Introdução à Calorimetria

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Calorimetria
1.Introdução ao estudo do calor 
1.1 Temperatura e calor 
A temperatura de um corpo é uma medida do grau de agitação de seus átomos ou moléculas. Mede a energia cinética média das partículas de um corpo ou sistema.
Calor é a energia térmica em trânsito 
Um corpo nunca tem calor. Um corpo possui energia térmica.
Equilíbrio térmico: fenômeno em que corpos com diferentes temperaturas trocam calor até chegarem a uma temperatura comum. 
Termômetros funcionam a partir do equilíbrio térmico com o corpo de quem o esta utilizando. 
2. Termometria 
2.1 Equação termométrica e termômetros 
A medida da temperatura de um corpo é sempre indireta. De fato, mede-se outra grandeza (propriedade) que está relacionada com a temperatura. 
Grandezas termométricas variam em função da temperatura. Ex.: Volume, densidade
Para a construção de um termômetro, instrumento que mede determinada grandeza termométrica, é importante fazer a relação entre ela e a temperatura por meio de uma equação termométrica. 
2.1.1 Termômetro de mercúrio 
Um termômetro de mercúrio possui um bulbo (reservatório de vidro) contendo mercúrio ligado a uma haste de vidro. Com a variação da temperatura, o mercúrio sofre dilatação térmica, aumenta de volume e sobe pela haste até determinada altura. 
2.1.2 Termômetro de máxima de mínima 
Utiliza com grandezas termométricas as dilatações do mercúrio e do álcool . 
Durante o aquecimento, o álcool do ramo esquerdo se dilata. Isso faz o mercúrio do ramo direito subir pela haste e carregar o índice, que fica preso no vidro. Quando ocorre um resfriamento, o álcool se contrai, o mercúrio desce do lado direito e sobre para o lado esquerdo. Nesse movimento o mercúrio carrega o índice do lado esquerdo, registrando a menor temperatura do período. 
Largamente utilizado para meteorologia 
2.2 Escalas termométricas 
2.2.1 Escala Celsius 
Unidade de medida: grau Celcius (°C)
Ponto de gelo 0°C e ponto do vapor de água 100°C
Obs.: Toda escala que divide em 100 partes iguais o intervalo entre os pontos fixos é denominada escala centesimal ou centígrada. 
2.2.2 Escala Fahrenheit 
32 °F para o ponto do gelo e 212° para o ponto do vapor.
2.2.3 Escala absoluta ou escala Kelvin
É chamada de escala absoluta por atribuir ao estado de energia mínima o valor de 0K, também chamado de zero absoluto.
Não possui valores negativos 
273K ponto de fusão do gelo e 373 K ponto de ebulição da água 
2.2.4 Escala Rankine
492R ponto de gelo, 672R ponto de valor 
Escala absoluta, não possui temperaturas negativas
1R corresponde a 1 °F
2.3 Comparação entre as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin
3. Dilatação térmica 
3.1 Introdução 
Dilatação térmica fenômeno em que os corpos, ao serem aquecidos, têm suas dimensões aumentadas. 
O aumento da temperatura é associado a um aumento da agitação das partículas que formam o corpo. Esse aumento da velocidade das partículas faz com que elas se desloquem ainda mais em torno de suas posições médias. Isso faz com que elas se afastem mais umas das outras e que aumente o espaço entre elas. Se o espaço entre as partículas do corpo aumenta, o volume final também acaba aumentando. 
Caso inverso: contração térmica
3.2 Dilatação dos sólidos 
3.2.1 Dilatação linear 
Analisa-se o comprimento 
Em que α é o coeficiente de dilatação térmica linear 
3.2.2 Dilatação superficial 
Variação da superfície do corpo 
Em que β é o coeficiente de dilatação superficial e β = 2α
3.2.3 Dilatação volumétrica 
Dilatação de todas as dimensões de um corpo sólido 
Em que γ é o coeficiente de dilatação volumétrica e, γ = 3α
3.2.4 Dilatação de um sólido oco 
Um corpo oco sofre dilatação térmica da mesma forma que um solido maciço, ou seja, é como seu o seu espaço interno fosse totalmente ocupado pelo mesmo material do restante do corpo. 
3.3 Dilatação dos líquidos 
Como um liquido está sempre contido dentro de algum recipiente, quando os aquecemos, ambos, liquido e recipiente, dilatam. 
Considerando um recipiente totalmente cheio que sofre um aumento de temperatura, o volume extravasado não corresponde à dilatação real do liquido, porque parte do volume do liquido que teve seu volume alterado ficou armazenada no recipiente que também se dilatou. 
Para a dilatação aparente do liquido pode-se dizer :
Dilatação real do liquido:
Se o liquido for conhecido previamente pode-se utilizar a mesma equação da dilatação 
4.Quantidade e trocas de calor 
4.1 Introdução 
4.1.1 Calor sensível e calor latente 
Calor sensível: produz a variação de temperatura em um corpo. 
Calor latente: calor que modifica o estado físico de um corpo 
4.1.2 Unidades de calor 
A energia é medida em joules no SI 
1 Cal = 4,2 J
4.2 Capacidade térmica e calor específico 
A troca de calor entre corpos ou sistemas depende de suas características intrínsecas, em particular da massa e composição química. 
Capacidade térmica (C): de um corpo é a quantidade de calor necessária para elevar em 1 °C a temperatura desse corpo. 
Unidade de medida usual: cal/°C
Calor específico (c): de uma material ou composto é a quantidade de calor necessária para elevar em 1°C a temperatura de uma unidade de massa desse material. 
Unidade de medida usual: cal/g°C
4.3 Equação Fundamental da Calorimetria 
Essa equação permite conhecer a quantidade de calor Q trocada por um corpo de massa m, cujo calor especifico é c ao sofrer uma variação de temperatura Δt.
4.4 Trocas de calor 
Calorímetro tipo de recipiente que, termicamente isolado, evita as trocas de calor entre o seu conteúdo e o meio externo. 
Na prática isso não ocorre
Calorímetro ideal (em questões) capacidade térmica nula ou desprezível. 
A garrafa térmica é um tipo de calorímetro. Ela possui duas paredes de vidro espelhado , entre as quais é criado vácuo. Essas medidas minimizam o fluxo de calor através das paredes da garrafa, tornando-a ideal para guardar líquidos que desejamos manter à temperatura constante. 
Princípio das trocas de calor : Num sistema de vários corpos, termicamente isolados do meio externo, a soma das quantidades de calor por eles trocadas é igual a zero. 
5. Mudança de Estado 
5.1 Introdução 
Cada um dos três estados físicos da matéria apresenta características próprias, que podem ser alteradas quando cedem ou recebem calor
Estado sólido: apresenta os átomos regularmente dispostos e com baixa mobilidade. Alta força de coesão. Os corpos sólidos têm forma e volume bem definidos. 
Estado liquido: as forças de coesão têm menor intensidade e os átomos apresentam maior mobilidade. Volume bem definido e pouco compressíveis. 
Estado gasoso: baixa força de coesão. Elevado grau de mobilidade. Forma e volume não são bem definidos. 
Mudanças de estado físico:
A vaporização pode ocorrer de três maneiras:
Evaporação: é a passagem lenta do estado liquído par ao estado gasoso, na qual somente as moléculas mais energéticas do liquido adquirem energia o suficiente para mudar o estado
Ebulição: o liquido se transforma em gás em sua temperatura de ebulição. A maioria das moléculas do liquido está com energia o suficiente para a mudança de estado 
Calefação: é a vaporização que ocorre quando o liquido passa rapidamente para o estado gasoso. 
4.2 Calor latente 
Se, por exemplo, um corpo ou um sistema absorver calor sob pressão constante, sua temperatura aumentará até atingir determinada temperatura em que ocorre uma mudança de estado físico. Nesse momento, caso o corpo continue a receber calor, a substância que o forma começará a mudar de estado físico e a temperatura se manterá constante. 
Calor latente é a quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa de determinada substância deve receber (ou perder) para sofrer uma mudança de estado físico. 
Obs.: A temperatura de fusão de uma substância depende da pressão externa à qual ela está submetida, de forma que, quanto maior a pressão, maior a temperatura de fusão. 
Funcionamento da panela de pressão. Aumenta a pressãoaumenta a temperatura de ebulição da água alimentos cozinham mais rapidamente.
4.3 Representação de mudanças de estado 
4.3.1 Curva de fusão 
Comportamento anômalo da água
As redes cristalinas são formadas por moléculas que, ao se agruparem, deixam espaços internos muito maiores. Dessa forma, durante a fusão, as estruturas cristalinas se desfazem e as moléculas tendem a ocupar os espaços vazios, provocando uma diminuição do volume. Isso também ocorre em algumas outras substâncias como o bismuto.
Experimento de Tyndall
Consiste em pendurar um fio de metal fino, com pesos adequados nas pontas, sobre um bloco de gela a uma temperatura inferior a 0°C. O bloco derrete no local em que há aumento da pressão sobre o gelo (gerado pelo sistema fio-pesos), permitindo que o fio penetre no gelo. Após a passagem do fio, a água formada volta a estar submetida à pressão anterior e retorna ao estado sólido (regelo). Dessa forma, o fio atravessa totalmente o bloco de gelo sem que esse se rompa. 
Aplicação: patinação no gelo 
4.3.2 Curva de ebulição 
No processo de ebulição, há um aumento da energia cinética das moléculas à medida que mais energia é transferida para a substancia liquida, o que possibilita que elas se livrem da atração que as aproxima. 
A pressão exercida sobre a substância também influência o processo de ebulição. Quanto maior a pressão, maior a temperatura de ebulição 
Exemplo: diferentes TE da água dependendo da altitude do local.
4.3.3 Curva de sublimação 
O processo de sublimação ocorre quando a estrutura cristalina das substâncias, submetidas à pressão constante, altera-se ao receber energia (passando de sólido para vapor) ou ao cedê-la (passando de vapor para sólido).
Gelo-seco 
f
4.3.4 Diagrama de estados (fases)
Reunião da curvas de fusão, ebulição e sublimação 
T ponto triplo ou tríplice, representa uma situação de equilíbrio em que a substância existe nos três estados. 
4.3.5 Pressão máxima de vapor 
Se aquecermos um recipiente fechado com água incialmente à temperatura ambiente, ao poucos a água vai vaporizando, ou seja, parte de suas moléculas deixa a superfície do liquido na forma de vapor. Nesse processo, a pressão interna é aumentada gradativamente. Entretanto, o processo inverso também acontece: parte das moléculas do vapor se condensa e volta a compor o liquido. Se esses dois processos ocorrerem na mesma taxa, dizemos que o sistema está em equilíbrio, e a quantidade de liquido no interior do recipiente não varia. A essa pressão no interior do recipiente dá-se o nome de pressão máxima de vapor. Esse valor é importante pois um liquido entra em ebulição à temperatura na qual sua pressão máxima de vapor iguala-se à pressão externa. 
4.3.6 Ponto crítico 
Esse ponto tem valores particulares que são limite entre os estados líquido e gasoso de uma substância. Para temperaturas e pressões acima do ponto crítico, a substância passa para o estado de gás e não pode mais ser levada para estado liquido sem a diminuição da temperatura. Dessa forma, acima do ponto critico, a substância possui características ambíguas dos dois estados, líquido e gasoso. 
5. Transmissão de calor 
5.1 Transmissão de calor por condução 
O calor se propaga devido à agitação dos átomos que constituem o material, mas sem que haja transporte de matéria durante o processo. 
Materiais que conduzem com maior rapidez o calor, como os metais, são considerados bons condutores térmicos. Os maus condutores de calor são considerados isolantes térmicos, como a lã. 
5.1.1 Lei de Fourier
Permite conhecer a rapidez (taxa de transmissão) com que o calor é transmitido por condução. 
Em que T1 e T2 são as temperaturas dos extremos
K = coeficiente de condutividade térmica 
5.2 Transmissão de calor por convecção 
Exemplo: Panela aquecendo água 
Porção mais próxima da chama é aquecida, dilata-se e, consequentemente, tem sua densidade diminuída. Assim, as camadas do liquido mais aquecidas (menos densas) se movem para a parte superior da panela, enquanto as camadas mais frias (mais densas) se deslocam para a região inferior da panela correntes de convecção 
Ocorre nos líquidos e nos gases
5.2.1 Aplicações da convecção térmica 
Geladeiras o congelador (parte mais fria) encontra-se na parte superior, facilitando a formação de correntes de ar no sentido descendente. 
Aparelhos de aquecimento são instalados na parte inferior seguindo o mesmo principio. 
Brisas marítimas :
Grandes centros urbanos Inversão térmica 
5.3 Transmissão de calor por radiação 
Calor se propaga por meio de ondas eletromagnéticas 
Quando um corpo recebe radiação, ele se aquece proporcionalmente à sua capacidade de absorver energia, de modo que um corpo com boa capacidade de absorção é também um bom emissor de radiação. 
De maneira geral, corpos escuros possuem alta absorvidade e baixa reflexividade (bons absorvedores e emissores), e o corpos claros e polidos possuem baixa absorvidade e alta refletividade (maus absorvedores e emissores).
5.3.1 Aplicações da radiação térmica 
Estufas e coletores de energia solar