Física II CALORIMETRIA

Apresentação em tema: "Física II CALORIMETRIA"— Transcrição da apresentação:

1 Física II CALORIMETRIA
Prof. Dr. Luciano Soares Pedroso

2 Algumas curiosidades... Por que durante o dia é tão quente no deserto, mas à noite é tão frio? Imagem: Capture Queen / Creative Commons Attribution 2.0 Generic 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? Antes de responder, vamos conhecer alguns conceitos fundamentais...

3 Calor Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica 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.

4 Joseph Black (1728 – 1799) Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público Físico, Químico 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 Moderna.

5 Joseph Black (1728 – 1799) Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público 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

6 Calor Sensível Calor que produz variação de temperatura sem que o estado físico da matéria seja alterado. Imagem: GRAN / GNU Free Documentation License Ex.: Quando colocamos algo para aquecer no fogo, estamos aumentando sua temperatura.

7 Unidade de medida de Calor
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). 1 cal = 4,18 J

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

9 Calor Específico ∆T = 1 ºC Exemplo:
Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de uma unidade de massa de um corpo. Exemplo: Q = 0,5 cal 27ºC 26ºC ∆T = 1 ºC Nesse caso, temos: Logo: 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.

10 Equação Fundamental da Calorimetria
Como Temos que: Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (QS) 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.

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

13 Curiosidade Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic A explicação dessa variação se baseia no conceito de calor específico. 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.

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

15 Brisa Marítima X Brisa Continental
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

16 Brisa Marítima X Brisa Continental
Dia z o ar se esfria e desce AR DE ALTA PRESSÃO AR DE BAIXA o ar é mais frio sobre o mar e se move em direção ao continente o ar se aquece no continente e sobe 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).

17 Brisa Marítima X Brisa Continental
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). z o ar se esfria em altitude e desce AR DE BAIXA PRESSÃO AR DE ALTA o ar mais frio sobre o continente se desloca em direçáo ao mar o ar mais aquecido sobre o mar sobe Noite

18 Calorímetro Recipiente termicamente isolado que evita troca de calor entre o seu conteúdo e o meio externo. Imagem: Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported 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.

19 Calorímetro A garrafa térmica é um tipo de calorímetro.
Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic 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.

20 Calorímetro A garrafa térmica é um tipo de calorímetro.
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. Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic

21 Trocas de calor - ∑Q = 0 Aparelho utilizado em laboratório com o objetivo de realizar experiências envolvendo trocas de calor entre corpos ou substâncias, evitando a perda de calor.

22 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.

23 Vamos Exercitar?

24 Simulação

25 Trocas de calor Um recipiente termicamente isolado contém 500g de água na qual se mergulha uma barra metálica homogênea de 250g. A temperatura inicial da água é 25,0°C e a da barra 80,0°C. Considerando o calor específico da água igual a 1,00 cal/g.°C, o do metal igual a ,056 cal/g.°C e desprezando a capacidade térmica do recipiente, determine a temperatura do equilíbrio térmico.

26 Calor Específico (J/9°C)
Exercício 01 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

27 Resolução Resposta: e) Resposta: e) o mercúrio: c = 0,14 J/g.ºC
Pela equação geral da calorimetria (Qs = 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)

28 Exercício 02 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: cágua: 1,0 cal/g.°C) a) 0,2 b) 0,1 c) 0,15 d) 0,05 e) 0,01

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

30 Exercício 03 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

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

32 Exercício 04 Resolução Resposta: c)
Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que: 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. 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)

33 Exercício 05 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. Imagem: Richfife / Domínio Público a) 20 kcal b) 10 kcal c) 50 kcal d) 30 kcal e) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar a resposta.

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

35 Calor latente O calor latente, de uma mudança de estado, é a quantidade de calor que a substância recebe ou cede, por unidade de massa, durante a transformação, mantendo-se constante a temperatura, desde que a pressão não se altere. Matematicamente, podemos expressá-lo por: Sendo: Q = quantidade total de calor latente trocada no processo m = massa do corpo L = calor latente de mudança.

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37 Mudança de fase Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura, podemos alterar o estado de agregação da matéria. Por ora, trataremos da mudança de fase sob pressão constante, variando somente a temperatura. Processos de mudança: Fusão: passagem de sólido para líquido; Solidificação: passagem de líquido para sólido; Vaporização: passagem de líquido para vapor; Condensação: passagem de vapor para líquido; Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor para sólido, processo também conhecido como cristalização.

38 Curvas de aquecimento ou resfriamento
Este gráfico será chamado de curva de aquecimento, se o corpo estiver recebendo energia térmica, ou curva de resfriamento, se o corpo estiver cedendo energia térmica.

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40 Leis gerais de mudança Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a temperatura se mantém constante. Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de fase perfeitamente definida. Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também variam.

41 Influência da pressão na mudança de fase

42 Curva de fusão

43 Curva de Vaporização

44 Temperatura Crítica

45 Curva de sublimação

46  Calcule a quantidade de calor necessária para transformar 100 g de gelo a - 10o C em água a 20o ?
Dados: calor específico do gelo = 0,5 cal / g oC calor latente de fusão do gelo = 80 cal / g calor específico da água = 1 cal / g oC Solução: 1a parte: O gelo se encontra numa temperatura abaixo do ponto de fusão, neste caso será aquecido de - 10o C até o seu ponto de fusão (0o C): Q = m . c .  t Q1 = m . c .  t Q1 = ,5 . (0 - (-10)) Q1 = 50 . (10 ) Q1 = 500 Q1 = 500 cal

47 2a parte: Chegando a 0 oC, o gelo agora se encontra na temperatura do ponto de fusão, neste caso sofrerá mudança de fase: Q = m . L Q2 = m . L Q2 = Q2 = 8 000 Q2 = cal O gelo agora já se transformou em água e esta água será aquecida de 0o C até 20o C: Q = m . c .  t 3a parte: Q3 = m . c .  t Q3 = (20 - 0) Q3 = Q3 = 2 000 Q3 = cal

48 Resposta: Q = 10 500 cal Cálculo final: Devemos agora somar ...