Conceitos Básicos de Calorimetria e Mudança de Fase

CALORIMETRIA CALORIMETRIA Calorimetria 3 Objetivo de aprendizagem Compreender os conceitos de calorimetria e mudança de fase Tópicos de estudo Conceito de calor Mudança de fase Experimento de calorimetria Iniciando os estudos O que acontece quando colocamos uma xícara de café quente em uma sala na temperatura ambiente Simples a xícara de café esfria até chegar à temperatura ambiente Mas por que isso ocorre Porque devido à diferença de temperatura entre o café e a sala o café esfria e a sua vizinhança tem um pequeno aumento de temperatura A grandeza responsável por esse fenômeno é o calor que será apresentado com mais detalhes nesta unidade por meio do conceito de transformação de fase Por fim você verá um experimento bem interessante usando o conceito de calor para calcularmos o calor específico de um material MUDANÇA DE FASE No tópico anterior falamos que quando uma substância alcança uma determinada temperatura ela pode mudar de fase Por exemplo o ponto de congelamento da água é na temperatura de 0ºC ou seja nesse ponto a água líquida vai se transformar em gelo Também podemos pensar que o gelo quando chega a essa temperatura começará a se transformar em água líquida O mesmo raciocínio pode ser aplicado quando a temperatura de 100 ºC é alcançada pela água Nessa situação a água líquida vai se transformar em vapor Contudo mesmo chegando a essas temperaturas existe a necessidade de a substância receber ou perder calor Matematicamente teremos Q m L 4 onde m é a massa da substância e L o calor de transformação Aqui temos dois tipos de calor de transformação HALLIDAY 2016 Quando há mudança de fase líquida para gasosa a amostra precisa absorver calor se for de gás para líquido a amostra necessita perder calor O calor de transformação é chamado de Calor latente de vaporização Lv Quando a mudança de fase é de sólida para líquida a amostra necessita absorver calor de líquida para sólida a amostra precisa perder calor O calor de transformação é chamado Calor latente de fusão Lf A unidade do calor de transformação no sistema internacional é JK Na tabela 2 mostramos os valores de calor de transformação para algumas substâncias TIPLER 2009 Substância Tf K Lf kJK Te K Lv kJK Água 27315 3335 37315 2257 Álcool etílico 159 109 351 879 Chumbo 600 247 2023 858 Cobre 1356 205 2839 4726 Ouro 1336 628 3081 1701 Prata 1234 105 2436 2323 Zinco 692 102 1184 1768 Tabela 2 Valores para a temperatura de fusão calor de fusão temperatura de ebulição e calor de vaporização Fonte elaborado pelo autor Calorimetria 4 CONCEITO DE CALOR Para apresentar o conceito de calor vamos chamar a xícara de café de sistema e a sala de ambiente O calor pode ser definido como a energia que é transferida entre um sistema e seu ambiente devido à diferença de temperatura entre eles HALLIDAY 2016 No caso do exemplo da xícara de café o calor é transferido para a sala pois o café tem uma temperatura maior que o ambiente Outro exemplo que podemos citar é o caso de uma lata de refrigerante que acaba de ser retirada da geladeira e que é colocada na mesa da cozinha Podemos verificar que depois de um tempo a lata de refrigerante tem um aumento de temperatura Assim podese concluir que nesse caso o refrigerante recebe calor do ambiente Através desses dois exemplos aferimos que o calor sempre vai fluir do corpo mais quente para o corpo mais frio Como calor é uma energia em trânsito sua unidade no sistema internacional é o Joule J Contudo existem outros tipos de unidade de calor como por exemplo o BTU British Thermal Unit que você provavelmente já deve ter visto em aparelhos de arcondicionado A relação entre J e BTU é dada por 1 1055 BTU J Outra unidade de calor vem do sistema CGS denominado calorias cal muito usado por pessoas que se preocupam com dietas e exercícios Por exemplo na internet encontramos que uma fatia de pizza de muçarela possui 300 cal A relação entre cal e J é dada por Para um estudo quantitativo do calor estabeleceremos algumas convenções Primeiramente representaremos o calor pela letra Q Agora voltaremos ao caso de sistema e ambiente A figura 1 mostra as situações que iremos comentar Por exemplo quando a temperatura do sistema é maior que a do ambiente o calor é perdido pelo sistema por isso colocamos o calor como negativo Q 0 Caso contrário quando a temperatura do sistema é menor que a do ambiente o calor é recebido pelo sistema nesse caso vamos representar o calor como Q 0 Por fim quando a temperatura é igual entre o sistema e o ambiente não teremos troca de calor Q 0 1 4 18 cal J Calorimetria 5 Figura 1 Transferência de calor entre o sistema e o ambiente Fonte elaborado pelo autor Vamos agora mostrar a equação que será usada para calcular o calor Iremos considerar a transferência de calor entre sólidos e líquidos Anteriormente falamos que o calor é transferido quando existe uma diferença de temperatura entre o sistema e o ambiente Assim o calor Q é diretamente proporcional à diferença de temperatura ΔT Matematicamente escreveremos Q C T Δ 1 Em que a constante de proporcionalidade C é chamada de capacidade térmica Sua unidade no sistema internacional é dada por JOC ou JK Você deve se lembrar que a variação da temperatura em graus Celsius é igual a Kelvin Quanto à capacidade térmica não podemos confundila com o mesmo conceito do dia a dia Por exemplo a transferência de calor pode ocorrer sem limite enquanto a diferença de temperatura for mantida HALLIDAY 2016 Contudo não podemos esquecer que esse material pode derreter ou vaporizar durante o processo A equação 1 pode ser reescrita utilizandose o fato de que a capacidade térmica de um material vai ser diretamente proporcional à sua massa como C m c 2 Calorimetria 6 Na equação 2 a letra c representa o calor específico de substâncias que é uma característica de cada substância Por exemplo ele determina a quantidade de calor necessária para a variação de 1C de 1g da substância Então substituímos a equação 2 pela equação 1 obtendo A seguir colocamos na tabela 1 os valores de calor específico de determinados materiais HALLIDAY 2016 Substância Calor específico JKg K Chumbo 128 Tungstênio 134 Prata 236 Cobre 386 Ferro 460 Alumínio 900 Latão 380 Vidro 840 Gelo 10ºC 2220 Água 4186 Tabela 1 Valores para o calor específico de algumas substâncias Fonte elaborado pelo autor Neste vídeo apresentamos mais alguns exemplos de fonte térmica e os cálculos de potência Título Potência térmica Calorimetria Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvynzHNzHNgME Acesso em 21072022 APROFUNDESE Q m c T Δ 3 Calorimetria 7 A seguir faremos um exemplo de aplicação da equação 3 Exemplo 1 Um bloco de ferro com massa de 30Kg está a uma temperatura de 24C a Calcule a quantidade de calor que o bloco deve receber para que sua temperatura passe de 20C para 50C b Calcule a quantidade de calor que o bloco deve ceder para que sua temperatura varie de 20C a 5C Resolução a Para resolver esse item devemos identificar na tabela 1 o valor do calor específico do ferro Através disso podemos usar a equação 3 Q m c T Q Q J 460 50 20 41400 Δ 3 O sinal positivo indica que o sistema recebeu calor b Usando o mesmo procedimento do item a temos Q J 3 460 0 34500 5 2 O sinal negativo indica que o ferro perdeu calor para o ambiente A seguir veja um vídeo relacionado à presença de uma fonte térmica Acesse na plataforma o vídeo Fonte térmica ASSISTA Com esses conceitos da termodinâmica você pode pensar em muitos exemplos do dia a dia Estamos rodeados de corpos que recebem ou fornecem calor o tempo todo Calorimetria 8 Você já pensou por que o calor sempre vai do corpo quente para o corpo frio Por que não ocorre o contrário E já pensou sobre como seria a física se tivéssemos o calor indo do corpo frio para o corpo quente Para responder a essa pergunta verifique a explicação do site sugerido httpswwwsaberatualizadocom br201609porqueocalorvaidoquenteparaohtml Além disso se você quiser saber mais sobre fenômenos reversíveis e irreversíveis sugiro que verifique o artigo httpswwwscielobrjrbefa fzYLCFKjLtkD3PYK3CmHz5hlangpt REFLITA Na sequência veremos novos conceitos ainda relacionados a trocas de temperatura que podem alterar a forma de apresentação de um elemento Vamos lá Considera uma massa de 800g de gelo a uma temperatura de 10C Calcule a quantidade de calor necessário para essa massa de gelo chegar à temperatura de 30C Resolução Primeiramente temos que calcular o calor necessário para o gelo chegar a 0C com uma temperatura inicial de 10C Lembrando que temos que usar o valor do calor específico do gelo da tabela 1 Q₁ mₕₑₗₒ cₕₑₗₒ ΔT Q₁ 0822200 10 17760J Chegando à temperatura de 0C teremos que calcular a quantidade de calor para a transformação do gelo em água Usando o valor do calor de fusão da tabela 2 temos Q₂ mₕₑₗₒ LₐQ₂ 08333510³ 266800J Por fim temos que calcular a quantidade de calor para que água líquida vá de uma temperatura de 0C a 30C Q₃ mₐₑₕₐ cₐₑₕₐ ΔT Q₃ 08418630 0 100464J O calor total será a soma desses três termos Q Q₁ Q₂ Q₃ Q 17760 266800 100464 385024J No vídeo a seguir veremos a resolução de um exercício com misturas de substâncias Calorimetria 11 Acesse na plataforma o vídeo Mistura de substâncias ASSISTA No estudo da mudança de fase na termodinâmica vimos as mudanças para sólido líquido e gasoso Contudo existem outros dois estados plasma e condensado de BoseEinstein Veja no infográfico 1 Calorimetria 12 Infográfico 1 Os cinco estados da matéria Fonte elaborado pelo autor Calorimetria 13 Mas como conseguir uma matéria no estado condensado de BoseEinstein Ficou curioso com o condensado de BoseEinstein Assista a este vídeo Título Condensado de BoseEinstein Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvpRAdXpqzaaw Acesso em 21072022 APROFUNDESE Você já conhecia os cinco estados físicos da matéria Continue seus estudos aprofundandose mais nos conceitos de calorimetria Calorimetria 14 EXPERIMENTO DE CALORIMETRIA Veremos agora o funcionamento da experiência do calorímetro A figura 2 mostra um calorímetro por meio do qual podemos medir várias grandezas termodinâmicas Este aparelho consiste em paredes que não permitem troca de calor do seu interior com o ambiente Geralmente dentro do calorímetro são colocados água e um termômetro para medir a temperatura de equilíbrio Outro acessório usado no calorímetro é o agitador que tem como objetivo misturar duas substâncias e com isso alcançar o estado de equilíbrio mais rapidamente Figura 2 Calorímetro Colocando duas substâncias com temperaturas diferentes dentro do calorímetro acontecerá a troca de calor entre elas até que o equilíbrio seja atingido Dentro do calorímetro o calor cedido por um corpo é igual ao calor recebido pelo outro corpo Através dessa igualdade podemos deter minar várias grandezas térmicas de um material como por exemplo a capacidade térmica e o calor específico Calorimetria 15 Neste vídeo é apresentado o experimento do calorímetro Título Experimento de Calorimetria Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvSmRMsK7rvDc Acesso em 21072022 APROFUNDESE Para ilustrar melhor este conceito vejamos o exemplo Exemplo 3 Em um calorímetro com capacidade térmica desprezível são colocados 300g de água inicialmente a 20C Também é colocada uma barra de 600g de determinado material inicialmente a 120C O sistema alcança o equilíbrio a uma temperatura de 26C Calcule o calor específico desse material Resolução O calor cedido para o sistema é devido à barra a 120C assim o calor é dado por Q Q m c T cedido barra barra água Δ Q c c cedido barra barra 0 6 26 120 56 4 O calor recebido é escrito por Q m c T recebido água água Δ Qrecebido 0 3 4180 26 20 7524 Como o calorímetro não permite a troca de calor com o ambiente teremos Q Q cedido recebido 56 4 7524 7524 56 4 c c barra barra c J Kg C barra 133 4 Considerações finais 16 Nesta unidade foi apresentado o conceito de calor Você viu que o calor é uma energia em trânsito devido à diferença de temperatura entre dois corpos Também foi mostrado que o calor sempre vai do corpo quente para o corpo frio Com isso você aprendeu a calcular o calor e verificou que a transferência de calor ocorre até a substância alcançar a temperatura de transição Nessa temperatura de transição viu que a substância muda de fase havendo a necessidade de recebimento ou perda de calor Por fim foi mostrado como funciona o calorímetro que é um instrumento para calcular grandezas termodinâmicas Referências 17 HALLIDAY David Fundamentos de física gravitação ondas e termodinâmica 10 ed Rio de Janeiro LTC 2016 v 2 TIPLER Paul A Física para cientistas e engenheiros mecânica oscilações e ondas termodinâmica 6 ed Rio de Janeiro LTC 2009 v 1