TUTORIAL – 12R
Data:
Aluno (a):
Série: 3ª
Ensino Médio
Turma:
Equipe de Física
FÍSICA
CALORIMETRIA
Calor
Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar
que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o
momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela
passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência
de energia é o que chamamos calor.
Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes.
A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J).
Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um
grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5°C para 15,5°C.
A relação entre a caloria e o joule é dada por:
1 cal = 4,186J
Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples.
Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a quilocaloria.
1 kcal = 10³cal
Calor sensível
É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração
da temperatura de um corpo.
Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria,
que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação
da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada
corpo denominada calor específico.
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Assim:
Onde:
Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).
c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).
m = massa do corpo (g ou kg).
Δθ = variação de temperatura (°C).
Quando:
Q>0: o corpo ganha calor.
Q<0: o corpo perde calor.
Calor latente
Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos
corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos
a quantidade de calor calculada de calor latente.
A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma
constante de proporcionalidade (L).
Assim:
A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a
quantidade de calor que 1g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para
outra.
Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança
de estado físico.
Por exemplo, para a água:
Calor latente de fusão
80cal/g
Calor latente de vaporização
540cal/g
Calor latente de solidificação
-80cal/g
Calor latente de condensação
-540cal/g
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Quando:
Q>0: o corpo funde ou vaporiza.
Q<0: o corpo solidifica ou condensa.
Curva de aquecimento
Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variação
de temperatura. Assim podemos elaborar um gráfico de temperatura em função da quantidade
de calor absorvida. Chamamos este gráfico de Curva de Aquecimento:
Trocas de calor
Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado
dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz
de trocar calor com o ambiente e com seu interior.
Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico.
Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontram,
toda a energia térmica passa de um corpo ao outro.
Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas
é nula, ou seja:
ΣQ=0
(lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero)
Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.
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Exemplo:
Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200g à 20°C mergulhado em
um litro de água à 80°C? Dados calor específico: água=1cal/g°C e alumínio = 0,219cal/g°C.
Capacidade térmica
É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura
varie uma unidade.
Então, pode-se expressar esta relação por:
Sua unidade usual é cal/°C.
A capacidade térmica de 1g de água é de 1cal/°C já que seu calor específico é 1cal/g.°C.
Exercícios
1. 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:
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a) a água.
b) o petróleo.
c) a glicerina
d) o leite.
e) o mercúrio.
2. Uma fonte térmica fornece 55 cal/s com potência constante. Um corpo de massa 100 g
absorve totalmente a energia proveniente da fonte e tem temperatura variando em função do
tempo, conforme o gráfico abaixo.
A capacidade térmica desse corpo e o calor específico da substância de que é constituído são,
respectivamente, iguais a:
a) 2,2 cal/°C e 0,022 cal/g °C.
b) 2,2 cal/°C e 0,22 cal /g °C.
c) 2,2 cal/°C e 2,2 cal/g °C.
d) 22 cal /°C e 0,22 cal/g °C.
e) 22 cal/°C e 0,022 cal/g °C.
3. Dois corpos X e Y recebem a mesma quantidade de calor a cada minuto. Em 5 minutos, a
temperatura do corpo X aumenta 30°C, e a temperatura do corpo Y aumenta 60°C.
Considerando-se que não houve mudança de fase, é correto afirmar:
a) A massa de Y é o dobro da massa de X.
b) A capacidade térmica de X é o dobro da capacidade térmica de Y.
c) O calor específico de X é o dobro do calor específico de Y.
d) A massa de Y é a metade da massa de X.
4. Um estudante utiliza um circuito elétrico, composto
por uma bateria de 12 V e um resistor de 100 Ώ, para
aquecer uma certa quantidade de água, inicialmente a
20 °C, contida em um recipiente.
O gráfico a seguir representa a temperatura da água,
medida por um termômetro trazido pelo estudante, em
função do tempo.
Dados o calor específico da água c = 4,2 J/g °C e densidade da água μ = 1,0 g/cm 3, determine
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a) a quantidade de calor recebida pela água ao final de uma hora;
b) o volume de água contido no recipiente.
5. Ana, em sua casa de praia, deseja ferver 2 litros de água
numa chaleira de alumínio de 500 g, ambos na
temperatura ambiente de 25°C. No entanto, seu botijão de
gás natural possui apenas 1% da sua capacidade total.
Considerando a perda de calor para o meio ambiente de 35%,
a quantidade de gás disponível é:
- Considere: Densidade da água = 1 g/cm3
Calor específico da água = 1,0 cal/g°C
- Calor específico do alumínio = 0,2 cal/g°C
Capacidade total do botijão = 13 kg ou 31 litros
- Calor de combustão do gás natural = 12.000 kcal/kg
a) Suficiente, afinal ela necessita de aproximadamente 10 gramas.
b) Suficiente, afinal ela necessita de aproximadamente 20 gramas.
c) Suficiente, afinal ela necessita de aproximadamente 30 gramas.
d) Insuficiente, já que ela precisa de 200 gramas.
e) Insuficiente, já que ela precisa de 300 gramas.
6. O ebulidor, dispositivo usado nas residências para o
aquecimento da água, é um exemplo bem ilustrativo de
aplicação do efeito JOULE. Esse fenômeno foi estudado no
século XIX pelo cientista James P. Joule e consiste na
transformação da energia elétrica perdida pelas cargas da
corrente elétrica em calor.
Considere um ebulidor ligado a uma tensão de 120V imerso em um recipiente que contenha
um litro de água a 20°C. Admitindo-se que todo o calor originado da resistência elétrica seja
transferido à água, o valor da resistência do ebulidor para que a água atinja a temperatura de
100°C em 2,0 minutos será de, aproximadamente:
Considere: c = 4,18 J/g°C e ρ = 1kg/Litro
a) 5,5 Ώ
b) 16,5 Ώ
c) 3,5 Ώ
d) 8,5 Ώ
7. Um calorímetro de capacidade térmica 6 cal/°C contém 80 g de água
(calor específico = 1 cal/g°C) a 20°C. Ao se colocar um bloco metálico de capacidade térmica
60 cal/°C, a 100°C, no interior desse calorímetro, verificou-se que a temperatura final de
equilíbrio térmico é 50°C. A quantidade de calor perdida para o ambiente, nesse processo, foi
de:
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a) 420 cal
b) 370 cal
c) 320 cal
d) 270 cal
e) 220 cal
8. Um corpo de alumínio e outro de ferro possuem
massas mAl e mFer respectivamente. Considere que o
calor específico do alumínio é o dobro do calor
específico do ferro.
Se os dois corpos, ao receberem a mesma quantidade de calor Q, sofrem a mesma variação
de temperatura ∆T, as massas dos corpos são tais que
a) mAl = 4mFe.
b) mAl = 2mFe.
c) mAl = mFe.
d) mAl = mFe/2.
e) mAl = mFe/4.
9. Um pai, ao sair de sua piscina (Largura 4m – Comprimento
10,0m – Profundidade 1,2 m) para brincar com seu filho na
piscina conjugada (Largura 2,0 – Comprimento 3,0 m –
Profundidade 0,50m ), notou que a temperatura da água na
piscina infantil era maior do que a temperatura na sua piscina,
muito embora as duas piscinas estivessem expostas ao mesmo sol. Esta situação é possível
ou impossível porque
a) impossível, visto que ambas as piscinas estão sob o mesmo sol;
b) possível, visto que os comprimentos das piscinas são diferentes;
c) possível, visto que as profundidades das piscinas são diferentes;
d) possível, visto que as larguras das piscinas são diferentes;
e) possível, visto que uma piscina é maior que a outra.
10. Quanto à transferência de energia térmica, assinale o que for correto.
01. Corpos diferentes apresentarão temperaturas diferentes após recebimento de calor num
determinado tempo.
02. A energia cinética média das partículas individuais está diretamente relacionada com a
temperatura de uma substância.
04. Quanto maior o calor específico de uma substância, maior será a dificuldade em fazer
variar a sua temperatura.
08. O calor específico é de maior valor nas substâncias sólidas do que nas substâncias
líquidas.
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Gabarito
1–E
2–D
3–B
4 – a) Q=5,2.103J
b) V=102,8 cm3
5–B
6–A
7–A
8–D
9–C
10 - 01. Falsa --- depende também da massa dos corpos.
02. Correta --- veja teoria.
04. Correta --- veja teoria
08- Falsa --- é maior nas substâncias líquidas.
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