Calores e Mudanças de Fase: Capacidade Térmica e Calor Específico

Calores e mudanças de fase Apresentação Nesta unidade de aprendizagem serão estudados a capacidade térmica o calor específico e o calor latente Além disso serão realizados cálculos relativos a essas grandezas Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Construir o conceito de capacidade térmica e de calor específico Relacionar o calor latente à mudança de fase Efetuar cálculos relacionados a essas grandezas físicas Desafio Sabese que há um vento característico à beira do mar Esse vento é em muitos casos excessivo e vários fatores explicam esse fenômeno O vento pode resultar da diferença de calor específico da areia e da água dentre outros motivos Frente ao que está em estudo nesta unidade de aprendizagem você conseguiria modelar esse evento explicando como esse fator influencia para a existência do vento Infográfico No esquema gráfico a seguir ilustrase o principal conceito desta unidade de aprendizagem que trabalha com a capacidade térmica o calor específico e o calor latente Veja um exemplo da recepção de calor de um um corpo e sua relação com a temperatura Conteúdo do livro O trecho selecionado para o estudo nesta unidade de aprendizagem aborda assuntos da termodinâmica o calor específico a capacidade térmica e o calor latente sendo o calor específico e a capacidade térmica a quantidade de calor que se precisa fornecer para alterar uma certa temperatura Já calor latente é a energia que há em uma mudança de fase Acompanhe um trecho do livro Física para universitários relatividade oscilações ondas e calor Inicie a leitura a partir do tópico Calores específicos de sólidos e fluidos Wolfgang Bauer Gary D Westfall Helio Dias Wolfgang Bauer Gary D Westfall Helio Dias Wolfgang Bauer Gary D Westfall Helio Dias Bauer Westfall Dias Física Física para Universitários relatividade oscilações ondas e calor para Universitários Física para Universitários Física para Universitários wwwgrupoacombr 0800 703 3444 Área do Professor No site do Grupo A wwwgrupoacombr estão disponíveis materiais exclusivos para professores manual de soluções em inglês e apresentações em PowerPoint em português Física para Universitários utiliza discussões de pesquisas contemporâneas e de vários tópicos de energia para apresentar a física como uma ciência dinâmica e instigante com um enorme impacto em todas as outras áreas da ciência Além de mostrar o empolgante mundo da física Bauer Westfall Dias utilizam um método inédito de resolução de problemas com sete passos para propiciar aos estudantes uma das grandes habilidades que eles devem desenvolver em um curso de física a capacidade de resolver problemas e pensar logicamente sobre uma situação O terceiro livro de Bauer Westfall Dias descreve e explica cuidadosamente inúmeros tópicos entre eles uma visão geral das características físicas de sólidos líquidos e gases a natureza do movimento oscilatório propriedades e o comportamento de ondas ondas sonoras conceitos de temperatura calor e entropia Discutese também a natureza do calor e os mecanismos de transferência de energia térmica a física dos gases máquinas térmicas e a teoria de relatividade especial Os autores apresentam o conteúdo conectandoo intimamente com os maiores avanços da física atual O texto é acompanhado de inúmeras imagens exercícios e exemplos que envolvem o estudante universitário com as maravilhas da ciência da tecnologia e da inovação A Bookman Editora é parte do Grupo A uma empresa que engloba diversos selos editoriais e várias plataformas de distribuição de conteúdo técnico científico e profissional disponibilizandoo como onde e quando você precisar O Grupo A publica com exclusividade obras com o selo McGrawHill em língua portuguesa relatividade oscilações ondas e calor relatividade oscilações ondas e calor FÍSICA BAUER WESTFALL DIAS Física para Universitários Mecânica Física para Universitários Relatividade Oscilações Ondas e Calor Física para Universitários Eletricidade e Magnetismo Física para Universitários Ótica e Física Moderna COMINS KAUFMANN III Descobrindo o Universo 8ed FEYNMAN LEIGHTON SANDS Lições de Física de Feynman A Edição definitiva HEWITT PG Física Conceitual 11ed HEWITT PG Fundamentos de Física Conceitual KNIGHT RD Física Uma Abordagem Estratégica 2ed Vol 1 Mecânica Newtoniana Gravitação Oscilações e Ondas Vol 2 Termodinâmica e Óptica Vol 3 Eletricidade e Magnetismo Vol 4 Relatividade e Física Quântica PRESS TEUKOLSKY COLS Métodos Numéricos Aplicados Rotinas em C 3ed SAKURAI NAPOLITANO Mecânica Quântica Moderna Livros em produção no momento de impressão desta obra mas que muito em breve estarão à disposição dos leitores em língua portuguesa RELATIVIDADE OSCILAÇÕES ONDAS E CALOR FÍSICA wwwgrupoacombr 38964FisicaUniversitariosRelatividadeindd 1 090812 1139 B344f Bauer Wolfgang Física para universitários recurso eletrônico relatividade oscilações ondas e calor Wolfgang Bauer Gary D Westfall Helio Dias tradução Manuel Almeida Andrade Neto Trieste dos Santos Freire Ricci Iuri Duquia Abreu revisão técnica Helio Dias Dados eletrônicos Porto Alegre AMGH 2013 Editado também como livro impresso em 2013 ISBN 9788580551600 1 Física 2 Princípios da física 3 Relatividade 4 Oscila ções 5 Ondas 6 Calor I Westfall Gary D II Dias Helio III Título CDU 5301 Catalogação na publicação Ana Paula M Magnus CRB 102052 Capítulo 6 Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 181 Calorimetria Um calorímetro é um dispositivo usado para estudar mudanças de energia interna por meio da mensuração de transferências de energia térmica A transferência de energia térmica e a mudança de energia interna podem resultar de uma reação química uma mudança física ou diferenças de temperatura e calor específico Um calorímetro simples consiste em um reci piente isolado e um termômetro Para medições simples um copo de isopor e um termômetro comum de álcool darão conta do recado Presumiremos que nenhum calor é perdido ou ganho no calorímetro ou no termômetro Quando dois materiais com temperaturas diferentes e calores específicos são colocados em um calorímetro o calor irá fluir da substância mais quente para a mais fria até que a tempera tura das duas substâncias seja a mesma Nenhum calor irá fluir para dentro ou fora do calorí metro O calor perdido pela substância mais quente será igual ao calor ganho pela substância mais fria Uma substância como a água com um calor específico alto c 419 kJkg K exige mais calor para elevar sua temperatura pela mesma quantidade do que uma substância com calor específico baixo como o aço com c 0488 kJkg K O Problema Resolvido 61 ilustra os conceitos de calorimetria Usando o fator de conversão de joules para quilowattshora equação 61 calculamos o custo do aquecimento da água como real Quanta energia é necessária para elevar a temperatura de um bloco de cobre com massa de 300 kg de 250 C para 125 C a 116 kJ d 576 kJ b 278 kJ e 761 kJ c 421 kJ 61 Exercícios de sala de aula PROBLEMA RESOLVIDO 61 Água e chumbo PROBLEMA Um ferreiro derrama 300 kg de grãos de chumbo que é o material usado para preencher cartu chos de espingardas a uma temperatura de 947 C em 100 kg de água a 275 C em um recipiente isolado que age como um calorímetro Qual é a temperatura final da mistura SOLUÇÃO PE N S E Os grãos de chumbo irão ceder calor e a água irá absorver calor até que ambos estejam na mesma temperatura Algo que pode passar despercebido é que os grãos de chumbo têm uma temperatu ra de fusão mas é significativamente acima de 947 C por isso não precisamos considerar uma mudança de fase nessa situação A água irá permanecer líquida e os grãos de chumbo irão perma necer sólidos A Seção 67 aborda situações envolvendo mudanças de fase DE S E N H E A Figura 610 mostra a situação do problema antes e após os grãos de chumbo serem adicionados à água PE S QU IS E O calor perdido pelos grãos de chumbo Qchumbo para seu ambiente é dado por Qchumbo mchumbocchumboT Tchumbo onde cchumbo é o calor específico do chumbo mchumbo é a massa dos grãos de chumbo Tchumbo é a temperatura original dos grãos de chumbo e T é a temperatura final de equilíbrio O calor ganho pela água Qágua é dado por Qágua máguacáguaT Tágua onde cágua é o calor espe cífico da água mágua é a massa da água e Tágua é a temperatura original da água A soma do calor perdido pelos grãos de chumbo e o calor ganho pela água é zero porque o processo aconteceu em um recipiente isolado e porque a energia total é conservada uma conse quência da primeira lei da termodinâmica Então podemos escrever Qchumbo Qágua 0 mchumbocchumboT Tchumbo máguacáguaT Tágua Continua Tchumbo Tágua T a b Figura 610 Grãos de chumbo e água a antes e b após os grãos de chumbo serem adicionados à água LivroBauerVol2indb 181 LivroBauerVol2indb 181 090812 1453 090812 1453 182 Física para Universitários Relatividade Oscilações Ondas e Calor 67 Calor latente e transições de fase Como mencionado no Capítulo 1 os três estados da matéria comuns às vezes chamados de fases são sólido líquido e gasoso Estivemos considerando objetos para os quais a mudança de temperatura é proporcional à quantidade de calor adicionada Essa relação linear entre calor e temperatura é estritamente falando uma aproximação mas tem alta precisão para sólidos e líquidos Para um gás adicionar calor irá elevar a temperatura mas pode também mudar a pressão ou volume dependendo de como o gás é contido As substâncias podem ter calores específicos diferentes dependendo se estão em um estado sólido líquido ou gasoso Se calor suficiente for adicionado a um sólido ele derrete e se transforma em um líquido Se calor suficiente for adicionado a um líquido ele evapora e se transforma em um gás Esses são exemplos de mudanças de fase ou transições de fase Figura 611 Durante uma mudança de fase a temperatura de um objeto permanece constante O calor necessário para derreter um sólido dividido por sua massa é chamado de calor latente de fusão Lfusão A fusão transforma uma substância de sólido para líquido O calor necessário para evaporar um líquido dividido por sua massa é chamado de calor latente de vaporização Lvaporização A vaporização transfor ma uma substância de líquido para gás A temperatura em que um sólido derrete e se transforma em líquido é o ponto de fusão Tfusão A temperatura em que um líquido evapora e se transforma em gás é o ponto de ebulição SI MP LI FI QUE Efetuamos as multiplicações nos dois lados e reordenamos de forma que todos os termos conten do a temperatura desconhecida estejam no lado esquerdo da equação mchumbocchumboTchumbo máguacáguaTágua máguacáguaT mchumbocchumboT Podemos resolver essa equação para T dividindo os dois lados por mchumbocchumbo máguacágua CALCULE A inserção de valores numéricos resulta em ARREDONDE Apresentamos nosso resultado com três dígitos significativos T 332 C SOLUÇÃO ALT ERN AT IVA A temperatura final da mistura dos grãos de chumbo e da água é apenas 57 C maior do que a temperatura original da água As massas dos grãos de chumbo e da água diferem por um fator de 3 mas o calor específico do chumbo é muito menor do que o calor específico da água Portanto é razoável que o chumbo tenha uma mudança grande de temperatura e a água tenha uma mudança pequena de temperatura Para avaliar calculamos o calor perdido pelo chumbo e comparamos o resultado com o calor ganho pela água Esses resultados somam 0 no erro de arredondamento conforme exigido LivroBauerVol2indb 182 LivroBauerVol2indb 182 090812 1453 090812 1453 Capítulo 6 Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 183 Tebulição A relação entre a massa de um objeto em seu ponto de fusão e o calor necessário para transformar um objeto de sólido para líquido é dada por 613 Da mesma forma a relação entre um objeto em seu ponto de ebulição e o calor necessário para transformar o objeto de líquido para gás é dada por 614 As unidades do SI para calor latente de fusão e vaporização são joules por quilograma Jkg unidades de calorias por grama calg também são usadas com frequência O calor latente de fusão para uma determinada substância é diferente do calor latente de vaporização dessa subs tância Valores representativos para o ponto de fusão calor latente de fusão ponto de ebulição e calor latente de vaporização estão listados na Tabela 62 Também é possível que uma substância mude diretamente de sólido para gás Esse pro cesso denominase sublimação Por exemplo a sublimação ocorre quando o gelo seco que é dióxido de carbono sólido congelado muda diretamente para dióxido de carbono gasoso sem passar pelo estado líquido Quando um cometa se aproxima do Sol parte de seu dióxido de carbono congelado sublima ajudando a produzir sua cauda visível Se continuarmos a aquecer um gás ele se tornará ionizado o que significa que alguns ou todos os elétrons nos átomos do gás serão removidos Um gás ionizado e seus elétrons livres formam um estado de matéria chamado de plasma Os plasmas são muito comuns no univer so na verdade até 99 da massa do sistema solar existe na forma de plasma A nuvem de pó de gás conhecida como a Nebulosa de ÔmegaCisne M17 mostrada na Figura 612 também é um plasma Figura 612 Imagem da Nebulosa de ÔmegaCisne M17 tirada pelo Te lescópio Espacial Hubble mostra uma região imensa de gás ionizado por ra diação de jovens estrelas Líquido Derretimento Congelamento Sublimação Deposição Evaporação Condensação Sólido Gás Figura 611 Mudanças de fase en volvendo três estados da água que estão simultaneamente presentes nesta foto tirada no Parque Nacional Yellowstone Alguns valores representativos para o ponto de fusão ponto de ebulição calor latente de fusão e calor latente de vaporização Tabela 62 Ponto de fusão Calor latente de fusão Lfusão Ponto de ebulição Calor latente de vaporização Lvaporização Material K KJkg calg K kJkg calg Hidrogênio 138 586 140 203 452 108 Álcool etílico 156 104 249 351 858 205 Mercúrio 234 113 270 630 293 700 Água 273 334 797 373 2260 539 Alumínio 932 396 945 2740 10500 2500 Cobre 1359 205 490 2840 4730 1130 LivroBauerVol2indb 183 LivroBauerVol2indb 183 090812 1453 090812 1453 184 Física para Universitários Relatividade Oscilações Ondas e Calor Conforme mencionado no Capítulo 1 há outros estados da matéria além do sólido líqui do gasoso e plasma Por exemplo a matéria em um estado granular tem propriedades específi cas que a diferenciam dos quatro principais estados da matéria A matéria também pode existir como um condensado de BoseEinstein em que átomos individuais se tornam indistinguíveis sob condições muito específicas a temperaturas muito baixas Os físicos norteamericanos Eric Cornell e Carl Wieman junto com o físico alemão Wolfgang Ketterle receberam o Prêmio Nobel de Física de 2001 por seus estudos de um condensado de BoseEinstein Resfriar um objeto significa reduzir sua energia interna À medida que a energia térmica é retirada de uma substância no estado gasoso a temperatura do gás diminui em relação ao calor específico do gás até que este comece a condensar em um líquido Essa mudança acontece a uma temperatura chamada de ponto de condensação que é a mesma temperatura que o ponto de ebulição da substância Converter todo o gás para líquido requer a retirada de uma quanti dade de calor correspondente ao calor latente de vaporização vezes a massa do gás Se a energia térmica continuar a ser retirada a temperatura do líquido será reduzida conforme determi nado pelo calor específico do líquido até que a temperatura atinja o ponto de congelamento que é a mesma temperatura que o ponto de fusão da substância Converter todo o líquido para sólido requer a retirada de uma quantidade de calor correspondente ao calor latente de fusão vezes a massa Se o calor continuar a ser retirado do sólido sua temperatura irá diminuir em relação ao calor específico do sólido Quanta energia é necessária para derreter um bloco de cobre com massa de 300 kg que está inicialmente a uma temperatura de 1359 K a 101 kJ d 615 kJ b 221 kJ e 792 kJ c 390 kJ 62 Exercícios de sala de aula EXEMPLO 65 Transformação de gelo em água e água em vapor PROBLEMA Quanto calor Q é necessário para converter 0500 kg de gelo água congelada a uma temperatura de 30 C para vapor a 140 C SOLUÇÃO Resolvemos esse problema em passos sendo que cada um deles corresponde a uma elevação na temperatura ou a uma mudança de fase Primeiro calculamos quanto calor é necessário para ele var a temperatura do gelo de 30 C para 0 C O calor específico do gelo é 206 kJkg K então o calor necessário é Continuamos a adicionar calor ao gelo até que ele derreta A temperatura permanece em 0 C até que todo o gelo esteja derretido O calor latente de fusão do gelo é 334 kJkg então o calor neces sário para derreter todo o gelo é Assim que todo o gelo tiver derretido em água continuamos a adicionar calor até que a água atin ja o ponto de ebulição a 100 C O calor necessário para esse passo é Continuamos a adicionar calor à água até que ela evapore O calor necessário para a evaporação é Agora aquecemos o vapor e elevamos a temperatura de 100 C para 140 C O calor necessário para esse passo é Portanto o calor total necessário é LivroBauerVol2indb 184 LivroBauerVol2indb 184 090812 1453 090812 1453 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Dica do professor No vídeo a seguir há uma conversa que elucida os principais conceitos desta unidade de aprendizagem Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 A capacidade térmica de um determinado material é de 100 JK se ele receber 500 J de calor em quanto a temperatura mudará A 100 K B 15 K C 50000 K D 5 K E 500 J 2 Quanta energia necessitamos para esquentar em 30 Kelvins três quilogramas de água A 160 J B 90 J C 3771 J D 1854 J E 1809 J 3 Uma pessoa malhando na academia libera 180 kcal de calor na evaporação de água da pele Quanta água a pessoa perdeu presumindo que o calor liberado tenha sido usado somente para evaporar a água A 42959 g B 334 g C 180000 g D 400000 g E 008 g 4 Quanta energia necessitamos para derreter um cubo de gelo de 2 kg que está a 10oC e para aquecer a água até 20oC A 17179 B 1676 kJ C 668 kJ D 412 kJ E 83979 kJ 5 Despejase água a 30 oC em um balde contendo 2 L de água a 10 oC Desprezando perdas energéticas responda quantos litros de água precisarão ser colocados para a temperatura atingir 22oC A 3L B 3L C 2L D 1L E 5L Na prática A necessidade de extrair propriedades de um determinado sistema sugere um estudo aprofundado da temperatura A partir daí podemos mensurar a quantidade de energia necessária para modificar sua temperatura Imagine que queiramos derreter um pedaço de cobre de massa 1 kg que a uma temperatura de 300 K Você seria capaz de avaliar a quantidade de energia para a realização desse processo Para responder isso é preciso saber a energia até o ponto de fusão que é da ordem de 1359 K o calor específico do cobre é 0386 kJ kg K e a variação de temperatura é de 1059 K Que nos conduz a Q103861059408774 kJ Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor Calorimetria Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Calor latente Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar