Guia de calorimetria e transferência de calor

Calorimetria: entenda o processo de troca de calor! – Stoodi

A calorimetria é um tema da física que trabalha a troca de calor entre os corpos. De acordo com o conceito de equilíbrio térmico, quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contato, eles atingem, após algum tempo, a mesma temperatura.

Até o início do século XIX, os cientistas explicavam esse fato admitindo que todos os corpos continham, em seu interior, uma substância fluida, invisível e de peso desprezível chamada calórico. Essa teoria era capaz de explicar vários fenômenos, mas alguns físicos estavam insatisfeitos com alguns aspectos fundamentais da ideia.

Assim, surgiu a teoria do calor como uma forma de energia. Continue a leitura e aprenda mais sobre esta matéria de grande importância para a física!

O que é calorimetria

Calorimetria é a área que estuda os fenômenos físicos relacionados às trocas de energia térmica. Essa energia em trânsito ocorre devido à diferença de temperatura entre os corpos e é chamada de calor.

Um exemplo simples da calorimetria no nosso dia a dia é o preparo do café. Ao fornecer calor para a água podemos ter dois efeitos: ou ela sofre mudança na temperatura ou o estado físico se transforma — aquele momento em que a água começa a ferver.

Fórmulas da calorimetria

As principais fórmulas da calorimetria que você precisa conhecer são:

• calor específico: ΔQ = m·c·ΔT, onde ΔQ é a quantidade de calor, m é a massa, c é o calor específico e ΔT é a variação da temperatura. Essa equação também é conhecida como equação fundamental da calorimetria;
• calor latente: ΔQ = m·L, onde ΔQ é a quantidade de calor, m é a massa e L é o calor latente;
• capacidade térmica: C = ΔQ/ΔT = m·c, onde C é a capacidade térmica, ΔQ é a quantidade de calor, ΔT é a variação da temperatura, m é a massa e c é o calor específico.

Temperatura

A temperatura é uma grandeza física escalar que define o estado térmico de um corpo ou sistema. Ela pode ser estabelecida como a medida do grau de movimentação dos átomos e das moléculas. Quanto maior o movimento atômico e molecular, maior será a temperatura da matéria e mais quente ela estará.

Os termômetros são usados para obter o valor quantitativo dessa grandeza. Eles podem estar graduados na escala Celsius ou na escala Kelvin. O zero absoluto é definido como o limite inferior para a temperatura de um corpo, que equivale a -273,15°C. Para se expressar uma temperatura dada em graus Celsius na escala Kelvin, basta adicionar 273,15 a esse valor, por exemplo: 1°C é igual a 274,15 graus Kelvin

Calor

Calor é a energia transferida de uma substância para outra devido, unicamente, a uma diferença de temperatura entre eles. O termo só deve ser utilizado para designar a energia em trânsito, ou seja, que está sendo transferida de um corpo ou de um sistema para o outro.

Além disso, a energia interna de um corpo pode aumentar sem que ele receba calor, mas desde que receba outra forma de energia. Um bom exemplo é agitar uma garrafa de água, que gera o aumento da temperatura interna por meio da transferência da energia mecânica ao líquido.

Calor específico

O valor da capacidade térmica varia de um corpo para o outro, mesmo que eles sejam feitos com o mesmo material. Desde que suas massas sejam diferentes, duas substâncias podem ter capacidades térmicas distintas.

Dessa forma, o calor específico também varia, pois essa grandeza é diretamente proporcional à capacidade térmica e inversamente proporcional à massa. Quanto maior o calor específico de uma substância, menos ela se aquece ao receber uma certa quantidade de energia.

Calor latente

O calor latente é uma grandeza física que designa a quantidade de calor que um corpo precisa ganhar ou transferir para que o seu estado físico seja modificado. É importante ressaltar que, durante essa transformação, a temperatura permanece constante. A quantidade de calor latente é estabelecida pelo produto da massa do corpo que sofreu a mudança de estado pelo calor latente de fusão ou vaporização.

Calorimetria: capacidade térmica

Corpos diferentes, em geral, apresentam variações distintas em suas temperaturas — até quando recebem a mesma quantidade de calor. Isso acontece porque quanto maior a capacidade térmica, maior deve ser a quantidade de calor fornecida a um corpo para provocar uma determinada elevação em sua temperatura. Do mesmo modo, maior é a quantidade de calor que essa substância cede quando sua temperatura sofre redução.

Calorimetria: mudança de fase

O aumento na energia de agitação dos átomos de um corpo faz com que a força de ligação entre eles seja alterada, podendo causar modificações na organização e na separação das partículas. Isso significa que a absorção de calor pode provocar a mudança de fase de um corpo.

De maneira oposta, a retirada de calor provoca os efeitos inversos dos que são observados quando a energia é cedida à substância. Cada mudança de fase recebe uma denominação:

• fusão: passagem do estado sólido para o líquido;
• solidificação: passagem de líquido para sólido;
• vaporização: passagem do estado líquido para o gasoso;
• condensação: passagem de gás para líquido;
• sublimação: passagem direta de sólido para gás ou de gás para sólido, sem passar pelo estado líquido.

Calorimetria: trocas de calor

As trocas de calor ocorrem quando um corpo com maior temperatura está em contato com outro de menor temperatura. Em um sistema termicamente isolado, também conhecido como calorímetro, as trocas de calor ocorrem até que o equilíbrio térmico seja estabelecido. Nessa situação, a temperatura final será a mesma para todos os corpos envolvidos no processo.

Dessa forma, a quantidade de calor cedida e absorvida será igual. Ou seja, a energia do sistema se conserva. Esse fato pode ser representado pela seguinte equação:

ΣQ = Q1 + Q2 + Q3 + … + Qn = 0,

onde ΣQ é a soma da quantidade de calor no sistema e Q1, Q2, …, Qn é a quantidade de calor cedida ou absorvida, sendo o calor recebido representado pelo valor positivo e o cedido pelo valor negativo.

A calorimetria é um dos conceitos físicos mais presentes no nosso dia a dia. Ela se encontra nas correntes de convecção, na radiação e no derretimento do gelo. Entender seus processos é fundamental para ir bem no Enem e entrar em uma boa faculdade!

Antes de finalizar os seus estudos, acesse nosso blog e faça alguns exercícios de calorimetria! Sempre que surgir alguma dúvida, não deixe de consultar as nossas aulas.