1 CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO – 612EE T E O R I A 1 O QUE É TEMPERATURA? A temperatura é a grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de um corpo. Ela caracteriza, portanto, o estado térmico de um corpo. . Podemos medi‐la com o auxílio de um termômetro. Suponha que você tenha dois objetos em temperaturas diferentes. Pode ser que seja possível avaliar qual está numa temperatura mais elevada utilizando o tato. Essa seria uma avaliação qualitativa do problema. Mas, muitas vezes, é importante avaliar quantitativamente uma situação, medindo efetivamente a temperatura dos objetos em questão, e para isso precisamos recorrer ao instrumento. Observe a Figura 1: O termômetro indica a variação de temperatura do sistema.
2 CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO – 612EE 1.1 O que é calor? Calor é uma forma de energia em trânsito. Ela aparece quando existe uma diferença de temperatura entre dois corpos. Portanto, o calor é medido nas unidades usuais de energia, como o Joule (J) ou caloria (cal) e os seus múltiplos. 1 cal = 4,186 J (1) Devemos evitar a confusão entre os conceitos de temperatura e de calor. Eles estão relacionados, mas não são a mesma coisa. 1.2 Mudanças de fase As substâncias apresentam‐se na natureza em diferentes estados físicos. Podemos considerar como os estados mais comuns na natureza: sólido, líquido e gasoso. Em estudos mais avançados da Física, são também estudados o plasma e o condensado de Bose‐Einstein. Esses estados de agregação são, basicamente, dependentes da pressão e da temperatura da substância e podem ser alterados. Esse fenômeno pode ser explicado do ponto de vista atômico: com o aumento da temperatura, aumentam as vibrações atômicas. Isso provoca um aumento das distâncias interatômicas e, por consequência, diminuem as forças de atração entre os átomos. Quando uma substância no estado sólido, por exemplo, atinge a sua temperatura de fusão, as ligações da rede cristalina se rompem e ele passa para o estado líquido. Portanto, uma substância pode mudar de fase através do recebimento ou da retirada de calor. Como cada substância apresenta estrutura atômica própria, cada uma apresenta seu próprio comportamento físico‐químico e tem seus pontos de fusão e vaporização característicos. A água, por exemplo, considerada na pressão de 1 atmosfera, tem ponto de fusão em 0 o C e ponto de vaporização a 100 o C. Observe as transformações na Figura 2.
3 CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO – 612EE Figura 2: Transição entre a fase líquida e a gasosa. Mudanças de fase Fonte: superkid.com.br Acessado em 07/07/2010 Nota: O diagrama mostra a nomenclatura utilizada para definir as transições entre as fases sólida, líquida e gasosa das substâncias. 1.3 Capacidade térmica Suponha que estamos fornecendo a mesma quantidade de calor a dois corpos, compostos por substâncias diferentes. Depois de um certo tempo, cada um apresentará um incremento de temperatura diferenciado. Essa situação evidencia que diferentes substâncias possuem diferentes comportamentos térmicos. Mesmo que os corpos sejam feitos de um mesmo material, eles podem ter capacidades térmicas diferentes, desde que suas massas sejam diferentes. Para definir isso, apresenta‐se a grandeza capacidade térmica (C) como sendo: C = ∆Q / ∆t (2) Podemos observar pela relação que quanto maior for a capacidade térmica do corpo, maior deverá ser a quantidade de calor a ser fornecida para provocar uma determinada elevação de temperatura da substância. 1.3.1 Calor específico Já vimos que a capacidade térmica varia de uma substância para outra. Mas quando trabalhamos com um mesmo material as capacidades térmicas podem ser diferentes se cada conjunto tiver uma massa diferente.
4 CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO – 612EE Entretanto, o quociente C/m é constante para cada material e é esse valor que denominamos de calor específico. c = C / m (3) Portanto, o calor específico é uma característica absoluta de cada substância. Observe a unidade de medida na tabela abaixo: ela indica que, para elevarmos a temperatura de 1 grama daquela substância em 1oC, devemos fornecer uma determinada quantidade de calor. Por exemplo, para elevar em um grau a massa de um grama de água, precisamos fornecer 1 caloria para a substância. O calor específico também poderia ser dado em J/kg o C. Tabela 1: Calor específico de algumas substâncias. Para massas de água, que tem calor específico relativamente alto, observamos a ocorrência de diversos fenômenos relacionados ao clima. Mares, lagos e rios, que concentram grande quantidade de água, acabam regulando a temperatura nas suas regiões de entorno. Durante o dia, a água absorve grande quantidade de calor, mas aquece‐se pouco. Quando anoitece, ela libera calor para o entorno, esfriando devagar. Uma consequência disso é que locais próximos aos mares e lagos tendem a ter pequena amplitude térmica (diferença entre a temperatura máxima do dia e mínima da noite). Isso é verificado, por exemplo, nas cidades do litoral brasileiro. Também a direção das brisas costeiras é definida a partir da contribuição desse fenômeno. 1.3.2 Calor sensível e calor latente O fornecimento ou a retirada de calor, como forma de energia para um corpo, resulta em dois fenômenos possíveis: variação na temperatura ou mudança de fase. Denominamos calor sensível a quantidade de calor recebida ou cedida para um corpo que resulta em variação da temperatura do mesmo, sem mudança de fase. Por exemplo, ao aquecermos água em uma panela de 30 o C até 60 o C, estamos lidando apenas com calor sensível, pois nesse intervalo de temperaturas, a água não muda de fase. Quando o corpo sofre apenas uma mudança de fase, denominamos o calor responsável por essa mudança de calor latente. Durante esse processo, a substância não varia de temperatura. No caso da água, nota‐se experimentalmente que, para transformar uma massa de 1 grama de gelo a 0 o C em água a 0 o C, ou seja, completar a fusão do gelo, é necessário fornecer 80 cal. Da mesma forma, para transformar 1 grama de água a 100 o C em vapor de água a 100 o C, são precisos 540 calorias.
5 CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO – 612EE Cada substância tem seus valores próprios nessas transições de fase. Para determinarmos o calor latente (L) de cada substância, podemos fazer: L = Q / m → Q = m . L (4) Observe os valores de calor latente para a água: Quadro 1: Calor latente para a água. Vamos tomar como exemplo o calor latente de fusão do gelo, que é igual a 80 cal/g. Isso quer dizer que cada grama de gelo (1 grama de gelo) necessita receber 80 calorias para mudar seu estado físico, passando de gelo a 0 o C para água a 0 o C. Essa é a lógica que rege a indicação de valores para a tabela de calor latente vista acima, e cada substância terá seus valores específicos. Consulte aqui os valores do calor latente de fusão para outras substâncias. 1.3.3 Equação Fundamental da Calorimetria Experimentalmente, mostra‐se que a quantidade de calor fornecida a um corpo relaciona‐se com a massa (m) e com a variação de temperatura sofrida pela substância (∆t = tfinal ‐ tinicial), a menos de uma constante, que é o calor específico da substância (c). Q = m . c . ∆t (5) A equação acima é a equação fundamental da calorimetria e relaciona calor com massa e variação da temperatura de uma determinada substância. Nas situações em que a temperatura final é maior do que a temperatura inicial, temos Q positivo, pois houve fornecimento de calor. Quando ocorre um resfriamento da substância, o sinal de Q será negativo. 1.3.4 Curvas de aquecimento e resfriamento Podemos grafar o que ocorre com uma substância conforme ela recebe ou perde calor num diagrama de temperatura em função da quantidade de calor. Observe o gráfico: os patamares correspondem às mudanças de fase, que envolvem calor latente (Figura 3).
6 CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO – 612EE Figura 3: curva de aquecimento para uma substância genérica. Fonte da imagem: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Calorimetria/figuras/calor10.GIF Acessado em 07/07/2010 Autor: Luis Fábio Simões Pucci. Autoria Especializada em Física (conteúdos: Laboratório Virtual, Teoria, Mapa Interativo, Avaliação e Guia do Professor): Licenciado em Física (USP), Licenciado em Matemática (Uniban) e Mestre em Educação (Uninove). Professor e membro da equipe do Instituto Galileo Galilei para a Educação. Autor de livros didáticos e paradidáticos pelas editoras Moderna, Escala Educacional, People e Laborciência. Professor das redes pública estadual e particular de São Paulo. E‐mail: [email protected]