Utilizando
um calorímetro podemos medir o calor, a energia, a potência, além
do calor específico de várias substâncias. Ele é um aparelho bem
simples, mas de grande utilidade quando se trata de determinar o
calor trocado entre dois corpos, temperaturas de equilíbrio térmico,
massa das substâncias em seu interior e calor específico delas.
O
calorímetro consiste em um recipiente isolado termicamente,
geralmente preenchido com um líquido (normalmente água) e um
termômetro, como mostra a figura abaixo. Com a finalidade de
determinar a temperatura de equilíbrio entre duas substâncias,
basta que coloquemos dentro do calorímetro um corpo de massa e
temperatura conhecidas. Conhecendo-se a massa da água, o calor
específico e a variação da temperatura (ΔT),
podemos então determinar o calor (Q) cedido pelo
corpo para a água.
Nas figuras acimas temos a visão externa e interna de um calorímetro
EQUAÇÃO DO CALORÍMETRO
Sendo o calorímetro um sistema termicamente isolado, vale para ele a seguinte equação:
Q1 + Q2 = 0
Para dois corpos colocados em seu interior, podemos dizer que a soma algébrica das suas quantidades de calor é zero.
Suponha que diferentes objetos fabricados de diferentes materiais são
aquecidos da mesma forma. Será que os objetos vão esquentar na
mesma velocidade? A resposta é: na maioria das vezes não.
Diferentes materiais se aquecem a diferentes velocidades, porque cada
material tem o seu próprio calor específico.
O calor específico indica a capacidade de calor necessária para
aquecer uma unidade de massa (uma grama ou um kilo), de modo que sua
temperatura aumente de 10 C. No SI a unidade de calor
específico é J/kg 0K. (Joule por kilograma por graus
Kelvin), mas também pode aparecer a cal/g 0C (caloria por
grama por graus Celsius). Quanto menor o calor específico de
uma substância, mais facilmente ela pode aumentar ou diminuir sua
temperatura (esquentar ou esfriar) ou então, quanto maior for o
calor específico de uma substância, mais difícil será elevar a
sua temperatura.
As tabelas a seguir mostram os calores específicos de algumas
substãncias. Note que o calor específico da água é muito maior do
que o das outras substâncias.
Na tabela de baixo, temos na primeira coluna os valores no SI.
Podemos
ver nas tabelas que o calor específico da água é maior que o das
outras substâncias. Por esse motivo, ela é utilizada para a
refrigeração de motores de automóveis. Além disso, a grande
quantidade de energia necessária para a água variar sua temperatura
é um fator fundamental para a estabilidade climática de
algumas regiões da Terra.
É
por isso que as variações de temperatura entre o dia e a noite nos
desertos são enormes, enquanto em regiões com muita água são bem
menores, isto é, areia não retém o calor do Sol, quando chega a
noite (veja nas tabelas acima a diferença de calores específicos
entre elas).
Capacidade Térmica ( C ).
Definição: É a quantidade
de calor que um corpo precisa receber ou perder para que a sua
temperatura aumente ou diminua de 10
C.
A capacidade térmica é
porporcional à quantidade de massa de um corpo. Assim, dois corpos
feitos do mesmo material, mas com massas diferentes, terá maior
capacidade térmica o corpo que possuir maior
massa.
Vamos colocar duas panelas A e B no fogão. Na panela A colocamos
mais água do que na panela B.
Se quisermos que a água das duas panelas fiquem com a mesma
temperatura, digamos 700 C. Deveremos fornecer maior
quantidade de calor à panela que contém maior quantidade de
água (maior massa).
Ou então, se fornecermos a mesma quantidade de calor (os botões do
fogão na mesma marca). A panela que tem mais água irá ficar menos
aquecida.
Estes fatos acontecem porque a maior quantidade de água da panela A
possui maior capacidade térmica,
pois necessita de uma quantidade maior de calor do que a água da
panela B.
Unidade da Capacidade Térmica.
No SI, sua unidade é o J/K
(Joule por Kelvin), contudo ela pode aparecer como cal/0C
(calorias por graus Celsius).
Assim, a panela A pode ter uma
capacidade térmica CA
= 20 cal/0C,
enquanto a água da panela B pode ter uma capacidade térmica CB
= 10 cal/0C.
Isto é, são necessárias 20 calorias para aumentar um grau na
panela A, enquanto que na B, apenas 10 calorias são necessárias.
Equação da Capacidade Térmica
Podemos calcular a CapacidadeTérmica através da expressão:
ΔT
= Tf
- Ti
Q – quantidade de calor recebida pelo corpo;
Tf
– temperatura final do corpo;
Ti– temperatura inicial
do corpo.
Exemplo: Um forno de
pizzaria fornece cerca de 810000 calorias para assar uma pizza.
Sabendo-se que ela se encontrava a uma temperatura de 250
C antes de ir ao forno e quando ficou pronta, atingiu uma temperatura
de 3250
C, determine a CapacidadeTérmica da pizza.
Solução:
C = Q / ΔT
ΔT = Tf
– Ti
Q = 810000 cal
Ti
= 250
C
Tf
= 3250
C
ΔT
= 325 – 25 = 3000
C
C = 810000/300 = 2700
Q = 2700 cal/0C
Vejamos agora alguns vídeos sobre calor específico e capacidade térmica:
Calor específico vídeo 1:
Calor específico vídeo 2:
Calor específico vídeo 3:
Capacidade Térmica, vídeo 1:
Capacidade térmica, vídeo 2:
Capacidade térmica, vídeo 3
Vamos agora, refazer os exercícios no seu caderno.
Já aprendemos que o calor é uma forma de energia em trânsito, isto
é, uma transmissão de energia que ocorre sempre do corpo de maior
temperatura para o corpo de menor temperatura.
Estudaremos três formas de transmissão de calor:
Condução;
Convecção;
Radiação.
1 – Condução
Esse tipo de transferência de calor ocorre principalmente nos
materiais sólidos que se encontram em contato.
A imagem abaixo mostra uma barra de ferro que está sendo aquecida.
Repare que as partículas da região da barra próxima à chama
encontram-se bem mais agitadas (vibração) devido a energia (calor)
que está sendo transferida pela chama. A energia de vibração
(calor) delas, vai sendo transferida às partículas vizinhas e assim
por diante até atingir a outra extremidade da barra.
Na figura acima o calor é transferido até a mão da pessoa pelo
processo de condução. Note que na condução térmica, as
partículas não saem do lugar. Ocorre apenas o transporte de
energia, isto é de calor.
No vídeo abaixo podemos ver um exemplo da condução de calor
2- Convecção
Ocorre entre os gases e os líquidos. Na figura abaixo podemos ver
que as moléculas de ar frio descem, levando consigo o calor (frio).
Enquanto descem, as moléculas de ar frio vão esquentando (recebendo
calor) até que a um certo momento elas sobem, são resfriadas pelo
ar condicionado e novamente descem. Este movimento de subir e descer
é denominado corrente de convecção ou corrente convectiva.
A figura a seguir mostra outro exemplo de convecção.
Na chaleira, as moléculas de água na parte inferior recebem o calor
da chama e sobem levando o calor com elas. Ao chegarem na parte de
cima tomam o lugar das moléculas frias que descem e recebem o calor
da chama, retornando para a parte de cima da chaleira, dando origem
às correntes de convecção.
Obs: Na convecção térmica as partículas saem do lugar,
levando com elas o calor (energia).
No vídeo a seguir, podemos observar como ocorre o processo de convecção térmica:
3- Radiação
Vamos imaginar a seguinte experiência: Vamos colocar a lâmpada da
figura abaixo dentro de um recipiente de vidro no qual retiramos todo
o ar (vácuo).
Apesar de não haver ar nem material sólido dentro do recipiente,
podemos sentir o calor da lâmpada que é transferido através do
vácuo dentro do recipiente. Este calor não é transferido nem por
condução e nem por convecção. Este tipo de transferência de
calor é chamado de radiação térmica ou radiação.
Logo o processo de transferência de calor através do vácuo
é chamado de radiação.
O calor do Sol que atravessa o espaço (aonde existe vácuo) e chega
até nós é transferido por radiação. Este calor é transferido
por uma onda chamada onda eletromagnética.
O calor do Sol chega a Terra através das ondas eletromagnéticas.
No vídeo abaixo, vejamos um exemplo de radiação térmica:
A luz, o raio X, o raio Gama, as radiações infravermelhas, as
micro-ondas, as ondas de rádio são exemplos de ondas
eletromagnéticas.
Sentimos o calor do Sol, porque as ondas eletromagnéticas emitidas
pelo Sol chegam a nossa pele e uma parte delas é absorvida
produzindo a sensação de calor, ou seja a energia dessas
ondas é absorvida pelo nosso corpo.
Qualquer corpo que esteja aquecido produz ondas eletromagnéticas,
assim uma fogueira, você, um ferro de passar ligado produzem ondas
eletromagnéticas.
O calor da fogueira chega até nós tanto por condução como por
convecção e radiação.
Radiação transmitida pelo corpo humano na faixa do infravermelho.
Nas cenas iniciais do vídeo acima podemos ver as ondas infravermelhas indicando o calor transferido pelo corpo humano.
