Física - Aula 13 - Calorimetria

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AULA 13
CALORIMETRIA
1- INTRODUÇÃO
Neste capítulo estudaremos o calor e suas aplicações. Veremos que o
calor pode simplesmente alterar a temperatura de um corpo, ou até
mesmo mudar o seu estado físico.
2- CALOR
O calor é definido como sendo energia térmica transitando de um
corpo de maior para um corpo de menor temperatura. Esta energia
térmica é proveniente da agitação das moléculas que constituem o
corpo.
 
3- EQUILÍBRIO TÉRMICO
Conforme o fluxo de energia térmica passa do corpo de maior para o
de menor temperatura, o corpo mais quente vai se esfriando, e o corpo
mais frio vai se aquecendo, até que suas temperaturas atinjam o
mesmo valor. Esta temperatura é denominada temperatura de
equilíbrio térmico.
4- CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE
Quando uma substância ao receber ou ceder calor, sofre somente
uma variação em sua temperatura, dizemos que ela recebeu ou cedeu
calor sensível.
Portanto, se esta substância ao receber ou ceder calor, sofre uma
mudança de estado, dizemos que ela recebeu ou cedeu calor latente.
Na ilustração abaixo, temos a mesma fonte fornecendo calor a dois
corpos. Note que um dos corpos sofrerá apenas um aquecimento (calor
sensível), enquanto o outro corpo sofrerá uma mudança de estado
(calor latente).
5- CAPACIDADE TÉRMICA OU CAPACIDADE CALORÍFICA (C)
A capacidade térmica ou calorífica de um corpo mede o calor
necessário para variar de uma unidade a temperatura deste corpo.
Considere um corpo a uma temperatura 1q que ao receber uma certa
quantidade de calor Q, passa a ter uma temperatura 2q . A capacidade
térmica deste corpo é dada pelo quociente entre o calor Q e a variação
de temperatura qD , sofrida pelo corpo. A capacidade térmica também é
diretamente proporcional à massa e ao calor específico sensível da
substância que constitui o corpo.
6- QUANTIDADE DE CALOR SENSÍVEL (Q)
A quantidade de calor sensível é obtida da definição da capacidade
térmica. Multiplicando a equação da capacidade térmica membro a
membro pela variação de temperatura em seguida substituindo a
capacidade térmica pelo produto da massa pelo calor específico sensível,
temos determinada a equação fundamental da Calorimetria.
7- CALORIA
A caloria é definida como sendo a quantidade de calor necessária e
suficiente para elevar de 1°C a temperatura de 1g de água pura.
8- CALOR ESPECÍFICO DA ÁGUA
Com os dados acima e aplicando a equação fundamental da
Calorimetria, temos:
9- BALANÇO ENERGÉTICO
Corpos em diferentes temperaturas colocados em contato térmico em
um sistema isolado vão trocar calor até que se atinja o equilíbrio
térmico. Como não haverá entrada nem saída de calor deste sistema,
podemos afirmar que todo calor cedido (pelos corpos de temperaturas
mais altas) dentro do sistema, será também recebido (pelos corpos de
temperaturas mais baixas) dentro do sistema. Quando um corpo recebe
calor, sua variação de temperatura é positiva, logo, o calor recebido é
positivo. Quando um corpo cede calor, sua variação de temperatura é
negativa, logo, o calor cedido é negativo. Se somarmos o calor total
cedido com o calor total recebido o resultado será nulo.
10- MUDANÇAS DE ESTADO OU FASE.
Na natureza as substâncias podem se apresentar nas fases sólida,
líquida e gasosa. A mudança da fase sólida para a fase líquida é a fusão
e da fase líquida para a fase sólida é a solidificação.
A mudança da fase líquida para a fase gasosa é a ebulição ou
vaporização e da fase gasosa para a fase líquida é a condensação ou
liquefação.
A mudança da fase sólida para a fase gasosa é a sublimação e da
fase gasosa para a fase sólida também é a sublimação.
11- LEIS DAS MUDANÇAS DE ESTADO OU FASE
1ª LEI – Durante uma mudança de fase, à pressão constante, a
temperatura também se mantém constante. Isto significa dizer que, por
exemplo, à pressão atmosférica normal, o gelo começa a se fundir a 0°C
e durante toda a fusão a temperatura se mantém a 0°C.
2ª LEI – Cada substância pura tem a sua temperatura própria de
mudança de fase. Isto significa dizer que, por exemplo, à pressão
atmosférica normal, a água entra em ebulição a 100°C enquanto que o
álcool entra em ebulição a 78°C.
3ª LEI – Se a pressão se altera as temperaturas de mudanças de fase
também se alteram. Por exemplo, numa panela de pressão a
temperatura de ebulição da água atinge valor maior que 100°C devido
ao aumento de pressão.
12- QUANTIDADE DE CALOR LATENTE (Q)
Experimentalmente verificou-se que a quantidade de calor necessária
para mudar a fase de uma substância era diretamente proporcional à
massa da substância. A constante de proporcionalidade foi chamada de
calor específico latente e daí surgiu a relação:
13- CURVAS DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO
Considere um corpo de massa m inicialmente no estado sólido e a
uma temperatura inferior a sua temperatura de fusão. Fornecendo calor
a este corpo , ele irá atingir a temperatura 4q , passando de sólido para
liquido e de liquido para gasoso. Nesse processo ocorreram
aquecimentos (calor sensível) e mudanças de estado (calor latente). O
gráfico abaixo mostra como varia a temperatura em função da
quantidade de calor.
EXERCÍCIOS
1- (MACKENZIE) – um corpo de certo material, com 200g, ao
receber 1000cal aumenta sua temperatura de 10°C. Outro corpo
de 500g, constituído do mesmo material, terá capacidade térmica
de:
a) 50cal/°C b) 100cal/°C c) 150cal/°C
d) 250cal/°C e) 300cal/°C
2- (UNISA) – O gráfico representa a temperatura de uma
amostra, de massa 100g, de uma substância, em função da
quantidade de calor por ela absorvida. O calor específico sensível
dessa substância, em cal/g°C, é:
a) 0,10 b) 0,20 c) 0,40
d) 0,60 e) 0,80
3- (UNISA-SP) – Tem-se 20g de gelo a -20°C. A quantidade de
calor que se deve fornecer ao gelo para que ele se transforme em
20g de água a 40°C é:
Dados:
Calor específico sensível do gelo = 0,50cal/g°C
Calor específico sensível da água = 1,0cal/g°C
Calor específico latente de fusão do gelo = 80cal/g
a) 1000cal b) 1200cal c) 2600cal
d) 3000cal e) 4800cal
4- (FUVEST-FGV-SP) – Dispõe-se de água a 80°C e gelo a 0°C.
Deseja-se obter 100g de água a uma temperatura de 40°C (após
o equilíbrio), misturando água e gelo em um recipiente isolante e
com capacidade térmica desprezível. Sabe-se que o calor
específico latente de fusão do gelo é 80cal/g e o calor específico
sensível da água é 1,0cal/g°C. A massa de gelo a ser utilizada é
a) 5,0g b) 12,5g c) 25g
d) 33g e) 50g
5- (UELON-PR) – Em um recipiente, de paredes adiabáticas e
capacidade térmica desprezível, introduzem-se 200g de água a
20°C e 80g de gelo a -20°C. Atingindo-se o equilíbrio térmico, a
temperatura do sistema será:
20
80
1200
)C(°q
)cal(Q0
a) -11°C
b) 0°C, restando 40g de gelo.
b) 0°C, restando apenas água.
b) 0°C, restando apenas gelo.
a) 11°C
Dados:
Calor específico sensível do gelo = 0,50cal/g°C
Calor específico sensível da água = 1,0cal/g°C
Calor específico latente de fusão do gelo = 80cal/g
RESPOSTAS
1. ALTERNATIVA D
2. ALTERNATIVA A
3. ALTERNATIVA C
4. ALTERNATIVA C
5. ALTERNATIVA B