A MEDIDA CALORIMETRIA DO CALOR - Livro texto: RAMALHO JR. F. e outros. Os Fundamentos da Física. v.2. 10ª ed. São Paulo: Ed. Moderna, 2009. Profa. Vera Rubbioli – [email protected] CALOR – ENERGIA TÉRMICA EM TRANSITO Instituto Educacional Imaculada Calor é a energia térmica em trânsito de um corpo para outro ou de uma parte de um corpo para outra parte desse corpo, trânsito este provocado por uma diferença de temperaturas. 2 1 cal = 4,1868 J 1 kcal = 1.000 cal CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE O calor pode ser classificado de acordo com os efeitos produzidos: Instituto Educacional Imaculada Calor Sensível: Quando produz variação da temperatura; Calor Latente: Quando produz mudança de fase; Em uma substância pura e cristalina, enquanto ocorre a mudança de fase, não há variação da temperatura. 3 QUANTIDADE DE CALOR SENSÍVEL. EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA CALORIMETRIA Instituto Educacional Imaculada Capacidade Térmica de um corpo É definida como a razão entre o calor sensível QS fornecida ao corpo e a variação de temperatura obtida Dq. QS C Dq unid(QS ) J unid(C) (SI) unid( Dq) K unidade prática: cal/oC 4 CALOR ESPECÍFICO DE UMA SUBSTÂNCIA Calor específico de uma substância O calor específico de uma substância mostra o valor do calor a ser recebido ou doado por uma unidade de massa da mesma a fim de ser obter a variação de uma unidade de temperatura. Instituto Educacional Imaculada C c m unid(c ) unid(C) J/K unid(c ) unid(c ) J /(kg.K ) (SI) unid(m) kg Unidade usual: cal/goC 5 TABELA DE ESPECÍFICOS VALORES DE Calor Específico Calor Específico Substância Mercúrio Prata 0,0564 236 Cobre 0,0923 386 Alumínio 0,2150 900 Bronze (*) 0,092 380 Granito 0,190 790 Vidro 0,200 840 Gelo (-10oC) 0,530 2220 0,0305 128 Tungstênio 0,0321 134 Líquidos Sólidos Elementares Chumbo Outros Sólidos cal/g.oC J/kg.K cal/g.oC J/kg.K 0,033 140 Álcool etílico 0,580 2430 Água do mar 0,930 3900 Água 1,000 4190 (*) Liga cuja base são o cobre e o estanho, podendo conter outros elementos: zinco, alumínio, antimônio, níquel, fósforo e chumbo. Fonte: HALLIDAY, David et al. Fundamentos da Física – Gravitação, Ondas e Termodinâmica – Vol. 2. 7ª ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2005. 6 Instituto Educacional Imaculada Substância CALORES ENTENDENDO AS BRISAS MARINHAS Instituto Educacional Imaculada 7 EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA CALORIMETRIA Quantidade de calor sensível QS QS C D q c c c QS m.c.Dq m m m.Dq Convenção de sinais: QS m c Dq () () () () ( ) ( ) ( ) ( ) QS>0 calor recebido aumento de temperatura QS<0 calor cedido diminuição de temperatura Instituto Educacional Imaculada 8 DIAGRAMA q x QS Instituto Educacional Imaculada A temperatura qf é uma função da quantidade de calor sensível QS trocada. QS m.c.Dq QS m.c.(q f qi ) QS m.c.q f m.c.qi qf QS m.c.qi Q 1 q f S qi q f ( ).QS qi m.c m.c m . c x y b a y a.x b Logo, o diagrama q x QS é uma reta inclinada. 9 EXEMPLO a) a água. d) o leite. b) o petróleo. e) o mercúrio. Instituto Educacional Imaculada (Unesp/1994) 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 Líquido Calor Específico (J/goC) aquecê-lo, mas sem Água 4,19 alcançar seu ponto de Petróleo 2,09 ebulição, aquele que Glicerina 2,43 apresentará temperatura mais alta, após o Leite 3,93 aquecimento, será: Mercúrio 0,14 10 c) a glicerina. Resposta: E EXEMPLO Resposta: C Instituto Educacional Imaculada (PUC-SP/2008) Leia a tirinha seguir: O fato de Calvin e Haroldo sentirem as sensações de calor e de frio sugere que a situação se passa: a) de manhã e o calor específico da areia é maior do que o da água. b) à tarde e o calor específico da areia é maior do que o da água. c) de manhã e o calor específico da areia é menor do que o da água. d) à tarde e o calor específico da areia é menor do que o da água. e) ao meio-dia e o calor específico da areia é igual ao da água. 11 EXERCÍCIO RESOLVIDO R.20 – PÁG. 69 Instituto Educacional Imaculada Um corpo de massa 200 g é constituído por uma substância de calor específico 0,4 cal/goC. Determine: a) a quantidade de calor que o corpo deve receber para que sua temperatura varie de 5 oC para 35 oC; b) que quantidade de calor deve ceder para que sua temperatura diminua de 15 oC; c) a capacidade térmica do corpo. 12 EXERCÍCIO RESOLVIDO R.22 – PÁG. 69 Instituto Educacional Imaculada Um corpo de massa 200g é aquecido por uma fonte de potência constante e igual a 200 calorias por minuto. O gráfico mostra como varia, no tempo, a temperatura do corpo. Determine a capacidade térmica do corpo e o calor específico que o constitui. 13 REVISÃO: POTÊNCIA F Pm Dt Instituto Educacional Imaculada Define-se como potência média de uma força a razão entre o trabalho realizado pela força e o intervalo de tempo utilizado para realizar o trabalho. Unidades: J/s = W = watt (SI) Outras unidades: cal/s, kcal/s, cal/min Cuidado: kW.h é unidade de energia (3.600.000 J) 14 FLUXO DE CALOR Define-se como fluxo de calor a razão entre o calor trocado e o intervalo de tempo utilizado na troca. Q Dt Unidades: J/s = W = watt (SI) Outras unidades: cal/s, kcal/s, cal/min Instituto Educacional Imaculada m 15 ORIENTAÇÃO PARA ESTUDO Ler as seções 4.1 e 4.2 – pág. 64 a 68 Resolver os Exercícios Resolvidos: Resolver os Exercícios Propostos: R. 21 e R.22 da pág. 69; P.53 e P.55 da pág. 70 Resolver o Teste Proposto: T.78 da pág. 77 Instituto Educacional Imaculada 16 CALORÍMETRO Instituto Educacional Imaculada Calorímetro: Equipamento termicamente isolado do meio externo em que são colocados os corpos que trocam calor. 17 PRINCÍPIO DAS TROCAS DE CALOR QA Q QB00 Instituto Educacional Imaculada Se dois ou mais corpos, isolados no meio externo, trocam calor entre si, a soma algébrica das quantidades de calor trocadas pelos corpos, até o estabelecimento do equilíbrio térmico, é nula. 18 MÉTODO PARA RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIOS 1º Passo: Determinar quantos calores estão envolvidos no processo. Sugestão: Utilizar um diagrama Q x q ou uma tabela; 2º Passo: Utilizar o Princípio das Trocas de Calor: Q = 0 19 EXERCÍCIO PROPOSTO P. 56 – PÁG. 74 Q 0 Instituto Educacional Imaculada Colocam-se 500 g de ferro a 42 oC num recipiente de capacidade térmica desprezível contendo 500 g de água a 20 oC. Determine a temperatura final de equilíbrio térmico. O calor específico do ferro é 0,1 cal/goC. 1º Passo: 2º Passo: 20 EXERCÍCIO PROPOSTO P.58 – PÁG. 74 Instituto Educacional Imaculada Num calorímetro cuja capacidade térmica é 5,0 cal/oC, inicialmente a 10 oC, são colocados 300 g de um líquido de calor específico 0,20 cal/goC na temperatura de 41 oC. a) A que temperatura se estabelece o equilíbrio térmico? b) A seguir, coloca-se no calorímetro um bloco metálico de massa 500 g a 200 oC e o novo equilíbrio térmico se estabelece a 60 oC. Qual é o calor específico do metal de que é feito o bloco? 21 EQUIVALENTE EM ÁGUA DE UM CALORÍMETRO “Num calorímetro cuja capacidade térmica é 5,0 cal/oC, ...” Uma vez que o calor específico da água é 1,0 cal/goC, esse trecho poderia ser substituído por: Instituto Educacional Imaculada O equivalente em água de um calorímetro é a massa de água que apresenta a mesma capacidade térmica do calorímetro. Por exemplo, a redação do exercício anterior diz: “Num calorímetro cujo equivalente em água é 5,0 g, ...” 22 EXEMPLO Resposta: C Instituto Educacional Imaculada (PUC-MG) O equivalente em água de um corpo é definido como a quantidade de água que, recebendo ou cedendo a mesma quantidade de calor, apresenta a mesma variação de temperatura. Desse modo, o equivalente em água, de 1000 g de ferro (c = 0,12 cal/g°C) é igual a 120 g de água (c = 1,0 cal/g°C). Visto isso, é correto dizer que o equivalente em alumínio (c = 0,20 cal /g°C) de 1000 g de ferro vale, em gramas: a) 200 b) 400 c) 600 d) 800 e) 1000 23 ORIENTAÇÃO PARA ESTUDO Ler a seção 4.3 – pág. 71 e 72; Resolver os Exercícios Resolvidos: Resolver os Exercícios Propostos: P.57 e do P.59 ao P.61 da pág. 74; Resolver o Exercício Proposto de Recapitulação: do R. 23 e R.25 das pág. 72 e 73; P.69 da pág. 75; Instituto Educacional Imaculada Resolver o Teste Proposto: T.82 da pág. 78; 24 25 1. Figura do Exercício de Calor Específico Instituto Educacional Imaculada ANEXO TIRINHA DO EXEMPLO ANTERIOR Instituto Educacional Imaculada 26