Slide - Calorimetria - Conceitos Fundamentais - 2023-2

Calorimetria Conceitos fundamentais Prof. Luís Fernando Departamento de Física Aplicada e Termodinâmica Instituto de Física Universidade do Estado do rio de Janeiro Calor ● Uma pergunta simples que todos já fizeram algum dia é: o que é o calor? ● Expressões coloquiais do tipo "estou com calor" traduz uma ideia que fisicamente já foi superada. ● Calor não é uma substância que pode ser armazenada ou guardada. ● A sensação de quente e frio advém do efeito térmico sobre os termoreceptores presentes na pele por conta da variação de temperatura. ● Compreender a natureza do calor envolve a compreensão de transferência de energia. 2 Calor ● Quando se põe dois corpos com temperaturas diferentes em contato térmico, é fato que, após um tempo, os corpos adquirem a mesma temperatura, isto é, entram em equilíbrio térmico (Lei Zero da Termodinâmica). ● No processo de equilíbrio térmico, o corpo mais aquecido transfere energia para o corpo menos aquecido de forma que, após um tempo, ambos os corpos alcançam a mesma temperatura. ● Daí a percepção que a temperatura está relacionada à energia. ● Uma vez no equilíbrio térmico, não há mais transferência de energia. ● Esta energia em trânsito é o calor. 3 Calor ● A percepção de calor como energia é evidenciada pelo experimento de Joule onde é possível observar o aquecimento de uma quantidade de água armazenada em um recipiente através de sua agitação por meio de pás (transformação de trabalho em calor). ● Lord Kelvin observou a produção de calor através do atrito de uma fresadeira e o ferro fundido (usinagem de canhões). ● São todos exemplos de conversão de trabalho mecânico em calor. 4 Calor sensível e Calor específico 5 Calor ● Experimentalmente, um corpo de massa m composto por uma substância específica que é submetido a uma variação de temperatura ΔT = T1–T0 (T0 inicial, T1 final) está sujeito a uma quantidade Q de calor. ● Se a variação de temperatura ΔT é positiva (T1>T0), a quantidade de calor é positiva (Q>0) e diz-se que ela foi absorvida. ● Do mesmo modo, se a variação de temperatura é negativa (T1<T0), a quantidade de calor é negativa (Q<0) e diz-se que ela foi cedida (perdida). 6 T1>T0 fonte quente Q>0 T1<T0 fonte fria Q<0 Calor ● Para se ter ideia da quantidade de calor, pode-se, por exemplo, imaginar a quantidade de combustível queimado (fonte de calor) para provocar uma determinada variação de temperatura no corpo. ● Se for queimado o dobro da quantidade de combustível, o corpo dobrará a variação de temperatura (2ΔT) pela absorção do dobro de calor (2Q). ● Se a massa do corpo for dobrada (2m), para a mesma quantidade de calor Q, ΔT será a metade. 7 T1>T0 fonte quente Q>0 T1<T0 fonte fria Q<0 Calor ● Empiricamente, pode-se deduzir que o efeito de variação na temperatura de um corpo depende da quantidade de calor envolvida e de sua massa. ● Se a composição do corpo for mudada, perceber-se-á uma alteração na variação de temperatura para a mesma massa do corpo e mesma quantidade de calor envolvido quando o corpo for submetido às mesmas condições que o corpo anterior. ● Logo, ΔT também depende do material do corpo. 8 T1>T0 fonte quente Q>0 T1<T0 fonte fria Q<0 Calor ● Pode-se propor, então, que ○ Q = mcΔT (chamado calor sensível) onde Q (J) é a quantidade de calor, m (kg) é a massa do corpo, ΔT (K) é a variação de temperatura e c é parâmetro que está ligado à composição do corpo, o calor específico (J/kg.K). ● O calor específico é um parâmetro dependente da temperatura, mas, de forma geral, possui um comportamento quase constante e, na prática, pode ser considerado constante. 9 T1>T0 fonte quente Q>0 T1<T0 fonte fria Q<0 Calor ● O produto massa por calor específico (mc) é chamado de capacidade térmica C e seu é indicado quando o corpo é formado por diferentes materiais (como os calorímetros no laboratório) com diferentes massas. ● No sistema internacional, calor é medido ém joules (J), unidade de energia, massa em quilogramas, temperatura em kelvin (K) e calor específico em joule por quilograma-kelvin. 10 T1>T0 fonte quente Q>0 T1<T0 fonte fria Q<0 Calor ● Outra unidade utilizada para calor é caloria (cal). ● Uma caloria equivale a 4,186 joules. ● Existem outras unidades de calor como o Btu (british thermal unit) comum no comércio de condicionadores de ar. ● Uma caloria vale 3,97⨉10-3 Btu. ● Calor específico pode ser expresso como cal/g.Cº ou Btu/lb.Fº ou J/kg.K (recomendado por ser SI). 11 T1>T0 fonte quente Q>0 T1<T0 fonte fria Q<0 Calor ● Quando o corpo é um gás, relacionar o calor à massa torna-se inapropriado. ● Nesta situação, é preferível substituir a massa por número de moles. ● O calor específico é referenciado então como calor específico molar (J/mol.K). ● Em teoria cinética dos gases, o calor específico molar será utilizado com maior frequência. 12 T1>T0 fonte quente Q>0 T1<T0 fonte fria Q<0 Calor latente Calor ● O calor sensível diz respeito aos processos de absorção e perda de calor (transferência de energia) onde os corpos envolvidos não alteram seus estados de agregação física, isto é, não liquefazem, vaporizam, solidificam ou condensam ou sublimam. ● Nos casos onde um corpo muda de fase, o processo de transformação continua absorvendo ou cedendo calor, mas a temperatura não se altera, pois a energia térmica (calor) está alterando a energia interna do corpo (sistema). ● Desta forma, o calor é proporcional à massa do corpo e a constante de proporcionalidade é chamada de calor latente representado pela letra L (J/kg). 14 Calor ● Apesar do termo não ser o mais apropriado, chama-se de fase qualquer estado específico da matéria: sólido, líquido ou gasoso. ● Uma transição de fase ocorre quando a matéria muda de fase, muda seu estado de agregação. ● Naturalmente, reconhece-se processos de transição de fase nomeados: fusão, vaporização, sublimação, condensação, solidificação e (res)sublimação. 15 fusão sólido líquido gasoso condensação vaporização solidificação sublimação (res)sublimação Calor ● Toda matéria possui temperaturas específicas para mudanças de fase. ● Essas temperaturas são função da pressão aplicada à matéria. ● Se for considerada a condição normal de pressão ao nível do mar como 1 atmosfera (1,013x105 Pa), a água se solidifica e o gelo funde a 0 ºC, vaporiza e condensa a 100 ºC. ● Se a pressão variar, as temperaturas de mudança de fase mudam. ● A combinação de pressão e temperatura formam o "ponto de mudança de fase". ● Os pontos principais são de fusão e ebulição. 16 Calor ● Enquanto a matéria está no processo de mudança de fase, ele absorve ou cede calor, conforme já citado. ● Cada substância envolve uma quantidade específica de calor latente para que a mudança de fase ocorra. ● Para a água, por exemplo, o gelo se funde após absorver 334 kJ para cada quilograma. ● Para vaporizar, a água deve absorver 2256 kJ por cada quilo. ● No sentido oposto, para condensar, o vapor de água deve perder 2256 kJ/kg e a água líquida deve perder 334 kJ/kg para congelar. 17 Calor ● Assim, a quantidade de calor em um processo de mudança de fase deve ser expressa como: ○ Q = mL onde m: massa da matéria em mudança de fase L: calor latente (J/kg) ● O calor latente absorvido é positivo e o calor latente cedido é negativo. 18 Calorimetria Calor ● Calorimetria significa "medir a quantidade de calor nos processos térmicos". ● Para que a medida de calor seja a mais precisa possível, é necessário que a vizinhança do sistema térmico (sistema formado pelos corpos que estão em contato térmico e sujeitos aos processos térmicos) não interfira. ● Para isto, utiliza-se um calorímetro. ● O calorímetro não mede propriamente dito o calor, mas isola o sistema térmico em seu interior da vizinhança (tudo que não é sistema térmico). ● O calorímetro impede a transferência de energia entre o seu interior e o exterior. 20 Calor ● Não existe calorímetro perfeito, mas uma série de práticas podem ajudar na construção de um calorímetro útil. ● Sua condutividade térmica deve ser a menor possível, bem como sua capacidade térmica; desta forma, o calor absorvido (cedido) por ele é mínimo. ● Em seu interior, o sistema térmico está submetido aos processos térmicos e, sem a interferência da vizinhança, a energia total do sistema deve ser conservada. ● Assim, pode-se estabelecer que a soma dos calores dos diferentes corpos que formam o sistema térmico deve ser constante. 21 Calor ● A quantidade de calor cedido pelos corpos mais quentes deve ser a mesma quantidade de calor absorvido pelos corpos mais frios. ● Posto na forma algébrica: ○ Qcedido + Qabsorvido = 0 ● Imagine duas massas de água, ma e mb, a temperaturas iniciais diferentes, Ta e Tb (Ta > Tb) ● Imagine também que a massa ma esteja em um recipiente de cobre de massa mr. e que este esteja em equilíbrio térmico com a água (Tr = Ta). 22 Calor ● Considere que o sistema está isolado da vizinhança por meio de um calorímetro ideal. ● Se a massa de água mb for derramada no recipiente de cobre contendo a massa ma de água, deverá haver uma transferência de calor da massa de água ma e do recipiente para a massa mb. ● O resultado do processo é que a massa mb irá se aquecer e a massa ma e o recipiente irão esfriar até que todos atinjam a temperatura de equilíbrio Te. ● Equacionando: ○ Qa+Qr+Qb=0, Qa e Qr são negativos (calores cedidos) e Qb é positivo (absorvido). 23 Calor ● Se não há mudança de fase durante o processo de equilíbrio térmico, pode-se escrever: ○ maca(Te-Ta) + mrcr(Te-Ta) + mbca(Te-Tb) = 0 ● A temperatura de equilíbrio pode ser encontrada isolando-se os termos com Te: ○ (maca + mrcr + mbca)Te = (maca + mrcr)Ta + mbcaTb ⇒ ⇒ Te = [(maca + mrcr)Ta + mbcaTb]/(maca + mrcr + mbca) 24 Calor ● Considere o mesmo recipiente de cobre de massa mr contendo uma massa de água ma à temperatura Ta positiva. ● Ambos estão em equilíbrio térmico. ● Uma pedra de gelo de massa mg, à temperatura de fusão da água, é colocada embaixo do recipiente. ● Qual a condição para que a pedra de gelo derreta completamente? 25 Calor ● Para derreter completamente a pedra de gelo, é necessário que ela absorva Qg=mgLf, onde Lf é o calor latente de fusão do gelo. ● A temperatura inicial Ta do sistema recipiente-água deve ser tal que o calor cedido seja igual (pelo menos) ao calor absorvido pelo gelo. ● E a temperatura de equilíbrio não pode ser inferior a 0 ºC (por que?). ● Logo, Qr+Qa+Qg=0 ⇒ (mrcr+maca)(0-Ta)+mgLf=0 26 Calor ● ⇒ (mrcr+maca)Ta = mgLf ⇒ Ta = mgLf/(mrcr+maca) ● Se a temperatura inicial do sistema recipiente-água for maior que Ta, todo o gelo derreteá e a temperatura de equilíbrio Te ainda será positiva. ● No entanto, se a temperatura inicial fosse menor que Ta, o sistema recipiente-água esfriaria até 0 ºC e ainda sobraria gelo. ● Neste caso, qual seria a massa de gelo restante? ● E se o gelo fosse posto inicialmente dentro do sistema? 27