1.3.8 Aquecimento e arrefecimento de sistemas: capacidade térmica mássica

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1 1.3.8 Aquecimento e arrefecimento de sistemas: capacidade térmica mássica Aquecimento de um sistema Aquecimento de diferentes quantidades de água Quando se fornece, num dado intervalo de tempo, a mesma quantidade de energia a dois sistemas, A e B, que diferem apenas na sua massa. m Sistema A T A O sistema A, com menor massa, sofre um maior aumento da temperatura. T A > T B A variação de temperatura de um sistema depende da sua massa. 2m Sistema B T B 1

2 Aquecimento de um sistema Aquecimento de materiais diferentes (óleo e água) Quando se fornece, num dado intervalo de tempo, a mesma quantidade de energia a dois sistemas com a mesma massa, mas materiais diferentes. Óleo Sistema A T A O sistema A (óleo) sofre um maior aumento da temperatura. T A > T B (Capacidades térmicas mássicas diferentes) A variação de temperatura de um sistema depende do material em causa. Água Sistema B T B Aquecimento/arrefecimento de um sistema Se um sistema de massa constante (sistema fechado), a pressão constante Aquecimento e sem mudança de estado físico, por qualquer processo (calor ou trabalho), ganha ou perde energia ocorre um aquecimento ou um arrefecimento. Q W T > 0 Arrefecimento A energia que o sistema ganha (ou perde) é diretamente proporcional à variação da sua temperatura. T T < 0 2

3 Aquecimento/arrefecimento de um sistema nergia recebida num aquecimento ou (cedida num arrefecimento), sem mudança de estado físico é dada por: J kg 1 K 1 = m c T m c - energia recebida/cedida - massa do sistema J kg K - característica do material designada por capacidade térmica mássica T - variação de temperatura Aquecimento T > 0 Arrefecimento T < 0 > 0 < 0 Aquecimento/arrefecimento de um sistema A energia,, e a variação de temperatura, T, são diretamente proporcionais sendo a constante de proporcionalidade igual ao produto de m por c. ou = m c T y = a x T = 1 m c y = a x O declive da reta é igual ao produto m c 0 T O declive da reta é igual ao inverso do produto m c: 1 m c 0 T 3

4 Capacidade térmica mássica A capacidade térmica mássica, c, quando expressa em J kg 1 K 1 é a energia necessária para elevar de 1 K a temperatura de 1 kg de material. c = m T = m c T T K = t C Também se pode exprimir em J kg 1 C 1 Capacidade térmica mássica da água Capacidade térmica mássica do gelo: c gelo = 2, J kg 1 1 É necessária a energia de 2, J para elevar 1 a temperatura de 1 kg de gelo. Capacidade térmica mássica da água líquida: c água = 4, J kg 1 1 É necessária a energia de 4, J para elevar 1 a temperatura de 1 kg de gelo. c água = 2 c gelo Quanto maior for a capacidade térmica mássica de um material, menor será a variação de temperatura do sistema para a mesma energia recebida (ou cedida). 4

5 Capacidade térmica mássica da água A água líquida tem uma capacidade térmica mássica elevada. Por isso é bastante utilizada em sistemas de aquecimento e refrigeração. Material c / J kg 1 C 1 (a 25 C) Água líquida 4, Azeite 2, Alumínio 9, Ferro 4, Cobre 3, Capacidades térmicas mássicas de alguns materiais. Capacidade térmica mássica da água Apesar da irradiância ser a mesma, a areia aquece mais que a água do mar. A água é o ambiente adequado para organismos que não suportam grandes amplitudes térmicas. 5

6 Atividade Um material de 300 g absorve 6,0 kj para elevar a sua temperatura em 10 C. Indique a capacidade térmica mássica desse material. Atividade Um material de 300 g absorve 6,0 kj para elevar a sua temperatura em 10 C. Indique a capacidade térmica mássica desse material. SOLUÇÃO nergia recebida pela substância é dada pela expressão: = m c T c = m T c = ,3 10 c = 2, J kg 1 K 1 Dados m = 300 g = 0,3 kg = 6 kj = 6000 J t = 10 C T = 10 K 6

7 Como se determina, experimentalmente, a capacidade térmica mássica? A capacidade térmica mássica de uma substância como um metal (ou liga metálica) pode ser determinada, experimentalmente, usando blocos calorimétricos e montando um circuito elétrico adequado. Como se determina, experimentalmente, a capacidade térmica mássica? 7

8 Temperatura/ ⁰C Como se determina, experimentalmente, a capacidade térmica mássica? Depois de realizada a experiência que viste na animação obtiveram-se os seguintes resultados, para o bloco calorimétrico de aço: - Massa bloco calorimétrico de aço = 1,0 kg Tratamento dos resultados experimentais Com base nos dados obtidos experimentalmente (e que estão registados na tabela anterior) constrói-se em xcel ou na calculadora gráfica um gráfico dos valores de temperatura em função do tempo. d = ΔT Δt = 0,0802 = m c T = U I t De (1) e (2) e igualando vem: ou (1) (2) m c T = U I t c = U I m T t y = 0,0802x + 16 Temperatura em função do tempo R² = 0, ,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, tempo/s 8

9 Tratamento dos resultados experimentais Com base nos valores experimentais, a capacidade térmica mássica do aço é: % = r c tab c c tab exp 100 r ,9 % = % = 3,0% r Valor tabelado para a capacidade térmica do aço, c = 460 J kg -1 k -1 TPC Fazer os exercícios da página 147 e 148 que ficaram por fazer: Aquecimento e arrefecimento de sistemas: Capacidade térmica mássica. 9