Calorimetria: Medição de Calor

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Capítulo 20 
Calorimetria 
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Prof. José Luiz Fernandes Foureaux 
 
Apresentação 
 
No capítulo 18 abordamos a Termometria, que tratava da medição da temperatura. No 
capítulo atual tratamos da medição das quantidades de calor, que na Física recebe o 
nome de Calorimetria. 
 
Objetivos específicos 
 
Ao terminar o estudo deste capítulo você deverá ser capaz de: 
 
1. Descrever o histórico da origem do conceito de calor: 
1. Elemento fogo 
2. Flogístico 
3. Calórico 
4. Calor como forma de energia 
2. Descrever o experimento de Joule sobre o equivalente mecânico do calor 
3. Citar o equivalente mecânico do calor 
4. Resolver problemas aplicando o equivalente mecânico do calor 
5. Definir 
1. Capacidade térmica 
2. Calor específico 
6. Citar as unidades de 
1. Capacidade térmica 
2. Calor específico 
7. Resolver problemas aplicando as definições de capacidade térmica e calor 
específico 
8. Citar a equação fundamental da calorimetria 
9. Resolver problemas aplicando a equação fundamental da calorimetria 
10. Conceituar calorímetro 
11. Enunciar o princípio fundamental em que se baseia a utilização do calorímetro 
12. Definir equivalente em água de um calorímetro 
13. Calcular o equivalente em água de um calorímetro 
14. Resolver problemas de calorímetros 
15. Dissertar a respeito do elevado calor específico da água 
16. Descrever as consequências do elevado calor específico da água 
 
Pré-requisitos 
 
 Capítulo 2 – Medidas e unidades 
 Capítulo 5 – Notação de potências de 10 
 Capítulo 18 – Termometria 
 Operações matemáticas elementares 
 Resolução de equações e sistemas de 1º e 2º graus 
 
 
 
 
1. Quem é o “responsável” pelos fenômenos térmicos? 
 
Empédocles (490-430 AC), um dos filósofos pré-socráticos, propôs a teoria dos 
4 elementos: Terra, água, ar e fogo. O fogo seria responsável por fenômenos 
térmicos. 
http://es.wikipedia.org/wiki/Elementos_de_la_antig%C3%BCedad 
http://es.wikipedia.org/wiki/Fuego 
 
Em 1667 Johann Joachim Becher (1635-1682), um alquimista, propõe outra 
teoria, na qual o elemento fogo é excluído e o elemento terra é substituído por 
outros três: terra lapidea, terra fluida e terra pinguis. Esta última entraria na 
constituição dos materiais combustíveis. 
http://es.wikipedia.org/wiki/Johann_Joachim_Becher 
 
Em 1718 um estudioso de Becher, Georg Ernest Stahl (1660-1734), publica um 
trabalho no qual muda o nome da terra pinguis para flogístico. Este seria uma 
substância sem cor, cheiro, tato ou massa, que seria liberada na queima de 
qualquer material combustível. O material, perdendo flogístico, se transformaria 
em cinza, e o material que o recebesse teria sua temperatura aumentada 
http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_del_flogisto 
http://es.wikipedia.org/wiki/Georg_Stahl 
 
Em 1774 Joseph Priestley descobre acidentalmente o oxigênio (ao qual dá o 
nome de ar desflogisticado) e, entre 1775 e 1780 Lavoisier, numa série de 
experimentos famosos, mostra que é o oxigênio o responsável pela combustão. 
O próprio Lavoisier propõe, em 1783, a existência de um fluido imponderável 
responsável pelo aquecimento dos corpos. Dá-lhe o nome de calórico. 
Propõe uma lei de conservação – o calórico passa do mais quente para o mais 
frio, etc. 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley 
http://es.wikipedia.org/wiki/Antoine_Lavoisier 
 
Em 1798 Rumford observa que o atrito produz uma quantidade praticamente 
ilimitada de aquecimento na perfuração de tubos para canhão. Destaca que isso 
não era compatível com a ideia de uma substância responsável pelo 
aquecimento, e enfatiza que o único fornecimento ilimitado naquele 
processo era de movimento. 
 
O mesmo Rumford construiu cilindro oco de ferro no interior do qual girava com 
forte atrito outro cilindro maciço. O conjunto era mergulhado numa caixa d’agua 
e em 2,5 horas 10 litros de água foram levados à temperatura de ebulição. 
http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/person/rumford.htm 
 
Foi o físico alemão Hermann Von Helmholtz que, em 1847, estabeleceu a 
definição de calor como uma forma de energia: 
 
“Forma de energia que passa de um corpo a outro quando entre eles 
existe uma diferença de temperatura.” 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/Hermann_von_Helmholtz 
 
 
 
Tyndall elaborou um experimento que se tornou clássico: Um tubo metálico que 
contém álcool é girado rapidamente numa máquina de rotação e então apertado 
entre 2 blocos de madeira ligados por dobradiça. O calor desenvolvido pelo atrito 
aquece o álcool, que evapora e faz saltar a rolha. 
 
Vídeo: Exp. de Tyndall - https://www.youtube.com/watch?v=PUmzuGd4wcg 
 Biografia: http://es.wikipedia.org/wiki/John_Tyndall 
 
2. Unidades de quantidade de calor 
 
Caloria (cal) 
1 cal é quantidade de calor necessária para elevar de 14,5ºC a 15,5ºC a 
temperatura de 1 g de água. 
 
Joule (J) 
Sendo uma forma de energia, a unidade SI de calor é a mesma da energia. 
 
Relação entre caloria e joule: 
 
1 cal = 4,18 J 
 
Vídeo: Exp. de Joule - https://www.youtube.com/watch?v=PThq8fJpCLw 
Biografia: http://en.wikipedia.org/wiki/James_Prescott_Joule 
 
Outras unidades de quantidade de calor 
 
Quilocaloria – kcal = 1 x 103 cal 
 
British Thermal Unit (BTU) – BTU = 252,4 cal 
 
3. Capacidade térmica 
 
Corpos diferentes necessitam de quantidades diferentes de calor para sofrerem 
a mesma variação de temperatura. 
 
Chama-se capacidade térmica de um corpo ao quociente 
 
t
Q
C



 
 
unidades: cal/ºC e, no Sistema Internacional, J/K 
 
Interpretação: Capacidade térmica de um corpo é a quantidade de calor que 
deve ser fornecida ao corpo para que sua temperatura aumente de 1ºC. 
 
 
4. Calor específico 
 
Materiais diferentes, mesmo em iguais quantidades, sofrem variações diferentes 
de temperatura ao receberem a mesma quantidade de calor. 
(Equação 1) 
(Equação 2) 
 
 
 
Calor específico de um material é a quantidade de calor que deve ser fornecida 
a cada grama do material para que sua temperatura sofra um aumento de 1ºC: 
 
tm
Q
c



 
 
unidades: cal/g.ºC e, no Sistema Internacional, J/kg.K 
 
Vídeo: Calor esp. água óleo https://www.youtube.com/watch?v=0NBGoySNsBk 
 
Calores específicos 
 
 
5. Equação fundamental da calorimetria 
 
tcmQ
tm
Q
c 


 ..
.
 
 
6. Calorímetro 
 
Recipiente que impede a troca de calor entre seu conteúdo e o meio. Dotado de 
termômetro e agitador para uniformizar a temperatura. 
 
 
 
 
 
Sólido C Líquido C Gás c 
Alumínio 0,22 Água 1 Hidrogênio 3,409 
Enxofre 0,203 Álcool 0,579 Nitrogênio 0,241 
Vidro 0,198 Aguarrás 0,426 Ar 0,237 
Ferro 0,114 Azeite 0,310 Oxigênio 0,238 
Zinco 0,096 Sulfeto de 
carbono 
0,238 Gás carbônico 0,216 
Cobre 0,095 Clorofórmio 0,225 Cloro 0,112 
Latão 0,094 Mercúrio 0,033 
Prata 0,057 
Estanho 0,056 
Ouro 0,032 
Chumbo 0,031 
(Equação 3) 
(Equação 4) 
 
 
 
Princípio fundamental 
 
Calor cedido pelos corpos quentes = calor recebido pelos corpos frios 
 
Exemplo 
50 g de água a 90ºC são misturados com 40 g de água a 20ºC num 
calorímetro de capacidade térmica desprezível. Qual a temperatura final 
de equilíbrio térmico? 
 
C.C = C. R 
 
Ctt
ttt
ttQQ
tttcmQ
tttcmQ
º9,58
90
5300
53009080045005040
50450080040
80040)20(140..
504500)90(150..
12
2
1




 
 
Equivalente em água do calorímetro 
 
Um calorímetro ideal não participa das trocas de calor. No caso real isso não 
acontece. O calorímetro cede ou recebe calor do conteúdo nele colocado, e sua 
influência precisa ser considerada. Costuma-se equiparar a influência do 
calorímetro à de certa massa de água, e por isso fala-se em equivalente em água 
do calorímetro. 
 
Exemplo 
Coloca-se, num calorímetro a 15,2ºC, 200 g de água também à 
temperatura de 15,2ºC. Em seguida acrescenta-se mais 200 g de água, 
agora a 25,6ºC. O equilíbrio térmico é atingido à temperatura de 20,2ºC. 
Qual o equivalente em água do calorímetro? 
 
 
g
tc
Q
mtcmQ
calQQQ
caltcmQ
caltcmQ
16
5
80
)2,151,20.(1
80
.
..
8010001080
10005.200)2,152,20.(1.200..
10804,5.200)2,206,25.(1.200..
3
3
213
2
1








 
 
 
 
 
 
Calor cedido pela água quente: 
Calor recebido pela água fria: 
A diferença é o calor recebido pelo calorímetro: 
Massa de água que absorveria 80 cal para sofrer mesma Δt: 
O equivalente em água do calorímetro considerado é 16 g. 
 
 
 
7. Importância do elevado calor específico da água 
 
Termo regulação climática. 
Climas marítimos são temperados. 
Climas insulares são os mais constantes. Climas continentais (regiões afastadas 
de grandes massas de água – ex. África central) são as que apresentam maior 
amplitude térmica. 
 
8. Exercícios 
 
1. Certo aquecedor fornece 500 cal/s. Qual é sua potência em watts? 
 
2. Foi necessário fornecer 800 cal a um corpo para que sua temperatura 
sofresse um aumento de 2,5ºC. Qual a capacidade térmica desse corpo? 
 
3. Forneceu-se 40 cal a 10 g de certo material. A temperatura do mesmo sofreu 
um acréscimo de 5ºC. Qual o calor específico desse material? 
 
4. Que quantidade de calor deve ser fornecida a 5 litros de água a 20ºC para 
aquecer essa água até 80ºC? 
 cágua= 1 cal/g.ºC 
 
5. Um aquecedor de água é operado por energia solar. Se o coletor solar tem 
6,00 m2 de área e a intensidade da energia solar é de 550 W/m2, quanto 
tempo leva para aumentar a temperatura de 1000 litros de água de 20ºC para 
60ºC? 
 
6. Um calorímetro de alumínio de massa 100 g contém 250 g de água. O 
calorímetro e a água estão em equilíbrio térmico a 10ºC. Dois blocos 
metálicos são colocados na água. Um dos blocos é um pedaço de cobre de 
50 g a 80ºC. O outro bloco tem massa 70 g e está inicialmente a 100ºC. A 
temperatura final de equilíbrio térmico é 20ºC. Qual o calor específico da 
amostra desconhecida? 
cAl = 0,22 cal/g.ºC 
cCu = 0,095 cal/g.ºC 
 
 
7. Um bloco de chumbo de massa 300 g é mergulhado em 800 g de água a 
12ºC contidos num calorímetro de latão de 615 g. A temperatura final de 
equilíbrio térmico é 15ºC. Calcule a temperatura inicial do bloco de chumbo 
sabendo que 
cPb = 0,031 cal/g.ºC e clatão= 0,094 cal/g.ºC