MÓDULO 13 CALOR E A SUA PROPAGAÇÃO Física Professor Ricardo Fagundes MÓDULO 13 CALOR E A SUA PROPAGAÇÃO

CALOR E A SUA PROPAGAÇÃO Como discutimos em módulos anteriores, o calor é uma energia que se propaga de uma região com maior temperatura para outra com menor temperatura, até alcançar o equilíbrio térmico. Em um sistema isolado, o calor que a região com maior temperatura libera é o mesmo que a região com menor temperatura absorve. Podemos, então, matematizar a Lei Zero da termodinâmica e entender o porquê de ela ser chamada assim. Q = 0 Onde Q é a quantidade de calor. A região que libera calor tem quantidade de calor negativa e a que absorve, positiva. Como os módulos são iguais, ao somar as quantidades de calor, vamos achar zero.

Entendido essa primeira etapa, vamos imaginar uma situação cotidiana, o preparo de um macarrão instantâneo. A água que colocamos na panela, inicialmente, está na temperatura ambiente. Após aproximadamente 3 minutos com o forno ligado, formam-se as primeiras bolhas. Considerando que estamos no nível do mar (a pressão influencia na temperatura de ebulição/fusão), podemos afirmar que a temperatura da água atingiu os 100°C. A partir desse instante, enquanto tiver água liquida na panela, a temperatura permanecerá 100°C. Note que, durante todo o processo, a água continua recebendo calor. Porém, durante o processo de mudança de estado físico, não há aumento na temperatura. Todo o calor absorvido é usado na mudança da organização das moléculas. Se, por exemplo, no nível do mar, existir um reservatório contendo gelo e água líquida, podemos afirmar que a temperatura do sistema é de 0°C. Existem, então, dois tipos de calores. Um quando há mudança de temperatura, chamado de calor sensível, e outro, quando há mudança de estado físico, o calor latente.

1. Calor Sensível Desde crianças, sabemos intuitivamente que, quanto mais comida colocarmos no prato, maior o tempo que devemos deixar o microondas ligado, caso contrário, a comida não terá aquecido o suficiente. Logo, quanto maior massa de uma mesma substância, maior será a quantidade de calor necessária para elevarmos a sua temperatura. Outro fator importante na variação de temperatura é que existem materiais que, com um pouco de calor, já aumentam a temperatura, já outros, necessitam de mais calor para sofrerem a mesma variação. Por exemplo, 1g de alumínio, ao receber 1 cal, sofre um aumento de 5°C, aproximadamente. Já 1g água líquida, ao receber 1 cal, sofre um aumento de 1°C, apenas. Essa grandeza específica de cada elemento é chamada de calor específico (c).

O calor específico nada mais é que a quantidade de calor absorvida/liberada por 1g de certo material para que sofra uma variação de temperatura de 1°C. Do exemplo acima, tiramos que o calor específico da água líquida é de 1 cal/g°C e o do alumínio é de 0,2 cal/g°C. Então: Q = mc∆T Obs.: a unidade usual de quantidade de calor é caloria, mas no S.I., a unidade usada é Joule, em homenagem ao inglês James P. Joule. 1 caloria equivale, aproximadamente, 4,2 J, mas muitos exercícios aproximam para 4J.

2. Calor Latente Para uma determinada substância mudar de estado físico, deve receber/liberar uma quantidade específica de calor, necessária para reorganizar a estrutura molecular. E também fica claro que precisaremos de mais calor para derreter 2 kg de gelo que 10 g da mesma substância. Logo, além da importância da massa, cada material muda de estado de maneira diferente. Essa quantidade de calor necessária por grama de cada material chama-se calor latente, que pode ser de fusão ou de ebulição. Por exemplo, para que 1g de gelo a 0°C, no nível do mar, derreta, são necessários 80 cal. Aí, teremos água no estado líquido, inicialmente a 0°C (lembre-se que, quando a mudança de estado físico, não há mudança de temperatura). Se a fonte de calor continuar ligada, aí sim a temperatura da água começará a subir (após todo o gelo derreter).

Exemplo Uma panela de alumínio contém 300 mL de água a 20°C. Após 3 minutos no forno, a água atinge 100°C. Qual a quantidade de calor absorvida pela água? Dado: cágua(líq) = 1 cal/g°C RESOLUÇÃO: Considerando que a densidade da água é 1g/cm3, podemos afirmar que 300 mL equivalem a 300 g. Q = mc∆T = 300 · 1 · 80 = 24Kcal

Exemplo Dois minutos após a água entrar em ebulição, ainda têm 250 mL de água na panela. Qual a quantidade de calor absorvida pela água para a mudança de estado físico? Dado: Lebulição da água = 540 cal/g RESOLUÇÃO: Q = mL = 50 · 540 = 27Kcal

Capacidade Térmica Se um material, além de apresentar um alto calor específico, está presente em um sistema em grande quantidade, provavelmente sofrerá pouca variação na sua temperatura. A capacidade térmica (C) nada mais é que o produto entre a massa e o calor específico de uma substância. O ar- condicionado, por exemplo, é um tipo de máquina fria, que retira calor de um ambiente com baixa temperatura e o expulsa para o meio externo, que possui uma temperatura maior (note que é forçado, já que o natural seria o calor ir para o meio de menor temperatura). Mesmo com todos os ares-condicionados ligados, a temperatura do ar de uma cidade não aumentaria, já que esta é infinitamente maior que a quantidade de ar quente que sai dos aparelhos. O mesmo aconteceria se colocássemos gelo no mar. A temperatura média do oceano não mudaria. C = mc ∴ Q = C∆T