CAPÍTULO_02_-_CALORIMETRIA_-TEXTO - 2I

Prévia do material em texto

CAPÍTULO 02 – CALORIMETRIA 
 
 
 
CALORIMETRIA: 
 É a parte da física que estuda a troca de energia térmica (calor) e as suas 
manifestações sobre os corpos. 
CALOR: 
 É a energia em trânsito que passa de um corpo para outro devido exclusivamente 
a diferença de potencial térmico existente entre os corpos. 
CAPACIDADE TÉRMICA: 
 É a razão entre a quantidade de calor que um corpo recebe ou cede e a variação 
de temperatura que o corpo sofre. Ela indica a quantidade de calor que um corpo precisa 
receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade. É importante destacar 
que a capacidade térmica não é característica da substância. 
 𝑪 =
△𝑸
△𝑻
 
Unidade de medida de capacidade térmica no sistema internacional de medidas (SI): 
joule/kelvin (J/K). 
Outras unidades: cal/°C; cal/K; cal/°F; J/°C. 
Onde: 
 𝑪  capacidade térmica; 
 △ 𝑸  quantidade de calor sensível; 
 △ 𝑻  variação de temperatura. 
 
CALOR ESPECÍCFICO SENSÍVEL: 
 
 É a razão entre a capacidade térmica e a massa do corpo. 
 
 c=
𝑪
𝒎
  𝑪 = 𝒄. 𝒎 
Unidade de medida de calor específico sensível no sistema internacional de medidas 
(SI): joule/kilograma.kelvin=(J/kg.K). 
Outras unidades: cal/g.°C; cal/g.K; cal/g.°F; J/g.°C. 
 
Onde: 
 𝐜  calor específico sensível; 
 𝑪  capacidade térmica; 
 𝒎  massa do corpo. 
 
Tabela do calor específico sensível (cal/g.°C) 
 
 
CALOR SENSÍVEL: 
 
 É o calor que o corpo recebe ou cede provocando um aumento ou diminuição na 
temperatura sem haver mudança de estado. 
 
 △ 𝑸 = 𝑪.△ 𝑻  △ 𝑸 = 𝒎. 𝒄.△ 𝑻 
 
Onde: 
 △ 𝑸  quantidade de calor sensível; 
 𝐜  calor específico sensível; 
 𝑪  capacidade térmica; 
 𝒎  massa do corpo 
 △ 𝑻  variação de temperatura. 
 
CALOR LATENTE: 
 
 É o calor que o corpo recebe ou cede durante uma mudança de estado mantendo 
a temperatura constante. 
 
△ 𝑸 = 𝒎. 𝑳 
 
Unidades de calor sensível e latente no sistema internacional de medidas (SI): joule= 𝐽. 
Outras unidades: cal; erg; kgm; btu. 
 
Onde: 
 △ 𝑸  quantidade de calor latente; 
 𝒎  massa do corpo 
 𝑳  calor específico latente. 
 
 Tabela do calor específico latente (cal/g) 
 
 
CURVA DE AQUECIMENTO DA ÁGUA: 
 
CURVA DE RESFRIAMENTO DA ÁGUA: 
 
 EXERCÍCIOS: 
EXERCÍCIO 2.1 – Um bloco de cobre recebeu uma quantidade de calor de 1800 cal e a 
sua temperatura aumentou de 9 ºC. Sabendo que o calor específico sensível do cobre 
vale 0,0923 cal/gºC, determine: 
 
a) a capacidade térmica, em cal/ºC, deste bloco; 
b) a quantidade de massa deste bloco, em kg. 
Resposta: a) 200cal/°C e b) 2166,8g 
 
EXERCÍCIO 2.2 – Um bloco de gelo de 100g, inicialmente a −10°𝐶, deve ser convertido 
em vapor a 130 °C. Sabendo que os calores específicos sensíveis do gelo, da água e 
do vapor valem respectivamente 0,5 cal/g°C, 1 cal/g°C, 0,5 cal/g°C e os calores 
específicos latentes de fusão do gelo e de vaporização da água valem respectivamente 
80 cal/g e 540 cal/g, determine: 
 
a) a quantidade de calor que deve ser fornecido neste processo, em cal; 
b) o gráfico da temperatura x calor da curva de aquecimento. 
Resposta: a) 74000cal 
 
EXERCÍCIO 2.3 – Um bloco de platina de massa 𝑚𝑝 = 300𝑔 e temperatura 𝑇𝑝 = 160 °𝐶 
é colocado em contato com outro bloco de ferro de massa 𝑚𝑓 = 800 𝑔 e temperatura 
𝑇𝑓 = 20 °𝐶. Os blocos são isolados termicamente até atingirem o equilíbrio térmico. 
Sabendo que os calores específicos do ferro e da platina valem respectivamente 
𝑐𝑓 = 0,116 𝑐𝑎𝑙/𝑔º𝐶 e 𝑐𝑝 = 0,035 𝑐𝑎𝑙/𝑔°𝐶, determine a temperatura do equilíbrio térmico. 
Resposta: 34,23°C. 
 
EXERCÍCIO 2.4 – O gráfico ilustra a mistura de 800g de água a 80 °C com uma massa 
de gelo a −40 °𝐶. Sabendo que os calores específicos da água e do gelo valem 
respectivamente 𝑐𝐴 = 1,0 𝑐𝑎𝑙/𝑔 °𝐶 e c𝑔 = 0,5 𝑐𝑎𝑙/𝑔 °𝐶 e o calor específico latente de 
fusão do gelo vele 𝐿𝑔 = 80 𝑐𝑎𝑙/𝑔, determine: 
 
 
a) a temperatura do equilíbrio térmico, em °C;; 
b) a massa de gelo no processo, em g 
c) o resultado final do processo. 
Resposta: a) 50°C, b) 160g e c) 960 de água a 50°C. 
 
 
EXERCÍCIO 2.5 – Uma fonte térmica fornece calor a uma razão do 20 cal/min. Um corpo 
de alumínio é aquecido nesta fonte durante meia hora e sua temperatura varia de 80 ºC 
para 130 ºC. Sabendo que o calor específico sensível do alumínio vale 0,215 cal/gºC e 
desprezando as perdas de calor para o ambiente, determine: 
 
a) a quantidade de calor, em cal, recebida pelo corpo; 
b) a capacidade térmica, em cal/ºC, deste corpo; 
c) a massa, em g, deste corpo. 
d) o gráfico da temperatura x calor da curva de aquecimento do corpo. 
Resposta: a) 1800cal, b) 36cal/°C, c) 167,4g. 
 
EXERCÍCIO 2.6 – Um bloco de 400g de cobre é retirado de um forno e colocado dentro 
de um recipiente de carbono contendo 500g de água a 20ºC. Depois de certo tempo, 
após a colocação do bloco de cobre, a temperatura de equilíbrio do conjunto é de 36ºC. 
A massa do recipiente de carbono é de 600g. Considerando os calores específicos da 
água, do carbono e do cobre, respectivamente iguais, a 1cal/gºC, 0,121 cal/gºC e 0,0923 
cal/gºC, determine a temperatura do forno. 
Resposta: 284,15°C. 
 
EXERCÍCIO 2.7 – Um bloco de gelo de 80g a uma temperatura de -10ºC é colocado em 
um recipiente contendo 400g de água a uma temperatura de 20ºC. Desprezando-se a 
capacidade térmica do recipiente e considerando os calores específicos sensíveis da 
água e do gelo respectivamente iguais a 1 cal/g.ºC e 0,5 cal/g.ºC e o calor específico 
latente de fusão do gelo igual a 80cal/g, determine a temperatura final da mistura. 
Resposta: 2,5°C. 
 
EXERCÍCIO 2.8 – Um recipiente termicamente isolado contém 400g de água a 80ºC. 
Adiciona-se a ele determinada quantidade de óleo a 10ºC, cujo calor específico sensível 
é 0,5 cal/g.ºC, e observa-se que o temperatura final de equilíbrio é de 50ºC. 
Desprezando-se a capacidade térmica do recipiente, determine a massa de óleo que foi 
adicionado ao recipiente. 
Resposta: 600g 
 
EXERCÍCIO 2.9 – Um corpo A foi colocado em contato com outro corpo B, e suas 
temperaturas variam de acordo com o gráfico abaixo. Sendo a massa de B é o triplo da 
massa de A e considerando que as trocas de calor tenham ocorrido apenas entre os 
dois, determine a razão entre o calor específico sensível de B e o calor específico 
sensível de A. 
 
 
 
 
Resposta: 1,2 
 
 
 
EXERCÍCIO 2.10 – Determine a quantidade de massa de vapor d’água a 160ºC deve 
ser misturado a 300 g de gelo a -10ºC, em um recipiente isolado termicamente, para 
produzir água líquida a 60ºC. Dados: 𝑐𝑔 = 0,5 𝑐𝑎𝑙/𝑔. °𝐶, 𝑐𝑉 = 0,5 𝑐𝑎𝑙/𝑔. °𝐶, 
𝐿𝑔 = 80 𝑐𝑎𝑙/𝑔, 𝐿𝑐 = −540 𝑐𝑎𝑙/𝑔 e 𝑐𝐻2𝑂 = 1 𝑐𝑎𝑙/𝑔. °𝐶. 
Resposta: 47,2g. 
 
EXERCÍCIO 2.11 – Um corpo permanece em contato, durante 10 minutos, com uma 
fonte que fornece 10 calorias por segundo. Sua temperatura sobe então de – 20 °C para 
30 °C. A massa do corpo vale m = 200 g. Sabendo que houve uma perda de 30% da 
energia fornecida para o ambiente, determine: 
 
a) a quantidade de calor recebida pelo corpo, em cal; 
b) a capacidade térmica deste corpo, em cal/°C; 
c) o calor específico sensível da substância de que é feito este corpo, em cal/gºC. 
Resposta: a) 4200cal; b) 84cal/°C e c) 0,42cal/g°C. 
 
EXERCÍCIO 2.12 – O gráfico seguinte ilustra as transformações sofridas por uma 
substância que se encontra no estado sólido. Sabendo que a massa da substância vale 
𝑚 =10g, determine: 
 
a) o calor específicosensível da substância no estado sólido, em cal/g.ºC; 
b) o calor específico sensível da substância no estado líquido, em cal/g.ºC; 
c) o calor específico latente de fusão da substância no estado sólido, em cal/g. 
resposta: a) 0,05cal/g°C; b) 0,2cal/g°C e c) 50cal/g. 
 
EXERCÍCIO 2.13 – Um recipiente metálico de 4 kg contém 14 kg de água e ambos estão 
a 15ºC. Um bloco de 2 kg, feito do mesmo metal, e que se achava inicialmente a 160ºC, 
é mergulhado na água. Após o equilíbrio térmico, o sistema todo se encontra a 18ºC, 
determine o calor especifico sensível do material de que é feito o recipiente, em cal/gºC. 
Resposta: 0,154cal/g°C. 
 
 
EXERCÍCIO 2.14 – Uma quantidade de massa de vapor d’água a 120ºC deve ser 
misturado a 400 g de gelo a -10ºC, em um recipiente isolado termicamente e com 
capacidade térmica desprezível, para produzir água líquida a 60ºC. Sabendo que os 
calores específicos sensíveis do gelo, da água e do vapor valem respectivamente 
𝑐𝑔 = 0,5 𝑐𝑎𝑙/𝑔°𝐶, 𝑐𝑎 = 1 𝑐𝑎𝑙/𝑔º𝐶 e𝑐𝑣 = 0,5 𝑐𝑎𝑙/𝑔°𝐶; e os calores específicos latentes de 
fusão do gelo e de condensação do vapor valem respectivamente 𝐿𝑔 = 80 𝑐𝑎𝑙/𝑔 e 
𝐿𝑐 = −540 𝑐𝑎𝑙/𝑔, determine: 
 
a) a massa de vapor necessário neste processo, em g; 
b) a curva de aquecimento do gelo em um gráfico da temperatura x calor; 
c) a curva de resfriamento do vapor em um gráfico da temperatura x calor. 
a) 96,67g. 
 
EXERCÍCIO 2.15– Uma amostra de massa m = 0,4 kg de uma substância é colocada 
em um sistema de resfriamento que remove calor a uma taxa constante. A figura abaixo 
mostra a curva de resfriamento da temperatura “T” em função do tempo “t”. A amostra 
congela durante o processo. O calor específico sensível da substância no estado líquido 
inicial vale c = 3000 J/Kg. K. Sabendo que tS = 80 min, determine: 
 
a) o calor específico latente de fusão da substância, em J/kg; 
b) o calor específico sensível da substância, em J/kg.K, no estado sólido. 
Resposta: a) 67500J/kg e b) 2250J/kg.K