Física > Calorimetria > Calor específico - teoria

Calor é uma forma de energia, assim como energia elétrica ou nuclear, e portanto medido em J(joules). Às vezes usa-se calorias (apenas para calor e não para outras formas de energia), mas o joule é a unidade do SI (sistema internacional) e portanto a unidade "oficial". O calor recebeu esta unidade especial, a caloria, porque antigamente não se sabia que ele era um tipo de energia. A relação entre as duas é: 1 caloria = 4.18 J .

Temperatura é uma medida de o quanto quente alguma coisa está. Como convenção, a água se torna gelo a 0° C e evapora a 100° C.

Portanto, quando calor é perdido a temperatura diminui e quando calor é ganho a temperatura aumenta.

Alguns materiais esquentam com mais facilidade que outros. Por exemplo, uma mesma quantidade de calor causa um aumento de temperatura num bloco de cobre muito maior (cerca de 10 vezes maior) do que causaria numa quantidade de água de mesma massa. Isso porque o calor específico da água é maior que o do cobre.

A relação exata entre calor e temperatura é dada pela fórmula abaixo:

As faíscas tem uma temperatura alta, mas pouca energia porque as suas massas são minúsculas. Por isso não queimam a pele

O calor específico c é diferente para cada substância e para cada elemento. Cada elemento da tabela periódica possui características diferentes, embora aqueles que se encontram em um mesmo grupo (coluna) apresentem similaridades.

A capacidade térmica é o calor específico multiplicado pela massa (c x m). Quanto maior a massa e o calor específico de um objeto, maior sua capacidade de carregar calor. Imagine as faíscas de uma serra radial como na figura acima. A temperatura destas é bastante alta mas são incapazes de causar uma queimadura na pele porque suas massas são muito pequenas.

Analisando os números na tabela acima percebemos que a água requer muito calor para que sua temperatura aumente. De fato, sabemos que tarda um tempinho pra ferver água para fazer um café. A água pode transportar mais calor que a maioria das substâncias, e por essa mesma razão ela é muito útil como um veículo para transportar calor em radiadores de carros, usinas termoelétricas,sistemas de aquecimento doméstico (não muito vistos no Brasil mas comuns em outros países).

Em usinas nucleares a água é usada para transportar o calor desde o núcleo do reator. Já foram tentados outros materiais como gases ou até mesmo sódio líquido, mas hoje em dia a água predomina. Ela tem outras óbvias vantagens como o fato de não ser tóxica e nem perigosa. O maior perigo que ela apresenta é ode uma explosão de vapor, em que um aquecimento rápido e exagerado do reator faz com que toda a água evapore instantaneamente, como aconteceu em Chernobyl.

Dentre os metais, o alumínio tem um alto calor específico e por isso ele também é usado em sistemas de refrigeração, como por exemplo aquela peça que fica encima da CPU do seu computador. Ele também é útil em sistemas de aquecimento, como panelas. Perceba que uma panela de alumínio fica quente rapidamente.

Um experimento interessante é colocar pedras de gelo sobre blocos de alumínio e de outros metais desta tabela. Se notará que o gelo sobre o alumínio derreterá mais rápido que os outros!

 

Mudanças de estado físico (ou fase)

Uma panela com água evaporando, portanto a uma temperatura de aproximadamente 100 ° C, pode seguir no fogão aceso sem que haja aumento da temperatura ! Este é um experimento bastante fácil de fazer e interessante. O que acontece é que o calor do fogo é usado na evaporação apenas. Esta temperatura constante durante uma transição de fase, que neste caso é líquido-->vapor , ocorre em qualquer transição e para qualquer substância pura (quer dizer, se misturarmos algo na água a transição de fase a temperatura constante pode não ocorrer).

 

Calores latentes de fusão e evaporação

Substancia	Ponto de fusão (oC)	Calor latente de fusão Lf (J/kg)	Ponto de ebulição (oC)	Calor latente de vaporização Lv(J/kg)
água	0	3.33 x 105	100	2.26 x 106
Álcool	-114	1.04 x 105	78	8.54 x 105
Alumínio	660	3.97 x 105	2450	1.14 x 107
Prata	961	8.82 x 104	2193	2.33 x 106
Ouro	1063	6.44 x 104	2660	1.58 x 106

 

O calor latente é dado em unidades de joules por kg, portanto para se determinar o calor necessário para derreter ou evaporar um objeto basta multiplicar L pela massa deste.

Quanto calor (Q) é necessário para evaporar 10 kg de água (já na temperatura de ebulição)?

Q =L_v x m = 2.26 x 10⁶ x 10 = 2.26 x 10⁷ J

Se a água se encontrasse a uma temperatura menor que a de ebulição seria necessário, primeiramente, fornecer calor para que a temperatura chegue aos 100 ° C.

 

mais exemplos :

exercícios de calor específico>>

exercícios de calor latente>>

exemplo: física dos ataques em 9/11 (com planilha) >>

questões de calorimetria da FUVEST>>

 

 

 

 

 

© Ricardo Esplugas de Oliveira, 2021