CALORIMETRIA - TEORIA
A calorimetria é a parte da Física que estuda a quantificação e as trocas de energia entre os corpos, quando
esta troca ocorre sob a forma de calor. Temos, então, a primeira pergunta: o que é calor?
Calor
Se dois sistemas térmicos, a temperaturas diferentes, são colocados em contato térmico, flui energia do
sistema de maior temperatura para o sistema de menor temperatura. Esta energia fluindo é o calor.
O calor não pertence a nenhum dos sistemas, ele só existe na transferência de energia entre eles. Pode-se dizer
que cada sistema possui certa quantidade de energia, porém, não de calor.
O fluxo de energia (calor) vai existir entre os dois sistemas até que seja atingido o equilíbrio térmico.
Unidades
Como o calor é uma forma de energia, sua unidade deve ser a mesma usada para a energia. Como sabemos, o
Sistema Internacional (SI) é o adotado como padrão de medidas. Neste sistema, a unidade de calor é o Joule
(J). A seguir, temos uma tabela com as principais unidades de calor.
Unidade
Joule
Caloria
British thermal unit
Erg
Quilowatt-hora
Elétron-volt
Representação
J
cal
Btu
erg
kWh
eV
Conversão
1 cal = 4,186 J
1 BTU = 1055 J
1 erg = 10-7 J
1 kWh = 3,600.106 J
1,602.10-19 J
Nomenclaturas
O recebimento (ou a perda) de energia térmica de um corpo pode provocar dois fenômenos:
1. Variação de sua temperatura
2. Mudança em seu estado físico
Quando a conseqüência é a variação da temperatura do corpo, chamamos a quantidade de energia térmica
transferida de calor sensível.
Quando ocorre mudança de estado físico, chamamos esta quantidade de calor latente.
A seguir, vamos detalhar os dois casos.
Calor Sensível
Sabemos, então, que calor sensível é o nome dado à quantidade de calor, quando esta causa variação na
temperatura do sistema. Nunca se esqueça disso!
A variação na temperatura do sistema ocorre porque a energia trocada causa alteração na energia cinética das
moléculas que compõem este sistema. Como a temperatura está diretamente relacionada à forma como as
moléculas se movem, haverá alteração na temperatura.
Capacidade térmica (C)
A capacidade térmica (C) de um corpo representa a quantidade de energia que este corpo precisa trocar para
que sua temperatura varie de uma unidade.
Ex.: C = 2,0 cal/°C Æ O corpo precisa receber 2,0 cal para que sua temperatura aumente de 1,0°C.
C=
Q
ΔT
A capacidade térmica deve ser indicada como uma razão entre a unidade de energia e a unidade de
temperatura utilizadas.
Ex.: J/K (oficial, no SI), J/°C, cal/°C (mais comum), etc..
Calor específico sensível (c)
O calor específico sensível (c) de um corpo representa a quantidade de energia por unidade de massa que este
corpo precisa trocar para que sua temperatura varie de uma unidade.
c=
C
m
Cuidado para não confundir a capacidade térmica com o calor específico sensível. O calor específico mostra a
quantidade de calor que cada unidade de massa precisa.
A unidade utilizada para o calor específico sensível deve ser uma razão entre a unidade de capacidade térmica
e a unidade de massa utilizadas.
Ex.: J/kg.K (oficial), cal/g.°C (mais comum), etc..
Depois de definirmos a capacidade térmica e o calor específico, podemos calcular a quantidade de calor
sensível.
Calor Latente
Quando um sistema participa de uma troca de calor e o resultado desta troca é a mudança em seu estado
físico, chamamos a quantidade de calor neste caso de calor latente. Não confunda com o calor sensível,
discutido na seção anterior!
A mudança de estado físico ocorre porque o sistema absorve (ou perde) energia suficiente para que haja
quebra (ou construção) de ligações entre as moléculas, alterando assim seu estado de agregação.
As figuras a seguir mostram os estados de agregação das moléculas.
•
Estado sólido: A estrutura é rígida, com forma e volume definidos
•
Estado líquido: As moléculas podem se movem em grupo, com volume definido. Porém, a forma tomada
pelo sistema depende do recipiente que o contém.
•
Estado gasoso: As moléculas se movem livre e aleatoriamente, com forma e volume dependentes do
recipiente que as contém.
Considere um sistema no estado sólido. Mesmo no estado sólido, as moléculas deste sistema vibram. Considere
agora que estas moléculas receberam certa quantidade de energia. O que acontece com a vibração delas?
Aumenta. Porém, com o aumento da vibração, aumenta a liberdade de uma molécula em relação às outras.
Imagine que esta liberdade ultrapasse certo limite. Este limite é dado pela temperatura de mudança de estado
físico. Aí, podemos dizer que as moléculas estão em outro estado de agregação, mais liberadas. Este estado é o
líquido.
Como a quantidade de calor latente vai mudar o estado de agregação das moléculas, ele é diretamente
proporcional à massa existente no sistema.
Mudanças de Estado
As setas vermelhas representam as mudanças de estado em que o sistema precisa receber calor, enquanto que
as setas azuis representam as mudanças em que o sistema precisa ceder energia.
Curva de aquecimento de substância pura
O gráfico a seguir mostra a variação da temperatura de uma substância pura em função do calor recebido por
ela. Observe que durante as mudanças de estado, a substância continua recebendo calor, porém, sua
temperatura não se altera.
Observe as temperaturas T1 e T2. Nestes valores, o gráfico é uma reta horizontal. Isto mostra que nestes valores
de temperatura, a substância continua recebendo calor, porém, sua temperatura não se altera. Como já
estudamos, nas duas situações o que está ocorrendo é a mudança de estado físico do corpo. Logo, as
temperaturas T1 e T2 são os pontos de fusão e ebulição dessa substância.
Podemos explorar mais este gráfico, analisando as regiões de I a V:
I.
II.
III.
IV.
V.
Estado Sólido – Variação de temperatura – Calor Sensível
Sólido e Líquido – Mudança de estado – Calor Latente
Estado Líquido – Variação de temperatura – Calor Sensível
Líquido e Gasoso – Mudança de estado – Calor Latente
Estado Gasoso – Variação de temperatura – Calor Sensível