latente 
O calor transferido a um corpo é latente quando este corpo muda de estado. Durante a mu-
dança de estado a temperatura da substância não varia. 
 
Q = m.L 
 
m: massa que muda de estado (g) 
L: calor latente (cal/g) 
 
Trocas de calor em sistemas termicamente isolados. 
Quando dois ou mais corpos, com temperaturas diferentes, são colocados dentre de um sis-
tema termicamente isolado ou adiabático eles trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. O 
somatório das quantidades de calor trocados entre os corpos é nulo. 
 
trocadosQ 0
 
 
Potência média térmica 
É a grandeza física que mede a quantidade de calor por unidade de tempo. 
 
m
Q
P
t


 
 
 
 
3 
 
 PROPAGAÇÃO DE CALOR 
 
Condução 
A condução é a propagação de calor na qual a energia térmica é transferida através da coli-
são entre as moléculas do meio. 
 
 
 
A condução ocorrer em qualquer meio material, sendo mais intensa nos meios sólidos do 
que nos fluidos. Logo os fluidos são maus condutores de calor, ou seja, são isolantes térmi-
cos. Entre os próprios sólidos existem os maus condutores de calor, por exemplo; a madei-
ra conduz muito menos calor que qualquer metal. 
 
Fluxo médio de calor 
Devido a diferença de temperatura entre dois pontos de uma barra, há um fluxo de calor (ou 
corrente térmica) no sentido da temperatura maior para a temperatura menor. Por definição 
o fluxo de calor ou a potência térmica medi a quantidade de calor Q que passa por uma 
determinada secção por unidade de tempo t. 
 
Q
t
 

 (cal/s) 
 
Lei Fourier 
Inicialmente as diversas secções da barra apresentam temperatura variável. Entretanto, de-
corrido certo tempo, essas secções assumem temperaturas constantes, mas diferentes en-
tre si. Nessa situação, atingiu-se um equilíbrio e o fluxo de calor dá-se em regime perma-
nente ou estacionário. Esse caso, o fluxo de calor é o mesmo em qualquer secção da barra. 
Desse modo, o fluxo obedece a seguinte lei: 
 
 
 
A
k
 
  
 
K: coeficiente de condutibilidade térmica. Sendo uma constante característica do material 
condutor. Sendo os maiores valores do K pertencem aos metais. 
 
4 
 
L: comprimento entre as secções onde se estabeleceu a variação de temperatura. 
: módulo da diferença entre as temperaturas. 
A: área da seção por onde passa o calor. 
 
Atenção! 
Define-se resistência térmica R como sendo: 
 
R
k
 
 
Convecção 
A convecção é a propagação de calor na qual a energia térmica é transferia através do des-
locamento de massas. 
Quando uma camada de fluido é aquecida ela se torna menos densa e sobe. Em quanto 
que a camada de fluido superior por está mais fria torna-se mais densa e por isso desce. 
 
 
 
Essas camadas que sobem e descem formam as correntes de convecção. 
 
A convecção só ocorre nos fluidos. 
 
Irradiação 
A irradiação é a propagação de calor na qual a energia térmica é transferia através de on-
das eletromagnéticas. Por isso, não depende necessariamente de um meio material para 
ocorrer. Logo, a irradiação pode ocorrer no vácuo. 
 
 
 
Fluxo de energia irradiado por um corpo 
 
4
iS T    
 
 
Fluxo de energia absorvida por um corpo 
 
4
aS T    
 
 
5 
 
:
 constante de Stefan-Boltzmann 
:
 emissividade 
TA: temperatura ambiente 
TC: temperatura do corpo 
 
Atenção! 
 
No caso de um corpo negro 
1 
 
 
Efeito estufa. 
O efeito estufa é um fenômeno natural que ocorre em qualquer lugar que tenha atmosfera, 
que é o caso da Terra. A atmosfera terrestre é composta de vários gases um deles é o ozô-
nio que filtra as radiações que chegam no nosso planeta. 
Os outros gases ditos “estufa” presentes na atmosfera do nosso planeta amenizam as per-
das de calor da Terra para o espaço por irradiação de ondas infravermelhas ou ondas de 
calor e uma boa parte desse calor é devolvida por eles para ela, mantendo assim a tempe-
ratura do nosso planeta. O problema é que a quantidade desses gases está aumentando 
consideravelmente o que contribui para o aumento do efeito estufa e consequentemente o 
aquecimento global do planeta. 
 
Efeito Estufa 
 
 
 
6 
 
Estufa artificial 
 
 
Garrafa térmica ou vaso de Dewar 
A garrafa térmica é um dispositivo cuja finalidade principal é manter praticamente constante 
a temperatura de um determinado conteúdo colado dentro dela. Para tanto as paredes são 
praticamente adiabáticas, isto é, reduzem consideravelmente as trocas de calor entre o seu 
conteúdo e o meio externo por condução, convecção e irradiação. 
 
 
 
7 
 
O conteúdo de uma garrafa térmica é isolado do meio ambiente devido: 
1. as paredes serem feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua as trocas de calor 
por condução. 
 
2. as paredes internas são duplas, separadas pó numa região de ar rarefeito (o ideal seria 
vácuo) cuja função é atenuar a condução e a convecção de calor entre as paredes. 
 
3. o vidro de são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radi-
ante seja refletido, atenuando assim as trocas de calor por irradiação. 
 
4. A tampa ameniza a convecção. 
 
 
 
QUESTÕES DA EFOMM 
 
Questão 01 (EFOMM) 
Uma certa quantidade de gelo, no seu ponto de fusão, é misturado com 30 g de vapor d’água 
no intuito de produzir água líquida a 50ºC. Considerando Lvaporização = 539 cal/g e 
c = 1,00 cal/g.K , a energia necessária, para que isso aconteça, é igual a 
A) 14680 cal. 
B) 15430 cal. 
C) 16460 cal. 
D) 17670 cal. 
E) 18000 cal. 
 
Questão 02 (EFOMM) 
Dois recipientes A e B, termicamente isolados e idênticos, contêm, respectivamente, 2,0 litros e 
1,0 litro de água à temperatura inicial de 20°C. Utilizando, durante 80 segundos, um aquecedor 
elétrico de potência constante, aquece-se a água do recipiente A até a temperatura de 60°C. A 
seguir, transfere-se 1,0 litro de água de A para B, que passa a conter 2,0 litros de água na 
temperatura T. Esse mesmo volume de água na temperatura T poderia ser obtido apenas com 
o recipiente A se, a partir das mesmascondições iniciais, utilizássemos o mesmo aquecedor 
ligado durante um tempo aproximado de 
Dado: massa específica da água = 1,0 kg/L 
A) 15 
B) 30 
C) 40 
D) 55 
E) 60 
 
Questão 03. (EFOMM) 
No interior de um calorímetro, totalmente preenchido por 0,40 kg de certa substância, há um 
termômetro e um resistor elétrico, todos inicialmente em equilíbrio térmico, na temperatura de 
40°C. No instante t = 0, o resistor foi conectado a uma bateria, passando a dissipar 80 watts. 
 
 
8 
 
 
 
 A leitura do termômetro permitiu a construção do gráfico da temperatura T da substância em 
função do tempo t, mostrado na figura. Considerando que toda a energia dissipada pelo resis-
tor é absorvida pela substância, o calor específico da substância, em J/g°C, é igual a 
A) 3,0 
B) 3,5 
C) 4,0 
D) 4,5 
E) 5,0 
 
Questão 04. (EFOMM) 
Observe a figura a seguir 
 
Dois corpos A e B são aquecidos separadamente por fontes de calor idênticas. A massa do 
corpo A é 200g e a do corpo B é 800 g. Analisando o gráfico, que mostra a temperatura do cor-
po em função do tempo de ação da fonte, verifica-se que o calor específico do corpo A (CA) e o 
calor específico do corpo B (CB) obedecem a relação 
 
9 
 
A) 
B A
3
c c
16

 
B) 
B A
5
c c
16

 
C) 
B A
7
c c
16

 
D) 
B A
9
c c
16

 
E) 
B A
11
c c
16

 
 
Questão 05. (EFOMM) 
Em relação aos conceitos de calor e de temperatura, é correto afirmar que 
A) o calor é energia em trânsito e a temperatura é a medida do calor. 
B) a temperatura e o calor são medidas da agitação molecular. 
C) o calor é a variação da temperatura, e a temperatura é o grau da agitação molecular. 
D) a temperatura é a variação do calor, e o calor é a energia em trânsito. 
E) o calor é energia em trânsito e a temperatura é a medida da agitação molecular. 
 
Questão 06. (EFOMM) 
O calor específico da água, que é bem conhecido, vale 1,0 cal/g°C. Sobre essa constante, no 
que diz respeito à água, é correto dizer que 
A) para resfriar 1 g de água em 1°C, sem que haja mudança de fase, é necessário retirar 
dessa porção 1 cal de quantidade de calor latente. 
B) para resfriar 1 g de água em 1ºC, sem que haja mudança de fase, é necessário retirar 
dessa porção 1 cal de quantidade de calor sensível. 
C) para fundir 1 g de água, sem que haja mudança de temperatura, é necessário retirar 
dessa porção 1 cal de quantidade de calor sensível. 
D) para fundir 1 g de água, sem que haja mudança de temperatura, é necessário retirar 
dessa porção 1 cal de quantidade de calor latente. 
E) nada nos é informado sobre as características térmicas da água. 
 
Questão 07. (EFOMM) 
Seja um calorímetro de capacidade térmica 18 cal / oC em equilíbrio térmico com 60 gramas de 
água (cágua = 1 cal /g 
oC) a 12 oC; se nele for inserido um pedaço de 350 g de ferro 
(cferro = 0,12 cal/g 
oC) a 220 oC, a temperatura (oC ) de equilíbrio do conjunto será de 
A) 32,4 
B) 45,8 
C) 58,6 
D) 71,4 
E) 84,8 
 
Questão 08. (EFOMM) 
Dois recipientes iguais A e B contêm, respectivamente, 2 litros e 1 litro de água à temperatura 
de 20º C. Utilizando um aquecedor elétrico de potência constante e mantendo-o ligado durante 
 
10 
 
80 segundos, aquece-se a água do recipiente A até a temperatura de 60º C. A seguir, transfe-
re-se 1 litro de água de A para B, que passa a conter 2 litros de água à temperatura T. Essa 
mesma situação final, para o recipiente B, poderia ser alcançada colocando-se 2 litros de água 
a 20º C em B e, a seguir, ligando-se o mesmo aquecedor elétrico em B, mantendo-o ligado du-
rante um tempo aproximado de 
A) 40 s. 
B) 60 s. 
C) 80 s. 
D) 100 s. 
E) 120 s. 
 
Questão 09. (EFOMM) 
Certa rede de “Fast Food” oferece sorvete de creme com cobertura de chocolate; verifique os 
seguintes 
dados: 
 Sorvete Chocolate 
Temperatura Inicial → Ts = - 5ºC Temperatura Inicial→ Tci = 68ºC 
Massa → Ms = 160 g Temperatura de Solidificação → Tcs = 38ºC 
Calor Sensível → cs = 0,4 cal/gºC Calor Sensível (líquido) = 1,2.10
-1 cal/gºC 
 Calor Sensível (sólido) = 0,7.10-1 cal/gºC 
 Calor Latente de Solidificação = -22 cal/g 
 
Calcule a massa, em g, de chocolate da cobertura (sólida) para uma temperatura de –1ºC 
(equilíbrio térmico). 
A) 6 
B) 7 
C) 8 
D) 9 
E) 10 
 
Questão 10. (EFOMM) 
Um esquimó vive em um iglu, ao nível do mar e ele deseja ferver água para fazer um café. Pa-
ra tal, ele sai e corta um bloco de 800g de gelo a –15ºC. Calcule a quantidade de calor total a 
ser gasta até que a água ferva. 
Dados: 
Calor específico da água – cágua = 1 cal/gºC 
Calor latente de fusão do gelo – Lfusão do gelo = 80 cal/g 
Calor específico do gelo – cgelo = 0,5 cal/gºC 
A) 90.000 cal. 
B) 100.000 cal. 
C) 130.000 cal. 
D) 150.000 cal. 
E) 160.000 cal. 
 
Questão 11. (EFOMM) 
Na caldeira da praça de máquinas de um navio, encontra-se instalado um termômetro gradua-
do na escala Celsius. O oficial de máquinas observou que, no intervalo de tempo de 5 minutos, 
 
11 
 
houve uma variação de 100 ºC na leitura da temperatura da caldeira. Se nessa mesma caldei-
ra, em vez de um termômetro graduado na escala Celsius, estivesse instalado um termômetro 
na escala Kelvin, a variação de temperatura ocorrida seria de: 
A) 410K 
B) 373K 
C) 273K 
D) 120K 
E) 100K 
 
Questão 12. (EFOMM) 
As garrafas térmicas são frascos de paredes duplas entre as quais é feito vácuo. As faces 
dessas paredes que estão frente a frente são prateadas. O vácuo entre as paredes tem 
a função de evitar: 
A) somente a condução. 
B) somente a irradiação. 
C) a condução e a convecção. 
D) somente a convecção. 
E) a condução e a irradiação. 
 
Questão 13. (EFOMM) 
Um corpo de massa 300 g é aquecido através de uma fonte cuja potência é constante e igual a 
400 calorias por minuto. O gráfico acima ilustra a variação de temperatura num determinado 
intervalo de tempo. 
 
 
O calor específico da substância que constitui o corpo é, em cal/gºC, igual a 
A) 1,0 
B) 0,8 
C) 0,5 
D) 0,3 
E) 0,2 
 
Questão 14. (EFOMM) 
Considere uma escala arbitrária de temperatura “Y”, na qual, ao ponto de ebulição da água 
seja atribuído o valor +160o e ao ponto de congelamento da água, o valor –20o. Determine a, 
aproximadamente, quantos graus CELSIUS correspondem “-4 oY”. 
A) –13,4 oC 
B) –0,44 oC 
C) –2,1 oC 
 
12 
 
D) 32,5 oC 
E) 8,9 oC 
 
Questão 15. (EFOMM) 
Duas escalas termométricas X e Y relacionam-se de acordo com o diagrama a baixo. 
 
 
 
O valor correspondente a leitura de 0o de Y na escala X é: 
A) -20 oX 
B) -30 oX 
C) -10 oX 
D) X = Y 
E) 20 oX 
 
Questão 16. (EFOMM) 
Na determinação do calor específico de um metal, aqueceu-se uma amostra de 50 gra-
mas desse metal a 98 oC e a amostra aquecida foi rapidamente transferida a um calorímetro 
de cobre bem isolado. O calor específico do cobre é de 9,3.10 -2 cal/g oC e a massa 
de cobre no calorímetro é de 150 gramas. No interior do calorímetro há 200 gramas de á-
gua (c = 1,0 cal/g oC). A temperatura do calorímetro antes de receber a amostra aque-
cida era de 21,0 oC. Após receber a amostra e restabelecido o equilíbrio a temperatura 
atingiu 24,6 oC. O calor específico do metal em questão é: 
A) cerca de duas vezes maior que o do cobre. 
B) cerca de metade que o calor específico do cobre. 
C) superior a 1 cal/g oC 
D) inferior a 0,1 cal/g oCE) aproximadamente igual ao da água 
 
Questão 17. (EFOMM) 
Analise cada uma das afirmativas : 
I. Num refrigerador, o congelador fica localizado na parte superior por causa das correntes 
convectivas que facilitam a troca de calor; 
II. A energia térmica de convecção não necessita de um meio para se propagar sendo 
transmitidas por ondas eletromagnéticas; 
III. O forno de micro ondas é baseado em ondas eletromagnéticas de alta frequência que 
quando penetram no alimento ativam as moléculas de água dos alimentos, causando 
vibrações insensíveis. O atrito de uma molécula com a outra gera calor, cozinhando os ali-
mentos; 
 
13 
 
IV. A formação das brisas, nas regiões litorâneas, em parte se deve ao fato de o calor es-
pecífico da terra ser bem menor que o da água. 
V. O motivo pelo qual espelha-se as faces da ampola de vidro de uma garrafa térmica 
é para ser evitada a convecção de calor. 
 
São verdadeiras: 
A) Nenhuma 
B) somente a II e a V 
C) I, II e IV 
D) II , III e V 
E) I, III e IV