Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 2º Ano Calor sensível, capacidade térmica e calor específico 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 οΌ Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente do corpo de MAIOR temperatura para o corpo de MENOR temperatura. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Joseph Black (1728 β 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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 β 1799) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Calor Sensível Calor que produz variação de temperatura sem que o estado físico da matéria seja alterado. Charge disponível no link: http://3.bp.blogspot.com/ksA8bKowSVk/T9MppBkJepI/AAAAAAAAKDY/x6Z97-RnG1w/s1600/aquecimentoglobal+7.jpg Ex.: Quando colocamos algo para aquecer no fogo, estamos aumentando sua temperatura. Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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 πΈ πͺ= βπ» Equivale ao quociente entre a quantidade de calor recebido ou cedido pelo corpo e a correspondente variação de temperatura. Neste caso, temos: ππ πππ πͺ= ππ ππͺ Logo: Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura desse corpo em 1 ºC, precisaremos fornecer a ele 2 cal. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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. π π= π β βπ Nesse caso, temos: π = Exemplo: π, π πππ ππ β π ππͺ 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. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Equação Fundamental da Calorimetria π Como π = π β βπ Temos que: πΈπΊ = π β π β βπ» Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (QS) é DIRETAMENTE PROPORCIONAL 1. 2. 3. à Massa (m) do corpo ο Quanto maior a massa do corpo, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; ao Calor Específico (c) ο Quanto maior o calor específico, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; à Variação de Temperatura (βT) ο Quanto maior a variação de temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de calor que se deve fornecer. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Curiosidade A βCaloriaβ 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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). FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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: β’ As paredes internas são feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua a troca de calor por condução; β’ 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Calorímetro β’ 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. β’ 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. β’ 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. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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. πΈπππ ππ π + πΈπππππππ π = π Para um sistema de n corpos, escrevemos: π1 + π2 + π3 + β― + ππ = 0 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. π1 + π2 + π3 + β― + ππ + ππππππππ‘π = 0 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Vamos Exercitar? FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 01 (VUNESP-SP) 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio 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.βT), 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) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 02 (FUVEST-SP) 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Resolução Sabemos que: πΈπππππ = πΈáπππ πππππ β ππ = ππππ ο¨ Como todo calor liberado pela água vai ser aproveitado para aquecer o bloco, temos que: ππππ β ππ β ππ = ππππ β π β π ο¨ ππππππ = 2,0 ππ = 2000 π βππππππ = 10 β ππππππ =? πáππ’π = 1000 π βπáππ’π = 1 β πáππ’π = 1 πππ/(π β β) Substituindo os valores, obtemos: ππππ ππ = πππππ ππ = π, ππ πππ/(π β β) ο¨ ππ β ππ β βπ»π = ππ β ππ β βπ»π Resposta: d) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 03 (FATEC-SP) 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 FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Resolução πΈπ¨πππíπππ + πΈáπππ = π ο¨ ππ¨π β ππ¨π β βπ»π¨π + ππ β ππ β βπ»π = π π β π»ππ β ππ + ππ β π»ππ = π π β π»ππ β πππ + ππ β π»ππ = π ο¨ πΈππππ ππ π + πΈπππππππ π = π ππ β π, ππ β π»ππ β ππ + ππ β π β π»ππ β π = π ο¨ Como não vai haver troca de calor com o meio externo, temos que: Substituindo os valores, obtemos: ο¨ Sabemos que: ππ΄π = 50 π ππ,π΄π = 80 β ππ΄π = 0,10 πππ/(π β β) πáππ’π = 20 π ππ,áππ’π = 0 β πáππ’π = 1 πππ/(π β β) ππ,π΄π = ππ,áππ’π = πππ. ππ β π»ππ β πππ = π ο¨ π»ππ = ο¨ πππ ο¨ ππ ππ β π»ππ = πππ π»πππππíππππ = ππβ Resposta: b) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 04 (FEI-SP) 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) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Exercício 05 (PUC-SP - Modificada) 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. FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Resolução Sabemos que: πáππ’π = 10 ππ = 10000 π βπáππ’π = β3 β πáππ’π = 1 πππ/(π β β) Da equação geral da calorimetria, temos πΈπ = πáπππ β πáπππ β βπ»áπππ Substituindo os valores, obtemos: πΈπ = πππππ β π β (βπ) πΈπ = βππ ππππ ο¨ πΈπ = βπππππ πππ O sinal negativo indica que o calor foi retirado da água. Resposta: d) FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Extras VÍDEO DO YOUTUBE Calor específico Link: http://www.youtube.com/watch?v=dLZVp4m49kA Calorimetria Link: http://www.youtube.com/watch?v=X_JR7OpoNxE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL Transferência de calor entre um metal e a água Link: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/heat_metal.html Equilíbrio térmico Link: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/thermoEquiv.html EXPERIÊNCIAS/ EXPERIMENTOS Capacidade térmica do calorímetro (Determinação) Link: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_32.asp CURIOSIDADES Equivalente mecânico do calor Link: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/ET_05.asp LISTAS DE EXERCÍCIOS Cola da Web Link: http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/calorimetria FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Obrigado pela Atenção! FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio Calor sensível, capacidade térmica e calor específico Bibliografia β’ BENIGNO, Barreto Filho; XAVIER, Cláudio da Silva. Física aula por aula. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora FTD, 2010. β’ GASPAR, Alberto. Compreendendo a Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Ática, 2011. β’ GUALTER; HELOU; NEWTON. Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Saraiva, 2011. β’ MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora Scipione, 2011. β’ <http://educar.sc.usp.br> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://pt.wikipedia.org> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.ciencia-cultura.com/Pagina_Fis> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.coladaweb.com/fisica> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.fisica.ufs.br> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.fisicafacil.pro.br> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.if.ufrj.br> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.infoescola.com/fisica> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.mundoeducacao.com.br> Acesso em 12/06/2012. β’ <http://www.sofisica.com.br/conteudos> Acesso em 12/06/2012. Tabela de Imagens n° do slide 2 3 4 5 6 11 12 13 14 17 direito da imagem como está ao lado da foto Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público GRAN / GNU Free Documentation License link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ameen.jpg 13/09/2012 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametail.j pg?uselang=pt-br http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Black_Joseph.j pg http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Black_Joseph.j pg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boiling_wa ter.jpg Thomas Tolkien / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:(Men_and Attribution 2.0 Generic _camels_in_the_desert.).jpg Thomas Tolkien / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:(Men_and Attribution 2.0 Generic _camels_in_the_desert.).jpg Glane23 / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pringles_c hips.JPG Tó campos1 / Domínio Público http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Brisa.jpg Akshat Goel / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bomb_Cal Attribution-Share Alike 3.0 Unported orimeter.png 13/09/2012 13/09/2012 13/09/2012 13/09/2012 13/09/2012 13/09/2012 13/09/2012 13/09/2012 13/09/2012 Tabela de Imagens n° do slide 18 19 29 direito da imagem como está ao lado da foto Henna / Creative Commons AttributionShare Alike 1.0 Generic Henna / Creative Commons AttributionShare Alike 1.0 Generic Richfife / Domínio Público link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermos_ 13/09/2012 bottle.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermos_ 13/09/2012 bottle.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Baby_vs._ 13/09/2012 Bathwater.JPG