Calor sensível, capacidade térmica e calor específico

EREM Joaquim Távora

1. Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 2º Ano Calor sensível, capacidade térmica e calor específico

2. Algumas curiosidades... Antes de responder, vamos conhecer alguns conceitos fundamentais... Por que durante o dia é tão quente no deserto, mas à noite é tão frio? Por que, durante o dia, quando estamos na praia, percebemos que o vento sopra da água para a areia, mas à noite esse sentido é invertido? Imagem: Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic

3. Energia Térmica em trânsito devido a diferença de temperatura entre corpos. Costuma-se dizer que calor é ENERGIA TÉRMICA EM MOVIMENTO. Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente do corpo de MAIOR temperatura para o corpo de MENOR temperatura. Calor Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica

4. Físico, Q uímico e Médico escocês, evidenciou-se no seu trabalho sobre Termodinâmica, sendo o primeiro a distinguir Calor de Temperatura. Introduziu a noção de Calor Específico e de Calor Latente. É considerado, juntamente com Cavendish e Lavoisier, um dos pioneiros da Química M oderna. Joseph Black (1728 – 1799) Imagem: James Heath ( engraver ) after Henry Raeburn / Domínio Público

5. Por meio de experimentos nos quais misturava substâncias a diferentes temperaturas, observou que os resultados não condiziam com as teorias da época, que apontavam o calor como uma substância fluida (chamada de calórica) presente na matéria. XAVIER, Claudio & BENIGNO, Barreto. Física aula por aula. Volume 2. FTD. 1ª ed. 2010. Imagem: James Heath ( engraver ) after Henry Raeburn / Domínio Público Joseph Black (1728 – 1799)

6. Calor que produz variação de temperatura sem que o estado físico da matéria seja alterado. Calor Sensível Ex.: Quando colocamos algo para aquecer no fogo, estamos aumentando sua temperatura. Charge disponível no link: http ://3.bp.blogspot.com/-ksA8bKowSVk/T9MppBkJepI/AAAAAAAAKDY/x6Z97-RnG1w/s1600/aquecimento-global+7.jpg Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License

7. A energia é medida em joules (J) no (S.I.). Como o calor também é uma forma de energia, possui a mesma unidade. Por motivos históricos e práticos, também usamos outra unidade, a caloria (cal) . Unidade de medida de Calor 1 cal = 4,18 J

8. Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de um corpo. Capacidade Térmica Equivale ao quociente entre a quantidade de calor recebido ou cedido pelo corpo e a correspondente variação de temperatura.   Exemplo: Q = 40 cal 46ºC 26ºC ∆T = 20 ºC Neste caso, temos:   Logo:   Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura desse corpo em 1 ºC , precisaremos fornecer a ele 2 cal.

9. Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de uma unidade de massa de um corpo. Calor Específico   http://d1gnq2svmchsi4.cloudfront.net/wp-content/uploads/2012/02/cryoscope.jpg Exemplo: Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura de 1 g do material que compõe esse corpo em 1 º C, precisaremos fornecer a ele 0,5 cal. Nesse caso, temos:   Logo:   Q = 0,5 cal 27ºC 26ºC ∆T = 1 ºC

10. Equação Fundamental da Calorimetria Como   Temos que:   Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (Q S ) é DIRETAMENTE PROPORCIONAL à Massa (m) do corpo  Quanto maior a massa do corpo, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; ao Calor Específico (c)  Quanto maior o calor específico, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; à Variação de Temperatura (∆T)  Quanto maior a variação de temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de calor que se deve fornecer.

11. No deserto, durante o dia, a temperatura atinge valores muito elevados; situação que se inverte à noite, com temperaturas bem baixas. Imagem : Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic Curiosidade

12. A areia do deserto possui calor específico relativamente pequeno, o que a faz aquecer com muita facilidade durante o dia e se resfriar facilmente à noite. Por isso, as temperaturas variam muito. Curiosidade A explicação dessa variação se baseia no conceito de calor específico. Imagem : Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic

13. 1 Cal = 1000 cal Curiosidade A “Caloria ” utilizada por médicos e nutricionistas é, na realidade, a quilocaloria (1 kcal = 1000 cal ), também chamada Grande Caloria. Imagem: Glane23 / GNU Free Documentation License

14. Curiosidade Brisa Marítima X Brisa Continental Por que, quando estamos na praia durante o dia, percebemos que os ventos sopram da água para a praia e à noite esse sentido é invertido? Imagem: Tó campos1 / Domínio Público

15. Brisa Marítima X Brisa Continental Durante o dia, a temperatura da terra se eleva mais rapidamente que a da água. Isso acontece porque o calor específico da água é maior que o da terra. Ou seja, é necessário maior quantidade de calor para elevar a temperatura de certa massa de água que elevar a temperatura da mesma massa de areia. As camadas de ar que estão em contato com a areia se aquecem mais, ficam menos densas e sobem. Seu lugar é ocupado pelo ar frio que está em contato com a água. Surge assim uma brisa do mar para a praia (Brisa Marítima). Dia z o ar se esfria e desce AR DE ALTA PRESSÃO AR DE BAIXA PRESSÃO o ar é mais frio sobre o mar e se move em direção ao continente o ar se aquece no continente e sobe

16. À noite, o movimento se inverte. Devido, ainda, aos diferentes valores de calores específicos, a terra esfria mais rapidamente. A água demora mais para esfriar. Assim, à noite, o ar mais quente é o que está em contato com a água. Por ser menos denso, ele sobe, dando lugar ao ar mais frio que está em contato com a praia. Produz-se então a brisa da terra para o mar (Brisa Continental ou Brisa Terrestre). Brisa Marítima X Brisa Continental Noite z o ar se esfria em altitude e desce AR DE BAIXA PRESSÃO AR DE ALTA PRESSÃO o ar mais frio sobre o continente se desloca em direçáo ao mar o ar mais aquecido sobre o mar sobe

17. Recipiente termicamente isolado que evita troca de calor entre o seu conteúdo e o meio externo. Em princípio, um calorímetro ideal não deveria trocar calor com os corpos de seu interior, mas na prática isso ocorre. Portanto, em alguns casos, vamos considerar a capacidade térmica do calorímetro no equacionamento da troca de calor. Imagem : Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported Calorímetro

18. A garrafa térmica é um tipo de calorímetro. Calorímetro Com a finalidade de isolar termicamente o conteúdo de uma garrafa térmica do meio ambiente, adotam-se os seguintes procedimentos: As paredes internas são feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua a troca de calor por condução; as paredes internas são duplas, separadas por uma região de vácuo, cuja função é evitar a condução do calor que passa pelas paredes de vidro. Imagem : Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic

19. O vidro de que são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando assim as trocas por irradiação . Para evitar as possíveis trocas de calor por convecção, basta fechar a garrafa, pois dessa forma as massas fluidas internas não conseguem sair do sistema. É evidente que não existe o isolamento térmico perfeito; assim, apesar dos cuidados citados, após um tempo relativamente grande (várias horas), o conteúdo da garrafa térmica acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente. A garrafa térmica é um tipo de calorímetro. Imagem : Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic Calorímetro

20. Trocas de calor Num sistema de vários corpos, termicamente isolados do meio externo, a soma das quantidades de calor por eles trocados é igual a zero.   Para um sistema de n corpos, escrevemos:   No caso de o sistema não estar termicamente isolado ou de o calorímetro não ser ideal, devemos levar em conta a troca de calor dos corpos com o ambiente.  

21. Vamos Exercitar?

22. Exercício 01 (VUNESP-SP ) 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 : a ) a água. b ) o petróleo. c ) a glicerina. d ) o leite. e ) o mercúrio . Tabela Líquido Calor Específico (J/9°C) Água Petróleo Glicerina Leite Mercúrio 4,19 2,09 2,43 3,93 0,14

23. Resolução Pela equação geral da calorimetria ( Q s = m.c.∆T ), percebemos que a variação de temperatura é inversamente proporcional ao calor específico da substância. Ou seja, vai sofrer MAIOR VARIAÇÃO DE TEMPERATURA aquela substância que apresentar MENOR CALOR ESPECÍFICO. Resposta: e) o mercúrio: c = 0,14 J/g.ºC Resposta: e )

24. Exercício 02 (FUVEST-SP ) Um bloco de massa 2,0 kg , ao receber toda energia térmica liberada por 1000 g de água que diminuem a sua temperatura de 1°C, sofre um acréscimo de temperatura de 10°C. O calor específico do bloco, em cal/g .°C , é : ( Adote: c água : 1,0 cal/g.° C) a) 0,2 b) 0,1 c) 0,15 d) 0,05 e) 0,01

25. Sabemos que:   Resolução Como todo calor liberado pela água vai ser aproveitado para aquecer o bloco, temos que:        Substituindo os valores, obtemos:       Resposta: d)  

26. Exercício 03 (FATEC-SP) Um frasco contém 20 g de água a 0°C. Em seu interior é colocado um objeto de 50 g de alumínio a 80°C. Os calores específicos da água e do alumínio são respectivamente 1,0 cal/ g°C e 0,10 cal/ g°C . Supondo não haver troca de calor com o frasco e com o meio ambiente, a temperatura de equilíbrio dessa mistura será : a) 60°C b) 16°C c) 40°C d) 32°C e) 10°C

27. Resolução Sabemos que:   Como não vai haver troca de calor com o meio externo, temos que:     Substituindo os valores, obtemos:                   Resposta: b)     

28. Exercício 04 a ) o corpo maior é o mais quente. b) o corpo menor é o mais quente. c) não há troca de calor entre os corpos. d) o corpo maior cede calor para o corpo menor. e) o corpo menor cede calor para o corpo maior. (FEI-SP) Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que: Resolução Como os corpos estão em equilíbrio térmico, não vai existir calor, visto que CALOR É A ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO devido a diferenças de temperatura entre os corpos. Resposta: c )

29. Exercício 05 ( PUC-SP - Modificada) É preciso abaixar de 3°C a temperatura da água da bacia, para que o nosso amigo possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água? O caldeirão contém 10 kg de água e o calor específico da água é 1 cal/ g°C . a) 20 kcal b) 10 kcal c) 50 kcal d) 30 kcal e) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar a resposta. Imagem: Richfife / Domínio Público

30. Resolução Sabemos que: Da equação geral da calorimetria, temos Resposta: d)     )   Substituindo os valores, obtemos:      O sinal negativo indica que o calor foi retirado da água.

31. Extras VÍDEO DO YOUTUBE Calor específico Link: http://www.youtube.com/watch?v=dLZVp4m49kA   Calorimetria Link: http://www.youtube.com/watch?v=X_JR7OpoNxE   SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL Transferência de calor entre um metal e a água Link: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/heat_metal.html   Equilíbrio térmico Link: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/thermoEquiv.html     EXPERIÊNCIAS/ EXPERIMENTOS Capacidade térmica do calorímetro (Determinação) Link: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_32.asp CURIOSIDADES Equivalente mecânico do calor Link: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/ET_05.asp   LISTAS DE EXERCÍCIOS Cola da Web Link: http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/calorimetria

32. Obrigado pela Atenção!

33. Bibliografia BENIGNO, Barreto Filho; XAVIER, Cláudio da Silva. Física aula por aula . 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora FTD, 2010. GASPAR , Alberto. Compreendendo a Física . Vol. 02. São Paulo: Editora Ática, 2011. GUALTER; HELOU; NEWTON. Física . Vol. 02. São Paulo: Editora Saraiva, 2011 . MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física . 1. ed. Vol . 02. São Paulo: Editora Scipione , 2011. < http://educar.sc.usp.br > Acesso em 12/06/2012. <http://pt.wikipedia.org > Acesso em 12/06/2012. <http://www.ciencia-cultura.com/Pagina_Fis > Acesso em 12/06/2012. <http://www.coladaweb.com/fisica > Acesso em 12/06/2012. <http://www.fisica.ufs.br > Acesso em 12/06/2012. <http://www.fisicafacil.pro.br > Acesso em 12/06/2012. <http://www.if.ufrj.br > Acesso em 12/06/2012. <http://www.infoescola.com/fisica > Acesso em 12/06/2012. <http://www.mundoeducacao.com.br > Acesso em 12/06/2012. <http://www.sofisica.com.br/conteudos > Acesso em 12/06/2012.

34. Tabela de Imagens n° do slide direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso         2 Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ameen.jpg 13/09/2012 3 Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametail.jpg?uselang=pt-br 13/09/2012 4 James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Black_Joseph.jpg 13/09/2012 5 James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Black_Joseph.jpg 13/09/2012 6 GRAN / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boiling_water.jpg 13/09/2012 11 Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:(Men_and_camels_in_the_desert.).jpg 13/09/2012 12 Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:(Men_and_camels_in_the_desert.).jpg 13/09/2012 13 Glane23 / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pringles_chips.JPG 13/09/2012 14 Tó campos1 / Domínio Público http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Brisa.jpg 13/09/2012 17 Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bomb_Calorimeter.png 13/09/2012

35. Tabela de Imagens n° do slide direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso         18 Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermos_bottle.jpg 13/09/2012 19 Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermos_bottle.jpg 13/09/2012 29 Richfife / Domínio Público http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Baby_vs._Bathwater.JPG 13/09/2012