FÍSICA F10 CALORIMETRIA

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FÍSICA 
Prof.ª Paôla Vargas Chagas
Calorimetria
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CONTEÚDO DA AULA
Conceitos iniciais
Calorimetria
Trocas de calor
Estados físicos da matéria
Trocas de calor com mudanças de estado físico
Transmissão de calor
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Conceitos iniciais
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Conceitos iniciais
Calor: é a energia que é transferida entre corpos de diferentes temperaturas com a intenção de atingir o equilíbrio térmico.
Equilíbrio térmico: é o estado em que diferentes corpos se encontram com a mesma temperatura.
Quantidade de calor – Q: grandeza utilizada para determinar a quantidade de calor transferido entre os corpos. (No SI: Joules – J; medida usual: quilocalorias - kcal) 
Sistema: ambiente no qual os corpos estão inseridos.
Sistema fechado: não permite trocas de calor com o ambiente externo.
Sistema aberto: permite trocas de calor com o ambiente.
Conceitos iniciais
Conversões
1 caloria (1 cal), por definição, é a quantidade de calor que, ao ser recebida por 1 grama de água, provoca uma variação de temperatura de 1 °C (de 14,5 °C para 15,5 °C), sob pressão normal (1 atm).
Calor sensível e Calor latente
Quando dois corpos, inicialmente em diferentes temperaturas, trocam calor até atingirem o equilíbrio térmico, um deles perde (cede) calor enquanto o outro ganha (recebe) a mesma quantidade de calor.
Quando um corpo recebe ou cede calor, temos dois efeitos:
Variação de temperatura, ou
Mudança de estado físico.
Quando o efeito é a variação de temperatura, o calor recebido ou cedido pelo corpo é chamado de calor sensível.
Quando o efeito é a mudança de estado físico, o calor recebido ou cedido pelo corpo é chamado de calor latente.
 Esses efeitos nunca acontecem simultaneamente para substâncias puras.
Calorimetria
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Capacidade térmica
É a razão entre a quantidade de calor fornecida a um corpo para que sua temperatura aumente 1 °C.
onde:
Exemplos
Exemplos
Calor específico
Relacionado com cada substância, é a quantidade de calor necessária para aumentar ou diminuir em 1 °C a temperatura de 1 grama da substância.
onde:
Exemplos
Exemplos
Equação fundamental da Calorimetria
É a relação entre a equação de Capacidade térmica e de Calor específico:
Equação fundamental da Calorimetria
A equação da calorimetria permite calcular a quantidade de calor (sensível) recebida ou cedida por um corpo.
Se a temperatura do corpo aumenta , ele recebe calor ; da mesma forma se o corpo recebe calor, sua temperatura aumenta. 
Se a temperatura do corpo diminui , ele cede calor ; da mesma forma se o corpo cede calor, sua temperatura diminui. 
Exemplos
Exemplos
Trocas de calor
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Princípio geral das trocas de calor
Em um sistema termicamente isolado, quando dois ou mais corpos trocam calor entre si até ser atingido o equilíbrio térmico, a soma algébrica das quantidades de calor trocadas por esses corpos é nula.
É necessário determinar a quantidade de calor que um corpo cede ou recebe para determinar os parâmetros da igualdade.
Exemplos
Exemplos
Estado físico da matéria
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Estados físicos da matéria
Na natureza, as substâncias podem ser encontradas em três estados de agregação diferentes: sólido, líquido e gasoso. Os estados de agregação também são denominados estados físicos da matéria ou fases da matéria.
Sólido: as partículas (átomos e/ou moléculas) que constituem a substância estão atribuídas no espaço em um padrão bem organizado, ocupando posições bem definidas, em função da grande força de atração entre elas. Por esse motivo, um corpo no estado sólido tem forma e volume bem definidos.
Estados físicos da matéria
Líquido: as partículas (átomos e/ou moléculas) que constituem a substância não estão fortemente ligadas como no estado sólido. Assim, um corpo no estado líquido, apesar de ter um volume bem definido, não tem forma própria, pois assume a forma do recipiente em que está contido, em razão da movimentação dos átomos e/ou das moléculas.
Gasoso: as partículas (átomos e/ou moléculas) que constituem a substância apresentam uma grande liberdade de movimentação e praticamente não existem forças umas sobre as outras. Assim, um corpo no estado gasoso não apresenta forma e volume definidos, assumindo a forma e o volume do recipiente em que está contido.
Estados físicos da matéria
O estado de agregação de cada substância é determinado pela pressão e pela temperatura a que ela está submetida. 
Portanto, existem diversos valores de pressão e de temperatura que determinam se uma substância está no estado sólido; outros que determinam se está no estado líquido; e outros que determinam se está no estado gasoso.
Uma alteração de temperatura ou de pressão pode provocar na substância uma alteração em seu estado de agregação.
Estados físicos da matéria
A fusão, a vaporização e a sublimação direta são mudanças de estado que ocorrem com absorção de calor (processo endotérmico); a solidificação, a condensação e a sublimação inversa são processos que ocorrem com a liberação de calor (processo exotérmico).
Curvas de aquecimento de uma substância pura
Denomina-se substância pura aquela que é formada de partículas quimicamente idênticas. Ou seja, se a substância for constituída de átomos, eles devem ser idênticos; se for constituída de moléculas, elas também devem ser idênticas.
Água destilada, por exemplo, composta apenas de moléculas de , é uma substância pura, mas a água do mar (ou qualquer água não destilada) é uma mistura na qual existem sais e outras substâncias dissolvidas ou em suspensão.
Observa-se experimentalmente que, para uma dada pressão, a temperatura na qual uma substância muda de estado físico é constante.
Curvas de aquecimento de uma substância pura
Considere uma porção de água sob pressão normal e a – 20 °C. Se fornecermos calor continuamente a essa porção de água, observa-se que:
Inicialmente, a temperatura do bloco de gelo aumenta até atingir 0 °C, quando o gelo começa a se fundir (derreter);
A partir desse instante, o fornecimento de calor provoca o derretimento (fusão) do gelo, porém sua temperatura permanece estável em 0 °C;
Após a fusão de todo o gelo, a temperatura da água líquida aumenta até 100 °C, quando começa a ferver e vaporizar.
A partir do início da fervura da água, o fornecimento de calor provoca sua vaporização, mas a temperatura permanece estável em 100 °C;
Após a vaporização de toda a água, se continuarmos fornecendo calor, a temperatura do vapor aumentará.
Curvas de aquecimento de uma substância pura
Essas cinco etapas podem ser visualizadas em um diagrama que mostra a temperatura da água em função da quantidade de calor recebido. 
Esse diagrama é conhecido como curva de aquecimento da substância pura, no caso, a água, sob pressão normal.
Curvas de aquecimento de uma substância pura
O processo físico de aquecimento é reversível, ou seja, se retirarmos calor continuamente de uma poção de vapor, inicialmente a 120 °C, por exemplo, obteremos a curva de resfriamento da água sob pressão normal.
Calor latente
É o calor que, recebido ou cedido por um substância, provoca somente mudança no estado físico da mesma.
onde:
L é o coeficiente de proporcionalidade relacionado à quantidade de calor necessária para a mudança de estado de uma unidade de massa de uma substância.
Exemplos
Exemplos
Trocas de calor com mudança de estado físico
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Trocas de calor com mudança de estado físico
Ao estabelecer a troca de calor entre dois corpos, A e B, admitimos que essa troca de energia térmica provoca apenas variações de temperatura. 
Pelo princípio geral das trocas de calor temos 
O princípio é válido quando o calor total trocado pelos corpos envolver o calor sensível (mudança de temperatura) e o calor latente (mudança de estado físico).
Exemplos
Exemplos
Diagrama de fases
O diagrama de fases representa para diferentes valores de pressão e volume qual o estado físico de uma substância. Observando que a temperatura mínima deve ser 0 K e a pressão mínima 0 atm (condiçõesnormais de temperatura e pressão).
Curva a – sublimação (equilíbrio sólido/gasoso)
Curva b – fusão (equilíbrio sólido/líquido)
Curva c – vaporização (equilíbrio líquido/gasoso)
I – Substância no estado sólido
II – Substância no estado líquido
III – Substância no estado gasoso
Ponto tríplice T – equilíbrio para existência dos 3 estados físicos simultaneamente
Ponto crítico C – extremo da curva de vaporização
Exemplos
Transmissão de calor
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Transmissão de calor
O calor é a energia térmica que se transfere de um corpo a outro através de três processos distintos:
Condução
Convecção
Irradiação
A transmissão de calor geralmente ocorre por dois ou até mesmo três processos simultaneamente, porém com um deles sendo predominante.
Transmissão de calor – Condução 
No processo de transmissão de calor por condução, a energia térmica é transmitida diretamente de uma partícula (átomo, molécula ou íon) para outra através do material que constitui o corpo.
A quantidade de calor transmitida por condução depende das ligações das partículas que formam o corpo.
Transmissão de calor – Condução 
Alguns sólidos são formados por átomos que tem elétrons livres em sua estrutura, facilitando a transmissão de energia por meio de colisões.
Os metais possuem muitos elétrons livres e são considerados bons condutores de calor (condutores térmicos) e de eletricidade.
Os materiais com poucos elétrons livres ou sujas partículas estão relativamente distantes umas das outras conduzem mal o calor e são denominadas isolantes térmicos.
Transmissão de calor – Condução 
O fluxo de calor corresponde à quantidade de calor que atravessa uma seção reta do corpo que o conduz, na unidade de tempo.
A propriedade física associada à condução de calor nos materiais é a condutividade térmica. Seu valor é elevado para os bons condutores térmicos e baixo para os isolantes térmicos.
Transmissão de calor – Condução 
Onde:
Exemplos
Transmissão de calor – Convecção 
Na convecção, o calor é transmitido juntamente com porções do material aquecido. Por esse móvito, a convecção é um processo de transmissão de calor que ocorre exclusivamente nos fluidos (líquidos, gases e vapores), nunca nos sólidos.
Em um aquecimento por convecção, deve-se aquecer a massa fluida das regiões inferiores, para favorecer a subida do material aquecido. Mas em um resfriamento, deve-se resfriar a massa fluida das regiões superiores, para favorecer a descida, criando as chamadas correntes de convecção.
Transmissão de calor – Convecção 
Exemplos
Transmissão de calor – Irradiação
Na irradiação, o calor é transmitido por ondas eletromagnéticas (como as ondas de rádio, raios infravermelhos, luz visível, raios ultravioleta, entre outras).
Quando essas ondas são de raios infravermelhos, também chamadas de ondas de calor ou calor radiante, utilizamos o termo irradiação térmica.
Transmissão de calor – Irradiação
De modo geral, qualquer corpo emite radiação eletromagnética, dependendo apenas de sua temperatura. Quanto maior a temperatura do corpo, maior a quantidade de calor transmitido por irradiação.
As ondas eletromagnéticas, como a luz e os raios infravermelhos, podem se propagar no vácuo e, por esse motivo, ao contrário da condução e da convecção que só ocorrem em meios materiais, a irradiação também pode ocorrer no vácuo.
É por meio da irradiação que o calor do Sol é transmitido à Terra, possibilitando a existência de vida em nosso planeta.
Transmissão de calor – Irradiação
As ondas de calor não se propagam com a mesma eficiência em todos os meios.
Transparente: transmite totalmente os raios irradiados.
Semitransparentes: uma parte dos raios incidentes sofre reflexão, uma parte atravessa e outra parte é absorvida pelo material.
Opacos: absorvem a maior parte da radiação incidente.
Superfícies escuras absorvem mais calor radiante que as superfícies claras, e as superfícies polidas ou espelhadas refletem mais calor radiante que as superfícies foscas.
Exemplos
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