Calor, temperatura, calorimetria, calor sensível, calor latente e mudança de fase
Hélio Tramontim Junior
Larissa Nascimento
Calor e temperatura
Calor e temperatura são dois conceitos diferentes e que muitas pessoas acreditam ser a mesma coisa.
Calor
É muito comum ver pessoas falando que estão com calor, no entanto, fisicamente falando, essa fala está errada.
Calor é energia térmica em trânsito e que flui de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura existente entre eles, sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio.
Temperatura
Podemos dizer que um corpo quente tem suas moléculas agitando-se muito, ou seja, com alta energia cinética. E um corpo frio, é aquele que tem baixa agitação das suas moléculas.
Termômetros
As substâncias em geral dilatam-se (aumentam de volume) quando sofrem aumento de temperatura. Assim, uma barra de ferro, por exemplo, aumenta de comprimento quando colocada no fogo.
Termômetros
De mesmo modo, a coluna de mercúrio contida em um tubo sofre o mesmo efeito e aumenta de altura.
Esta propriedade que os corpos possuem de mudar de volume, quando se modifica sua temperatura, pode ser usada para medir temperaturas.
Escala Celsius
No século XVII, o físico e astrônomo sueco Anders Celsius sugeriu que a temperatura de fusão do gelo, ao nível do mar, recebesse o valor arbitrário de 0°C, e que a temperatura de ebulição da água, também ao nível do mar, fosse fixada em 100°C.
Escala Fahrenheit
Na escala Fahrenheit, ainda em uso nos países de língua inglesa, ao 0 e ao 100 da escala Celsius correspondem respectivamente os números 32 e 212. Assim, entre a temperatura de fusão do gelo e da ebulição da água, estão compreendidos 180º F.
Escala Kelvin
O físico inglês lorde Kelvin propôs uma escala termométrica, que leva o seu nome. Tal escala tem origem no zero absoluto, usando como unidade de variação o grau Celsius. Na escala Kelvin, a temperatura de fusão do gelo corresponde a 273K e a ebulição da água, a 373K.
Relação entre as escalas
Crie sua própria escala termométrica
Relação entre as escalas
Dado um valor de temperatura em uma escala, podemos obter seu valor correspondente em outra escala.
Exemplo
Em um determinado dia, em Araranguá, a temperatura ambiente foi igual à de Londres. Sabendo que, nesse dia, a temperatura de Londres foi 50 ºF, a temperatura de Araranguá foi:
Exemplo
(OBFEP 2015 - Adaptado) Atualmente, para consumo geral, existem dois tipos de lâmpadas mais eficientes: as fluorescentes com rendimento de 30%, e as de LED com 95% de eficiência. Entretanto, em uma granja, é necessário manter o ambiente quente; logo, muitas granjas utilizam a lâmpada incandescente para, ao mesmo tempo, aquecer o ambiente e produzir a iluminação necessária. O ambiente da granja deve ficar na temperatura de 30 °C. Nos Estados Unidos, os termômetros usam a escala Fahrenheit, a qual registra o valor 32 para o ponto de fusão do gelo e 212 para o ponto de ebulição da água. Qual a indicação da temperatura ideal de uma granja em um termômetro graduado em Fahrenheit?
Calorimetria
A calorimetria estuda o calor, e como já foi visto calor é energia térmica em trânsito, que passa de um corpo mais quente para um corpo mais frio.
Quantidade de calor (Q) é a grandeza através da qual avaliamos a energia térmica em trânsito trocada entre sistemas a diferentes temperaturas.
A caloria é a unidade usual de quantidade de calor. A unidade oficial (SI) é joule. Relação: 1 cal = 4,186 J.
Como a caloria é uma unidade pequena utilizamos o seu múltiplo:
1 cal = 10³ kcal
Calorimetria
O calor específico (c) de uma substância mede numericamente a quantidade de calor recebida ou perdida por um grama da substância ao sofrer a variação de temperatura 1°C, sendo usualmente expressa em cal/g°C;
A massa do corpo (m) que pode ser dada em g ou kg;
A variação de temperatura (Δt) em °C.
Q = m . c . Δt
Calor sensível
Quando o efeito produzido pelo fornecimento de calor é a variação da temperatura.
Para calcular o calor sensível utilizamos a equação geral da calorimetria.
Q = m . c . Δt
Substância | c (cal/g °C) |
Alumínio | 0,219 |
Água | 1,000 |
Álcool | 0,590 |
Cobre | 0,093 |
Ferro | 0,119 |
Gelo | 0,550 |
Ouro | 0,031 |
Prata | 0,056 |
Vapor d’água | 0,480 |
É interessante conhecer alguns valores de calores específicos:
Exemplo
A massa de um fragmento de metal é m = 200 g, e seu calor específico vale c = 0,094 cal/g ºC. A quantidade de calor, em calorias, que é preciso fornecer ao fragmento para elevar sua temperatura de 20 ºC para 100 ºC será:
Exemplo
Se 4000 cal de calor fosse fornecida a um bloco de cobre de 444,4 g inicialmente a 20 ºC, qual a temperatura que ele atingiria? Considere c = 0,09 cal/g ºC:
Calor latente
Quando o efeito produzido pelo fornecimento de calor é a mudança de estado, não havendo variação na temperatura.
A quantidade de calor latente (QL) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).
Q = m . L
A constante de proporcionalidade depende da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico.
CALOR LATENTE PARA A ÁGUA | ||
Calor latente de fusão | LF | 80 cal/g |
Calor latente de vaporização | LV | 540 cal/g |
Exemplo
Um corpo de massa m = 0,5 kg, inicialmente no estado sólido, é aquecido ao receber certa quantidade de calor conforme indica o gráfico abaixo. Calcule o calor latente de fusão da substância de que é constituído o corpo, em cal/g.
Exemplo
(OBFEP 2015 - Adaptado) Quando um raio atinge a areia de uma praia, muitas vezes o calor gerado derrete uma quantidade de grãos de areia. Quando essa massa volta a se solidificar, vira uma escultura de vidro cheia de ramificações, reproduzindo o caminho do raio na areia. Uma dessas esculturas possuía 0,5 kg e foi produzida em uma praia que estava a 20°C no momento que um raio a produziu. Sabendo que a areia possui um calor específico de 0,04 cal/g °C, uma temperatura de fusão de 1720 °C e um calor latente de fusão de 12 cal/g, quanto calor essa massa de areia, inicialmente a 20°C, precisou receber do raio para derreter totalmente?
Capacidade térmica
É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade.
Exemplo
Ao fornecer 300 calorias de calor para um corpo, verifica-se como conseqüência uma variação de temperatura igual a 50 ºC. Determine a capacidade térmica desse corpo.
Exemplo
Para aquecer 500 g de certa substância de 20 ºC para 70 ºC, foram necessárias 4 000 calorias. A capacidade térmica e o calor específico valem respectivamente:
a) 8 cal/ºC e 0,08 cal/gºC
b) 80 cal/ºC e 0,16 cal/gºC
c) 90 cal/ºC e 0,09 cal/gºC
d) 95 cal/ºC e 0,15 cal/gºC
e) 120 cal/ºC e 0,12 cal/gºC
Mudança de fase
As substâncias podem ser encontradas na natureza em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso.
Mudança de fase
No estado sólido, os átomos ou moléculas que constituem uma substância encontram-se bem unidos em virtude da existência de forças elétricas intensas agindo sobre eles.
Os líquidos, por sua vez, apresentam forças de ligação menos intensas do que os sólidos, o que faz com que as moléculas fiquem mais afastadas umas das outras e movimentem-se mais livremente, portanto elas possuem maior energia.
No estado gasoso, praticamente inexiste força de ligação entre os átomos, que ficam separados uns dos outros por distâncias bem superiores às dos sólidos e líquidos.
Mudança de fase
Para que ocorram mudanças de fases da matéria, é necessário ceder ou retirar calor de um corpo.
Exemplo
(UFSM-RS) Assinale falso (F) ou verdadeiro (V) em cada afirmativa.
( ) A água pode evaporar a uma temperatura menor do que 100°C.
( ) A sensação de frio ocasionada pela evaporação da água sobre a pele deve-se à absorção de energia da pele pelo líquido.
( ) A velocidade de evaporação da água não depende da pressão externa.
A sequência correta é:
a) V - V – F.
b) F - F – V.
c) F - F – F.
d) V - F – F.
e) V - V – V.