Calorimetria: Módulo de Estudo para Alunos

FÍSICA II CALORIMETRIA BELO HORIZONTE 2019 FICHA TÉCNICA FUMEC VIRTUAL SETOR DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Coordenação Pedagógica Assessoria ao Professor Assessoria ao Aluno e Tutoria Coordenação Gabrielle Nunes Paixão Transposição Pedagógica Pollyanna Micheline Lucarelli Produção de Design Multimídia Coordenação Rodrigo Tito M Valadares Design Multimídia Alan J Galego Bernini InfraEstrututura e Suporte Coordenação Anderson Peixoto da Silva AUTORIA Prof Reinaldo Borges de Oliveira Junior APRESENTAÇÃO C aroa alunoa seja bemvindoa a mais um módulo Agora eu e você caminharemos juntos no estudo do calor e das transformações de fases das substâncias OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Ao final do módulo esperase que o aluno seja capaz de compreender os três mecanismos de transferência de calor definir calor específico e calor latente relacionar o calor específico e latente ao longo da mudança de fase de uma substância CALORIMETRIA Mecanismos de Transferência de Calor No módulo anterior você aprendeu que calor é a energia transferida de um corpo para o outro em virtude exclusivamente da diferença de temperatura O calor de forma natural é transferido do corpo de maior para o corpo de menor temperatura No entanto uma indagação não foi discutida Como ocorre esse fluxo energético Há três mecanismos de transmissão de calor condução convecção e irradiação O primeiro aspecto a ser considerado é o meio material em que ocorre o fluxo energético O processo de condução ocorre em sólidos a convecção ocorre em fluidos isto é gases e líquidos e a irradiação não precisa de um meio material para o calor se propagar ou seja a transmissão do calor pode ocorrer através do vácuo É através do processo de irradiação que a luz e consequentemente o calor proveniente do sol chega ao nosso planeta CONDUÇÃO Pense em uma situação do cotidiano Você deve se lembrar que um dia esqueceu o cabo da colher sobre a borda de uma panela ao fogo e pouco tempo depois quando foi mexer o alimento você deve ter se queimado ou pelo menos sentido um desconforto devido ao aquecimento excessivo de sua mão Não é verdade Este é um bom exemplo didático do processo de condução Convidote a refletir por que o cabo da colher se aqueceu sendo que ele estava longe da chama O cabo não estava em contato direto com a chama A explicação passa pelo conceito de temperatura os átomos que compõem a colher e que estão mais próximos da chama no fundo da panela em virtude da maior temperatura estão se agitando com grandes amplitudes maior deslocamento durante a agitação térmi ca Esta maior amplitude de movimento é transmitida gradativamente ao longo da haste de átomo para átomo por interações entre átomos adjacentes Em outras palavras as colisões dos átomos na região de maior temperatura com os átomos vizinhos fazem com que parte da energia cinética de agitação seja transmitida Os átomos vizinhos colidem com outros átomos vizinhos e assim por diante ao longo do material Os átomos em si não se deslocam de uma região a outra do material mas a energia cinética se desloca Desta forma uma região de temperatura crescente propagase ao longo da haste para a sua mão Veja a figura 1 Calor Barra metálica Calor Alta temperatura Baixa temperatura Figura 1 Condução de calor através de um material sólido Fonte 3 Calorimetria 21 CONVECÇÃO Lembrese que a convecção ocorre em gases e líquidos Mais uma vez você será convidado a refletir em situações cotidianas Por que os aparelhos de ar condicionado são instalados na parte superior do ambiente Por que os aquecedores são instalados na parte inferior do ambiente Você já viu a água fervendo no interior de uma panela Percebeu algum movimento da massa de água Você já percebeu que quando a geladeira está muito cheia pouco espaço entre as grades o tempo para resfriar os alimentos é maior REFLITA Pense reflita Vou te dar uma dica você estudou dilatação térmica no módulo I e se lembra que em geral quando a temperatura aumenta a substância se expande quando a tempe ratura diminui a substância se contrai A densidade de uma substância é definida como a massa por unidade de volume matematicamente r mV onde r rô letra grega é a densidade m é a massa da substância e V é o volume Agora você pode pensar melhor sobre as quatro indagações que fiz e entender o meca nismo de convecção A convecção natural na atmosfera desempenha um papel dominante na determinação das condições climáticas ao longo do dia e a convecção nos oceanos é um importante mecanismo de transferência de calor no globo terrestre Em uma escala menor os pilotos de planadores e alguns pássaros utilizam as correntes de ar ascendentes oriundas do aquecimento da superfície terrestre Calorimetria 22 IRRADIAÇÃO É a transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas como a luz visível a radia ção infravermelha a radiação ultravioleta etc Vou apresentar a você como ilustração mais uma vez situações cotidianas Se você ficar próximo de uma fogueira ou de uma lareira aberta você será aquecido pelo mesmo processo do qual o sol aquece nosso planeta As ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo e no ar As ondas eletromagnéticas de forma extremamente sucinta são oscilações de campo elétrico e magnético que transportam energia Os raios X que você usa para radiografia microondas de seu forno e de seu celular as ondas de rádio são exemplos de ondas eletromagnéticas Quanto maior a temperatura do objeto maior será a intensidade da irradiação A descrição deste tópico Mecanismos de Transferência de Calor foi de caráter conceitu al A descrição matemática quantitativa encontrase no livro Física II de autoria de Sears Zemansky Young e Freedman disponível na biblioteca virtual As páginas são 199 até 205 Faça uma boa leitura Finalizada esta etapa você está pronto para partir para uma nova jornada A definição de calor específico e calor latente Calorimetria 23 Calor Específico e Calor Latente Quando certa substância absorve ou cede energia calor pode ocorrer variação da tempe ratura eou mudança de estado físico mudança de fase A propriedade relacionada à mudança de temperatura chamase calor específico enquanto a propriedade responsável pela mudança de fase chamase calor latente Vale ressaltar que o conceito de calor é único e universal no entanto tal diferenciação referese à maneira pela qual tal energia calor irá atuar sobre o material CALOR ESPECÍFICO É fato que a quantidade de calor Q necessária para elevar a temperatura da massa m de um material de T1 até T2 é aproximadamente proporcional à variação de temperatura ΔT T2 T1 Ela é também proporcional à massa do material isto é considerando a mesma variação de temperatura e a mesma substância ao dobrar a massa dobrase a quantidade de calor necessária para ocasionar tal processo ou seja quando você aquece água para fazer o chá precisa do dobro da quantidade de calor para fazer duas xícaras ao invés de uma considerando a mesma elevação de temperatura Em resumo Q é diretamente proporcional a ΔT Q é diretamente proporcional a m A constante de proporcionalidade para que se possa quantificar a quantidade de calor Q é chamada de calor específico ou capacidade calorífica específica e é representada por c O calor específico é uma propriedade intrínseca específica do material e é tabelado A tabela 1 fornece o calor específico de alguns materiais Material Calor Específico JkgºC ou JkgK Alumínio 910 Berílio 1970 Cobre 390 Ferro 470 Chumbo 130 Mercúrio 138 Prata 234 Tungstênio 135 Latão 380 Granito 790 Mármore 879 Vidro 840 Sal Nacl 879 Álcool Etílico 2428 Glicol de Etileno 2386 Gelo 0ºC 2100 Água líquida 4190 Água do Mar 3900 Tabela 1 Calor específico de algumas substâncias Fonte 12 Portanto matematicamente podese escrever Q mcΔT Calorimetria 24 Para você entender o significado prático do calor específico observe a situação a seguir Considere o calor específico do berílio c 1970 JkgºC ou JkgK para elevar em 1ºC ou 1K a temperatura de 1 kg desta substância é necessário que ela absorva 1970 J de calor De forma inversa para diminuir em 1ºC ou 1K a temperatura de 1 kg desta substância é necessário que ela ceda 1970 J de calor Considere o calor específico da água c 4190 JkgºC ou JkgK para elevar em 1ºC ou 1K a temperatura de 1 kg desta substância é necessário que ela absorva 4190 J de calor De forma inversa para diminuir em 1ºC ou 1K a temperatura de 1 kg desta substância é necessário que ela ceda 4190 J de calor TOME NOTA Observação 1 De acordo com as duas situações expostas acima observe que é mais difícil aquecer ou resfriar a água comparada ao berílio isto é maior será a energia envolvida no processo dada uma mesma variação de temperatura e massa das substâncias Observação 2 O calor específico portanto é uma medida da dificuldade de se alterar a temperatura da substância em termos técnicos quanto maior o calor específico maior será a energia calor envolvida no processo de variação de temperatura Observação 3 A quantidade de energia envolvida no processo de aquecimento ou resfria mento de certa substância é a mesma dada certa quantidade de massa e certa variação da temperatura O que se altera é o sentido do fluxo energético Calor Absorvido Aumento de Temperatura Calor Cedido Diminuição de Temperatura Em outras palavras quando a substância absorve calor há o aumento de temperatura quan do a substância cede calor há a diminuição da temperatura Calorimetria 25 CALOR LATENTE A propriedade que caracteriza o calor atuante ao longo da mudança de estado físico do material é chamada calor latente A figura 2 representa as transformações de fase Sublimação Sublimação Fusão Vaporização Solidificação Condensação Figura 2 Mudanças de fases Fonte Autor Os estados físicos de qualquer substância se diferenciam pela intensidade das ligações químicas por exemplo a água no estado sólido líquido ou gasoso tem a mesma compo sição química H2O no entanto há diferenças nos tipos e nas intensidades das ligações químicas Os sólidos apresentam as ligações mais coesas intensas enquanto os gases apresentam ligações de menor intensidade Consequentemente o estado líquido apresen ta ligações de intensidade intermediária IMPORTANTE Portanto quando a substância sofre a transição de fase o calor absorvido ou cedido não atua na agitação térmica das moléculas não atua na variação de temperatura tal energia atua na modificação das ligações químicas É por esta razão que ao longo da transição de fase a temperatura permanece constante Quando a substância não é pura uma liga metálica com vários constituintes por exem plo ao longo da transição de fase ocorrem pequenas oscilações de temperatura O cálculo do calor ao longo da transição de fase é descrito como Q mL Calorimetria 26 onde L é o calor latente calor de transformação e m é a massa da substância O calor de transformação é uma propriedade específica da substância Assim como o calor espe cífico c ele também é tabelado Devese observar qual é o tipo de transição de fase envolvido no processo A tabela 2 apresenta os calores de transformação de algumas substâncias Substância Temperatura de fusão ºC Calor de fusão LF Jkg Temperatura de ebulição ºC Calor de vapori zação LV Jkg Hidrogênio 25931 586 x 103 25289 452 x 103 Nitrogênio 20997 255 x 103 1958 201 x 103 Oxigênio 21879 138 x 103 1830 213 x 103 Álcool Etílico 114 1042 x 103 78 854 x 103 Mercúrio 39 118 x 103 357 272 x 103 Água 0 334 x 103 100 2256 x 103 Enxofre 119 381 x 103 44460 326 x 103 Chumbo 3273 245 x 103 1750 871 x 103 Antimônio 63050 165 x 103 1440 561 x 103 Prata 96080 883 x 103 2193 2336 x 103 Ouro 10630 645 x 103 2660 1578 x 103 Cobre 1083 134 x 103 1187 5069 x 103 Tabela 2 Calores de Transformação Fonte 12 Observação O calor de solidificação LS é igual ao calor de fusão LF porém ao solidificar a substância deve ceder calor enquanto para fundir a substância deve absorver calor Da mesma forma o calor de liquefação condensação LL é igual ao calor de vaporização porém ao condensar a substância deve ceder calor enquanto para vaporizar a substância deve absorver calor Daí podese dizer LS LF LL LV O calor de transformação pode ser interpretado da seguinte forma por exemplo de acor do com a tabela 2 observase que o calor de fusão da água é 334 x 103 Jkg Significa que para congelar 1 kg de água no estado líquido que se encontra a 0ºC é necessário retirar 334000 J de calor De forma inversa para derreter 1 kg de gelo a 0ºC é necessário fornecer 334000 J de calor Calorimetria 27 EXEMPLOS 1 Um bloco de madeira e outro de metal estão à mesma temperatura Quando os blocos parecem frios o de metal parece ao tato mais frio que o de madeira quando ambos parecem quentes o de metal parece mais quente que o de madeira a Explique tal fato Você deve perceber que se trata de uma questão de condução térmica transfe rência de calor ao longo de materiais sólidos Existe uma propriedade chama da condutividade térmica que é específica e tabelada para cada material A condutividade térmica referese à facilidade do material em transmitir calor em outras palavras quanto melhor condutor maior será a condutividade térmica e desta forma maior será a taxa rapidez de transmissão do calor Os metais em geral são bons condutores enquanto as cerâmicas e outros tipos de materiais tendem a ter menores valores de condutividade térmica A sensação descrita no enunciado é devido a este fato Se o metal e a madeira estão sob mesma temperatura menor que a temperatura de sua mão ao tocar nestes materiais você cederá calor mais rapidamente para o metal do que para a madeira daí a sensação de estar mais frio De forma inversa se o metal e a madeira estão sob mesma temperatura maior que a temperatura de sua mão ao tocar nestes materiais você absorverá calor mais rapidamente do metal daí a sensação de estar mais quente Os metais e as madeiras que se encontram no interior de sua casa estão sob mesma temperatura pois estão em equilíbrio térmico com a temperatura do ambiente b A que temperatura os blocos parecerão igualmente frios ou quentes ao tato Após certo tempo sua mão entrará em equilíbrio térmico com os materiais e você não terá mais a sensação de um material estar mais quente ou frio 2 Para se manter acordado ao longo dos estudos durante uma noite inteira um estu dante prepara um pouco de café colocando inicialmente um ebulidor de 200 W em 510 g de água a Qual é o valor do calor transferido para a água para elevar a temperatura de 20ºC até 80ºC Qualquer questão que envolva calor você primeiramente deve reconhecer a situação isto é responder para si a seguinte pergunta Está havendo varia ção de temperatura Está havendo mudança de fase Estão havendo ambas as situações Ao consultar a tabela 2 você pode perceber que a temperatura de fusão da água é 0ºC e a de ebulição é 100ºC daí no intervalo de 20º a 80ºC a água permane ce líquida ou seja não há mudança de fase desta forma o calor envolvido no processo é apenas o calor específico Q mcΔT Observe SEMPRE as unidades procure visualizar se as unidades dos dados do problema estão compatíveis Dê preferência ao Sistema Internacional SI m 0510 kg c 4190 Jkg ºC tabela 1 ΔT 80 20 60ºC Q 0510419060 Q 128214 J de energia é o que a água tem que absorver nesse processo Calorimetria 28 b Quanto tempo é necessário para tal processo O ebulidor possui 200 W Watt é a unidade de potência no SI A definição geral de potência é taxa de dissipação de energia ou de forma equivalente rapidez em que se realiza trabalho Já que o calor é uma forma de energia P Qt onde P é potência Q é o calor e t é o tempo t QP t 128214 200 64107 s já que todos os dados se encontram no SI naturalmente a resposta sairá no SI ou seja segundos Se você desejar ter uma noção melhor da resposta 64107 60 107 min 3 Qual é o calor total necessário para converter 12 g de gelo a 0ºC em vapor dágua a 100ºC Agora você deve perceber que há mais de um processo o gelo irá derreter e a partir daí a temperatura aumentará e a água irá se transformar em vapor Nesta situação você deve separar os processos e realizar os cálculos separadamente O calor total será a soma de todos os processos envolvidos Processo 1 fusão do gelo Q mLF m 0012 kg LF 334 x 103 Jkg tabela 2 Q 0012334000 4008 J Processo 2 aquecimento da água de 0º até 100ºC Q mcΔT c 4190 JkgºC tabela 1 ΔT 100 0 100ºC Q 00124190100 5028 J Processo 3 Vaporização da água Q mLV LV 2256 x 103 tabela 2 Q 00122256x103 27072J Portanto o calor envolvido ao longo dos processos é 4008 5028 27072 36108 J Lembrese que na transição de fase calor latente a temperatura permanece constante Calorimetria 29 Síntese Estimadoa estudante eu e você finalizamos mais um módulo Aqui você aprendeu que O calor pode ser transferido por três processos condução que ocorre em meios sólidos onde quanto maior a condutividade térmica maior é a facilidade de trans missão do calor convecção que ocorre em fluidos onde a transmissão ocorre por meio da variação da densidade do fluido decorrente da variação de volume ocasio nada pelo fenômeno da dilatação térmica e finalmente irradiação que ocorre por meio de ondas eletromagnéticas que podem se propagar no vácuo O calor cedido ou absorvido por uma substância pode ocasionar duas consequên cias variação da temperatura eou mudança de fase O calor específico c descreve o mecanismo de variação de temperatura enquanto o calor latente L descreve o mecanismo de transição de fase Importante salientar que no processo de transição de fase a temperatura se mantém constante Referências 1 SEARS ZEMANSKY YOUNG e FREEDMAN Física II Editora Pearson 12 ed São Paulo 2010 2 RESNICK HALLIDAY e KRANE Física 2 Editora LTC 4 Ed Rio de Janeiro 1996 4 MÁXIMO Antônio e ALVARENGA Beatriz Física 2 Ensino Médio Editora Scipione 1 Ed São Paulo 2009 30