trocas de calor

Prévia do material em texto

Revisando o conceito de Calor 
Dobrando-se repetidamente de um lado para outro um pedaço de arame ou qualquer outro metal verifica-se 
que a região dobrada fica mais quente. Isso acontece porque a energia mecânica relacionada com o movimento 
das mãos foi transformada em energia térmica. 
Calor é a energia transferida de um corpo para outro em consequência da diferença de temperatura entre eles. 
A unidade usual de calor é caloria (cal), que corresponde à energia necessária para variar em 1°C a temperatura 
de 1g de água. 
 
Capacidade térmica de um corpo 
Para elevar em 1°C a temperatura de 1 kg de chumbo é necessária uma quantidade de calor maior que para 
elevar em 1°C a temperatura de 10 g do mesmo material. 
Concluímos que corpos diferentes necessitam de diferentes quantidades de calor para elevar sua temperatura 
em 1°C. Essa quantidade de calor é denominada capacidade térmica de um corpo. Sua expressão matemática 
é: 
𝐶 =
∆𝑄
∆𝑇
 
No SI, a unidade da capacidade térmica é J/K (joule por kelvin). É comum utilizar também cal/°C. 
 
CALOR ESPECÍFICO DOS MATERIAIS 
Qual será a razão de, na praia, durante o verão, sentirmos a areia mais quente que a água do mar? 
As diferentes sensações térmicas que temos de corpos em um mesmo ambiente, recebendo a mesma 
quantidade de calor, num mesmo intervalo de tempo, são explicadas pela natureza de cada material. Isso 
significa que para elevar em 1°C a temperatura de 1 g, cada material necessita de uma quantidade diferente de 
calor, definida como calor específico do material. 
Podemos dizer que o calor específico corresponde à capacidade térmica por unidade de massa: 
𝑐 =
𝐶
𝑚
 
A unidade usual de calor específico é cal/g°C (caloria por grama por grau Celsius). 
No SI (Sistema Internacional), sua unidade é J/kg.K (Joule por quilograma por kelvin). 
Juntando as duas expressões, teremos uma nova fórmula para calcular a quantidade de calor recebida ou cedida 
por um corpo devido às alterações de sua temperatura: 
∆𝑄 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ ∆𝑇 
 
Princípio da Igualdade das Trocas de Calor 
Dois corpos de temperaturas diferentes trocam calor entre si quando colocados em contato. Por exemplo, se 
você tocar uma vidraça, pode passar calor da sua mão para ela; sua mão, portanto, esfria porque perdeu calor 
e consequentemente teve a temperatura diminuída. A parte da vidraça que você tocou recebeu calor e 
consequentemente sua temperatura aumentou. 
De acordo com o Princípio da Conservação de Energia, num sistema termicamente isolado: 
A quantidade de calor (Q) trocada entre os corpos é tal que a soma da 
quantidade de calor recebida com a quantidade de calor cedida é nula 
∆𝑸𝒓𝒆𝒄𝒆𝒃𝒊𝒅𝒐 + ∆𝑸𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 = 𝟎 
 
Calorímetro 
Para medir a quantidade de calor recebida ou cedida por uma substância, podemos usar um aparelho chamado 
calorímetro, que tem a propriedade de não efetuar trocas de calor com o ambiente. 
Exercícios resolvidos: 
 
1. O gráfico mostra as quantidades de calor recebidas por dois corpos A e B em função da temperatura. 
 
a) Determine a capacidade térmica de cada substância. 
b) Sabendo que as massas dos corpos são iguais a 100 g, determine o calor específico de cada corpo. 
 
Resposta: 
 
 
2. Determine o calor específico do alumínio sabendo que, ao serem fornecidas 110 cal a uma placa de 50 g, ela 
sofre uma variação de temperatura de 10°C. 
Resposta: 
 
 
Calor latente 
"Quando uma substância está mudando de estado, ela absorve ou perde calor sem que sua temperatura 
varie." 
 
A expressão matemática para o cálculo da quantidade de calor, recebida ou cedida, necessária para modificar 
o estado físico de determinada quantidade de substância é: 
∆𝑄 = 𝑚. 𝐿 
Onde 𝐿 é o calor latente da substância 
A unidade usual de calor latente da substância é cal/g (caloria por grama). 
No SI (Sistema Internacional), sua unidade é J/kg (Joule por quilograma). 
 
Exercícios Resolvidos 
 
3. Calcule a quantidade de calor necessária para transformar 300g de gelo a 0oC em água a 0oC, sabendo que o 
calor latente de fusão da água é 𝐿𝑓𝑢𝑠ã𝑜 = 80cal/g. 
Resposta: 
 
4. Uma substância de massa 200g absorve 5000cal durante a sua ebulição. Calcule o calor latente de 
vaporização. 
Resposta: 
 
Observação importante: Quando o corpo (ou substância) recebe calor, usamos o valor positivo; caso contrário, ele estará 
cedendo calor e usaremos o valor negativo: 
Na fusão apresentada no exercício 1, 𝐿𝑓𝑢𝑠ã𝑜 = 80cal/g pois é uma quantidade recebida pelo corpo para que ocorra fusão. 
Já para a solidificação, 𝐿𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎çã𝑜 = - 80cal/g, pois nesse caso o corpo precisa perder calor para se solidificar. 
 
5. O alumínio tem calor específico 0,20cal/g.°C e a água 1cal/g.°C. Um corpo de alumínio, de massa 10g e à 
temperatura de 80°C, é colocado em 10g de água à temperatura de 20°C. Considerando que só há trocas de 
calor entre o alumínio e a água, determine a temperatura final de equilíbrio térmico. 
 
Observe que no exercício acima, o alumínio cede calor, pois está numa temperatura mais alta que a água, enquanto esta 
recebe calor do alumínio. Observe ainda, que a temperatura final de equilíbrio térmico tem que estar entre as 
temperaturas informadas; nesse caso, entre 20°C e 80°C.