FÍSICA, 2º ANO
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Física II
CALORIMETRIA
Prof. Dr. Luciano Soares Pedroso
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Algumas curiosidades...
Por que durante o dia é tão
quente no deserto, mas à noite é
tão frio?
Por que, durante o dia, quando
estamos na praia, percebemos
que o vento sopra da água para a
areia, mas à noite esse sentido é
invertido?
Imagem: Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic
Antes de responder, vamos conhecer alguns conceitos
fundamentais...
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calor
Energia Térmica em trânsito devido a
diferença de temperatura entre corpos.
Costuma-se dizer que calor é
ENERGIA TÉRMICA EM MOVIMENTO.
Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição
2.5 Genérica
 Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente
do corpo de MAIOR temperatura para o corpo
de MENOR temperatura.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Joseph Black (1728 – 1799)
Físico,
Químico
e
Médico
escocês, evidenciou-se no seu
trabalho sobre Termodinâmica,
sendo o primeiro a distinguir Calor
de Temperatura. Introduziu a
noção de Calor Específico e de
Calor Latente. É considerado,
juntamente com Cavendish e
Lavoisier, um dos pioneiros da
Química Moderna.
Imagem: James Heath (engraver) after Henry
Raeburn / Domínio Público
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Por meio de experimentos nos
quais misturava substâncias a
diferentes temperaturas, observou
que os resultados não condiziam
com as teorias da época, que
apontavam o calor como uma
substância fluida (chamada de
calórica) presente na matéria.
XAVIER, Claudio & BENIGNO, Barreto. Física aula por aula. Volume 2. FTD. 1ª ed. 2010.
Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio
Público
Joseph Black (1728 – 1799)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calor Sensível
Calor que produz variação de temperatura sem que o
estado físico da matéria seja alterado.
Ex.: Quando colocamos
algo para aquecer no fogo,
estamos aumentando sua
temperatura.
Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Unidade de medida de Calor
A energia é medida em joules (J) no (S.I.). Como
o calor também é uma forma de energia, possui
a mesma unidade. Por motivos históricos e
práticos, também usamos outra unidade, a
caloria (cal).
1 cal = 4,18 J
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Capacidade Térmica
Quantidade de calor necessária
para elevar em 1ºC a temperatura
de um corpo.
Exemplo:
46ºC
26ºC
Equivale ao quociente entre a
quantidade de calor recebido ou
cedido pelo corpo e a
correspondente variação de
temperatura.
Neste caso, temos:
Logo:
Esse resultado nos indica que, para variar a
temperatura desse corpo em 1 ºC,
precisaremos fornecer a ele 2 cal.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calor Específico
Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de
uma unidade de massa de um corpo.
Exemplo:
Nesse caso, temos:
27ºC
Logo:
26ºC
http://d1gnq2svmchsi4.cloudfront.net/wp-content/uploads/2012/02/cryoscope.jpg
Esse resultado nos indica que, para variar a
temperatura de 1 g do material que compõe
esse corpo em 1 º C, precisaremos fornecer a
ele 0,5 cal.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Equação Fundamental da Calorimetria
Como
Temos que:
Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (QS) é
DIRETAMENTE PROPORCIONAL
1.
2.
3.
à Massa (m) do corpo  Quanto maior a massa do corpo, maior a
quantidade de calor necessária para variar sua temperatura;
ao Calor Específico (c)  Quanto maior o calor específico, maior a
quantidade de calor necessária para variar sua temperatura;
à Variação de Temperatura (∆T)  Quanto maior a variação de
temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de
calor que se deve fornecer.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curiosidade
No deserto, durante o
dia, a temperatura
atinge valores muito
elevados; situação que
se inverte à noite, com
temperaturas bem
baixas.
Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curiosidade
A explicação dessa variação se
baseia no conceito de calor
específico.
Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons
Attribution 2.0 Generic
A areia do deserto possui calor específico relativamente pequeno, o
que a faz aquecer com muita facilidade durante o dia e se resfriar
facilmente à noite. Por isso, as temperaturas variam muito.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curiosidade
A “Caloria” utilizada por médicos
e nutricionistas é, na realidade, a
quilocaloria (1 kcal = 1000 cal),
também chamada Grande Caloria.
1 Cal = 1000 cal
Imagem: Glane23 / GNU Free Documentation
License
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curiosidade
Brisa Marítima X Brisa Continental
Por que, quando estamos na praia durante o dia,
percebemos que os ventos sopram da água para a
praia e à noite esse sentido é invertido?
Imagem: Tó campos1 / Domínio Público
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Brisa Marítima X Brisa Continental
o ar se esfria e desce
o ar se aquece no
continente e sobe
AR DE ALTA
PRESSÃO
z
o ar é mais frio
sobre o mar
e se move em
direção ao continente
AR DE BAIXA
PRESSÃO
Dia
Durante o dia, a temperatura da terra se
eleva mais rapidamente que a da água.
Isso acontece porque o calor específico da
água é maior que o da terra. Ou seja, é
necessário maior quantidade de calor para
elevar a temperatura de certa massa de
água que elevar a temperatura da mesma
massa de areia. As camadas de ar que
estão em contato com a areia se aquecem
mais, ficam menos densas e sobem. Seu
lugar é ocupado pelo ar frio que está em
contato com a água. Surge assim uma
brisa do mar para a praia (Brisa Marítima).
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Brisa Marítima X Brisa Continental
À noite, o movimento se inverte. Devido, ainda, aos diferentes
valores de calores específicos, a terra esfria mais rapidamente. A
água demora mais para esfriar. Assim, à noite, o ar mais quente é o
que está em contato com a água. Por ser menos denso, ele sobe,
dando lugar ao ar mais frio que está em contato com a praia.
Produz-se então a brisa da terra para o mar (Brisa Continental ou
Brisa Terrestre).
AR DE BAIXA
PRESSÃO
o ar se esfria em altitude
e desce
o ar mais frio sobre o continente se
desloca em direçáo ao mar
z
o ar mais aquecido
sobre o mar sobe
AR DE ALTA
PRESSÃO
Noite
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calorímetro
Recipiente termicamente isolado
que evita troca de calor entre o seu
conteúdo e o meio externo.
Em princípio, um calorímetro ideal
não deveria trocar calor com os
corpos de seu interior, mas na
prática isso ocorre. Portanto, em
alguns casos, vamos considerar a
capacidade térmica do calorímetro
no equacionamento da troca de
calor.
Imagem: Akshat Goel / Creative Commons AttributionShare Alike 3.0 Unported
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calorímetro
A garrafa térmica é um tipo de
calorímetro.
Com a finalidade de isolar termicamente o
conteúdo de uma garrafa térmica do meio
ambiente, adotam-se os seguintes
procedimentos:
• As paredes internas são feitas de vidro, que,
por ser mau condutor, atenua a troca de
calor por condução;
• as paredes internas são duplas, separadas
por uma região de vácuo, cuja função é
evitar a condução do calor que passa pelas
paredes de vidro.
Imagem: Henna / Creative Commons
Attribution-Share Alike 1.0 Generic
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calorímetro
•
O vidro de que são feitas as paredes internas da
garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja
refletido, atenuando assim as trocas por irradiação.
•
Para evitar as possíveis trocas de calor por
convecção, basta fechar a garrafa, pois dessa
forma as massas fluidas internas não conseguem
sair do sistema.
•
É evidente que não existe o isolamento térmico
perfeito; assim, apesar dos cuidados citados, após
um tempo relativamente grande (várias horas), o
conteúdo da garrafa térmica acaba atingindo o
equilíbrio térmico com o meio ambiente.
Imagem: Henna / Creative Commons
Attribution-Share Alike 1.0 Generic
A garrafa térmica é um tipo de
calorímetro.
Trocas de calor - ∑Q = 0
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Aparelho
utilizado em
laboratório com
o objetivo de
realizar
experiências
envolvendo
trocas de calor
entre corpos ou
substâncias,
evitando a perda
de calor.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Trocas de calor
Num sistema de vários corpos, termicamente isolados do meio externo,
a soma das quantidades de calor por eles trocados é igual a zero.
Para um sistema de n corpos, escrevemos:
No caso de o sistema não estar termicamente isolado ou de o
calorímetro não ser ideal, devemos levar em conta a troca de calor dos
corpos com o ambiente.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Vamos
Exercitar?
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Trocas de calor
Um recipiente termicamente isolado contém
500g de água na qual se mergulha uma barra
metálica homogênea de 250g. A temperatura
inicial da água é 25,0°C e a da barra 80,0°C.
Considerando o calor específico da água igual
a 1,00 cal/g.°C, o do metal igual a
0,056 cal/g.°C e desprezando a capacidade
térmica do recipiente, determine a
temperatura do equilíbrio térmico.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 01
Massas iguais de cinco líquidos distintos, cujos calores
específicos estão dados na tabela adiante, encontram-se
armazenadas, separadamente e à mesma temperatura, dentro de
cinco recipientes com boa isolação e capacidade térmica
desprezível. Se cada líquido receber a mesma quantidade de calor,
suficiente apenas para aquecê-lo, mas sem alcançar seu ponto de
ebulição, aquele que apresentará temperatura mais alta, após o
aquecimento, será:
a) a água.
b) o petróleo.
c) a glicerina.
d) o leite.
e) o mercúrio.
Tabela
Líquido
Água
Petróleo
Glicerina
Leite
Mercúrio
Calor Específico
(J/9°C)
4,19
2,09
2,43
3,93
0,14
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Resposta:
e) o mercúrio: c = 0,14 J/g.ºC
Pela equação geral da calorimetria (Qs = m.c.∆T), percebemos
que a variação de temperatura é inversamente proporcional ao
calor específico da substância. Ou seja, vai sofrer MAIOR
VARIAÇÃO DE TEMPERATURA aquela substância que apresentar
MENOR CALOR ESPECÍFICO.
Resposta: e)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 02
Um bloco de massa 2,0 kg, ao receber toda energia
térmica liberada por 1000 g de água que diminuem a
sua temperatura de 1°C, sofre um acréscimo de
temperatura de 10°C. O calor específico do bloco, em
cal/g.°C, é: (Adote: cágua: 1,0 cal/g.°C)
a) 0,2
b) 0,1
c) 0,15
d) 0,05
e) 0,01
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Sabemos que:
Substituindo os valores,
obtemos:


Como todo calor liberado pela
água vai ser aproveitado para
aquecer o bloco, temos que:

Resposta: d)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 03
Um frasco contém 20 g de água a 0°C. Em seu interior é
colocado um objeto de 50 g de alumínio a 80°C. Os
calores específicos da água e do alumínio são
respectivamente 1,0 cal/g°C e 0,10 cal/g°C.
Supondo não haver troca de calor com o frasco e com o
meio ambiente, a temperatura de equilíbrio dessa
mistura será:
a) 60°C
b) 16°C
c) 40°C
d) 32°C
e) 10°C
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Substituindo os valores, obtemos:

Sabemos
que:


Como não vai haver troca de calor
com o meio externo, temos que:




Resposta: b)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 04
Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em
equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se
dizer que:
a) o corpo maior é o mais quente.
b) o corpo menor é o mais quente.
c) não há troca de calor entre os corpos.
d) o corpo maior cede calor para o corpo menor.
e) o corpo menor cede calor para o corpo maior.
Resolução
Como os corpos estão em equilíbrio térmico, não vai existir calor,
visto que CALOR É A ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO devido a
diferenças de temperatura entre os corpos.
Resposta: c)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 05
É preciso abaixar de 3°C a
temperatura da água da bacia,
para que o nosso amigo possa
tomar banho confortavelmente.
Para que isso aconteça, quanto
calor deve ser retirado da água?
O caldeirão contém 10 kg de água
e o calor específico da água é 1
cal/g°C.
Imagem: Richfife / Domínio Público
a) 20 kcal
b) 10 kcal
c) 50 kcal
d) 30 kcal
e) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar
a resposta.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Sabemos que:
Da equação geral da calorimetria, temos
Substituindo os valores, obtemos:

O sinal negativo indica que o
calor foi retirado da água.
Resposta: d)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calor latente
O calor latente, de uma mudança de estado, é a quantidade
de calor que a substância recebe ou cede, por unidade de
massa, durante a transformação, mantendo-se constante a
temperatura, desde que a pressão não se altere.
Matematicamente, podemos expressá-lo por:
Sendo:
Q
L   Q  mL
m
– Q = quantidade total de calor latente trocada no processo
– m = massa do corpo
– L = calor latente de mudança.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Mudança de fase
Quando alteramos as condições físicas de pressão e
temperatura, podemos alterar o estado de agregação da
matéria. Por ora, trataremos da mudança de fase sob pressão
constante, variando somente a temperatura. Processos de
mudança:
–
–
–
–
–
Fusão: passagem de sólido para líquido;
Solidificação: passagem de líquido para sólido;
Vaporização: passagem de líquido para vapor;
Condensação: passagem de vapor para líquido;
Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor para sólido, processo também
conhecido como cristalização.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curvas de aquecimento ou
resfriamento
Este gráfico será chamado de curva de aquecimento, se o
corpo estiver recebendo energia térmica, ou curva de
resfriamento, se o corpo estiver cedendo energia térmica.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Leis gerais de mudança
– Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a
temperatura se mantém constante.
– Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de
mudança de fase perfeitamente definida.
– Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também
variam.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Influência da pressão na mudança
de fase
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curva de fusão
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curva de Vaporização
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Temperatura Crítica
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curva de sublimação
FÍSICA,
Calcule
a Ensino
quantidade
de calor necessária para
2º Ano do
Médio
transformar
100térmica
g dee calor
gelo
a - 10o C em água a 20o ?
Calor sensível, capacidade
específico
Dados: calor específico do gelo = 0,5 cal / g oC
calor latente de fusão do gelo = 80 cal / g
calor específico da água = 1 cal / g oC
1a parte:
Solução:
O gelo se encontra numa temperatura abaixo do ponto
de fusão, neste caso será aquecido de - 10o C até o seu
ponto de fusão (0o C):
Q =m.c.t
Q1 = m . c .  t
Q1 = 100 . 0,5 . (0 - (-10))
Q1 = 50 . (10 )
Q1 = 500
Q1 = 500 cal
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
2a parte: Chegando a 0 oC, o
gelo agora se encontra
na temperatura do ponto de fusão, neste
caso sofrerá mudança de fase: Q = m . L
Q2 = m . L
Q2 = 100 . 80
Q2 = 8 000
Q2 = 8 000 cal
3a parte:
O gelo agora já se transformou em água e
esta água será aquecida de 0o C até 20o C:
Q =m.c.t
Q3 = m . c .  t
Q3 = 100 . 1 . (20 - 0)
Q3 = 100 . 20
Q3 = 2 000
Q3 = 2 000 cal
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Cálculo final:
Q1 = 500 cal
Devemos agora somar ...
Q2 = 8 000 cal
Q3 = 2 000 cal
Resposta:
Q = 10 500 cal