CELSIUS, TEMPERATURA E CALOR PARTE 2. CONTEÚDO Calor Capacidade térmica Calor específico

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1 CELSIUS, TEMPERATURA E CALOR PARTE 2 CONTEÚDO Calor Capacidade térmica Calor específico AMPLIANDO SEUS CONHECIMENTOS No capítulo anterior deste material didático refletimos sobre o conceito de temperatura e sugerimos que você pesquisasse sobre as diferenças e semelhanças entre calor e temperatura. Possivelmente nessas pesquisas apareceram as expressões quente e frio. Lembre-se de que calor e temperatura são conceitos que possuem uma relação bastante intrínseca e, no cotidiano, muitas vezes trocamos um pelo outro. Isso não significa que, na Física, calor e temperatura tenham o mesmo significado. Sabemos que a temperatura de um corpo está relacionada com o grau de agitação dos átomos de um corpo. Já o calor é uma forma de energia, transferida de um corpo para o outro. A transferência de energia ocorre porque existirá uma diferença de temperatura entre os corpos. A unidade de medida de calor, mais comumente usada, é a caloria (cal). Embora a temperatura destas centelhas ultrapasse o C, o calor que elas transmitem quando encostam na pele é muito pequeno o que ilustra o fato de que temperatura e calor são conceitos diferentes. Figura 1 Centelhas produzidas em um esmeril Fonte: Trilllogic Innoventions Nos estudos associados ao tema Calor, dois assuntos merecem destaque: os conceitos de capacidade térmica (C) e calor específico (c). Apesar de suas definições serem bastante parecidas, eles possuem significados profundos e diferenciados.

2 Capacidade térmica Associado à característica que os corpos possuem de absorver calor está a grandeza denominada capacidade térmica. Capacidade térmica (C) é a quantidade de calor necessária para variar em 1 ºC, a temperatura de um corpo. Utiliza-se geralmente duas expressões para o cálculo da capacidade térmica. C = m.c Capacidade térmica Massa Calor específico Ou Capacidade térmica C = Q Quantidade de calor Variação da temperatura A unidade de medida da capacidade térmica é a cal/ºc (ou J/ºC no SI). Ao fazermos referência a objetos, como uma panela de metal ou um copo de vidro, dentre outros, é importante destacar a importância do conceito de capacidade térmica, pois, como podemos observar, em uma das expressões, a massa do objeto também é importante para o cálculo desta grandeza. Imaginemos, por exemplo, que dois corpos A e B inicialmente a uma temperatura de 25 o C, recebam uma mesma quantidade de calor (500 cal). Uma pessoa resolveu medir a temperatura desses corpos após determinado tempo e descobre que suas temperaturas são agora de 95 o C para o corpo A e de 58 o C para o corpo B. Determinando a capacidade térmica para os corpos A e B, teremos:

3 Corpo A C = Q Q = 500 cal t = 95 o C 25 o C = 70 o C C = 500 cal 70 o C C = 7,1 cal/ o C Corpo B C = Q Q = 500 cal t = 58 o C 25 o C = 33 o C C = 500 cal 33 o C C = 15,1cal/ o C Esse valor indica que, para elevar a temperatura do corpo A de 1ºC, é necessário fornecer ao corpo 7,1cal. Esse valor indica que, para elevar a temperatura do corpo B de 1 o C, é necessário fornecer ao corpo uma quantidade de calor de 15,1cal. Olhando os exemplos, qual dos dois corpos precisa de mais calor para elevar sua temperatura de 1 ºC? Se você escolheu o corpo B, acertou! Ou seja, a capacidade térmica dele é maior. Calor específico Na Física o calor específico está associado com a seguinte definição: Calor específico é quantidade de calor necessária para elevar em 1 grau Celsius a temperatura de 1 grama de uma substância. O conceito de calor específico refere-se a uma porção do corpo (1 grama). Observe a tabela abaixo na qual foram colocados os calores específicos de algumas substâncias: Substância Calor específico (cal/g o C) Água 1,00 Alumínio 0,22 Chumbo 0,031 Ferro 0,11 Mercúrio 0,033 Prata 0,056 Compare os valores e responda à seguinte questão: Que relação poderia existir entre esses valores e a utilização do mercúrio em termômetros e da água para a refrigeração de motores de automóveis? Na tabela podemos observar que: c água = 1,00 cal/g o C e c mercúrio = 0,033 cal/g o C

4 Pela definição de calor específico, devemos fornecer (ou ceder) 1 cal para aumentar em 1 o C a temperatura de 1 g de água e fornecer (ou ceder) 0,033 cal para aumentar em 1 o C a temperatura de 1 g de mercúrio. Em qual das duas situações o corpo precisa receber (ou ceder) menos calor para aumentar em 1 o C sua temperatura? O calor específico da água é igual a 1,0 cal/gºc (lê-se: uma caloria por grama grau Celsius). Isso significa que é necessário fornecer uma quantidade de calor de 1,0 cal para que se eleve em 1 ºC esse 1 grama de água. Sendo assim, quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura, que é o caso do mercúrio, por exemplo. Durante o dia, a temperatura no deserto é muito elevada e, durante a noite, sofre uma grande redução. Isto ocorre em virtude do pequeno calor específico da área. Quanto maior o calor específico de uma substância, menos ele se aquece ao receber certa quantidade de calor. A água é uma das substâncias com calor específico de valor mais elevado. Por essa razão, certa massa de água (lago, rio, piscina etc), ao receber calor do Sol, sofre pequenas variações em sua temperatura, em comparação com outros objetos situados em sua vizinhança. Ainda pelo mesmo motivo, quando o Sol se põe, isto é, quando a água e os outros objetos liberarem calor para o ambiente, o resfriamento da água é muito mais lento que o daqueles objetos. Assim, é fácil entender porque é tão agradável mergulhar na água em um dia muito quente. Por outro lado, como a areia tem um calor específico de valor pouco elevado, ela se aquece e se resfria com facilidade. Por isso, nos desertos, embora os dias sejam excessivamente quentes, as noites costumam apresentar temperaturas muito baixas. ALVARENGA, B. Curso de Física volume 2. São Paulo: Scipione, Uma equação importante Na determinação da quantidade de calor cedido ou retirado de um corpo quando ocorre variação em sua temperatura utiliza-se a expressão Q = m.c. Onde: Q é a quantidade de calor que o corpo recebeu (ou perdeu). m é a massa, c é o calor específico Δ é a variação da temperatura

5 Atenção: Observe que para a grandeza Q (quantidade de calor) ser expressa em cal (calorias) é necessário que a temperatura t esteja expressa em o C (graus Celsius), o calor específico c em cal/g o C (calorias por grama graus Celsius) e a massa m em g (gramas). Observe a figura 2 onde temos três líquidos com a mesma quantidade de massa que inicialmente estavam a uma mesma temperatura. Ao receberem a mesma quantidade de calor sofreram variação de temperatura diferente. Acompanhe no exemplo a seguir, a utilização desta expressão para resolver a situação proposta. Figura 2. Líquidos recebendo a mesma quantidade de calor Fonte: Fundação Bradesco Um bloco de 2 kg de ferro inicialmente à temperatura ambiente (20 C) recebe calor até atingir a temperatura de 400 C. Determine: a) Qual a quantidade de calor que o bloco de ferro recebeu para chegar a 400 C? b) A quantidade de calor que o bloco de ferro deve ceder ao meio ambiente para que sua temperatura e chegue a 0 o C. Resolução a) A quantidade de calor (Q) é determinada a partir da expressão Q = m.c.δ, onde m = 1 kg, mas lembre-se, conforme comentado anteriormente que para a quantidade de calor ser expressa em cal (calorias), a massa deve estar expressa em gramas. Portanto no nosso exemplo m = 2 kg = g. O calor específico do ferro é informado na tabela 1 (c = 0,11 cal/gºc).

6 A variação de temperatura (Δ ) é obtida através da relação; Δ = final inicial Teremos então: Δ = Δ = 380 ºC Com estas informações, já podemos fazer uso da expressão Q = m.c.δ, e determinar a quantidade de calor. Q = m.c.δ Q = 2.000x0,11x380 Q = cal Nesta situação o bloco recebeu calorias para elevar sua temperatura de 20 ºC até 400 ºC. b) Novamente utilizamos a expressão Q = m.c.δ, onde: m = 2 kg = g c = 0,11 cal/gºc Δ = final inicial Nesta nova situação a temperatura inicial é de 20 ºC mas a temperatura final, desta vez, é menor que a inicial pois o bloco perde calor. De acordo com o enunciado ele deve se resfriar até ºC. Portanto Δ = final inicial Δ = 0 20 Δ = 20 ºC E para a quantidade de calor ficamos com: Q = m.c.δ Q = 2.000x0,11x( 20) Q = cal O sinal negativo que acompanha o valor numérico indica que o bloco de ferro perdeu calorias para diminuir sua temperatura de 20 ºC até 0 ºC.

7 ATIVIDADES 1. Uma panela de alumínio tem 300 gramas de massa e foi inadvertidamente levada vazia ao fogo de um fogão que a aqueceu da temperatura ambiente de 25 ºC até a temperatura de 85 ºC. a) Consulte na tabela deste capítulo o calor específico do alumínio. b) Determine a quantidade de calorias absorvidas pela panela de alumínio. 2. (UEL 2012 Adaptada.) O homem utiliza o fogo para moldar os mais diversos utensílios. Por exemplo, um forno é essencial para o trabalho do ferreiro na confecção de ferraduras. Para isso, o ferro é aquecido até que se torne moldável. Considerando que a massa de ferro empregada na confecção de uma ferradura é de 0,5 kg, que a temperatura em que o ferro se torna moldável é de 520 ºC e que o calor específico do ferro vale 0,1 cal/gºc, assinale a alternativa que fornece a quantidade de calor, em calorias, a ser cedida a essa massa de ferro para que possa ser trabalhada pelo ferreiro. Dado: temperatura inicial da ferradura: 20 ºC. a) 250 b) 2500 c) d)

8 3. Um cozinheiro necessita aquecer 0,6 kg de água que se encontrava à 25 ºC. Ao levar a água ao fogo, ele observa que que ela começa a ferver 5 minutos depois. Desconsiderando-se as perdas de calor para o ambiente e considerando a temperatura de ebulição da água igual a 100 ºC, determine a quantidade de calor recebida pela água. (Adote 1 litro = 1 kg.) 4. O que significa dizer que um objeto tem capacidade térmica de 150 cal/cº? 5. (UFSE Adaptada.) A tabela abaixo apresenta a massa m de cinco objetos de metal, com seus respectivos calores específicos sensíveis c. METAL c(cal/gºc) m(g) Ferro 0, Cobre 0, Prata 0, Chumbo 0, O objeto que tem maior capacidade térmica é o de: a) ferro b) chumbo c) prata d) cobre

9 6. Um objeto inicialmente a 20 ºC recebe 600 cal o que faz sua temperatura chegar a 30ºC. Em razão desta elevação de temperatura sua capacidade térmica é a) 80 cal/ºc b) 60 cal/ºc c) 30 cal/ºc d) 20 cal/ºc INDICAÇÕES Oficina Calor Vídeo Calor e Temperatura REFERÊNCIAS ALVARENGA, B. Curso de Física volume 2. São Paulo: Scipione, GASPAR, A. Física, volume 2. São Paulo: Ática, GONÇALVES FILHO, A.; TOSCANO, C. Física e realidade volume 2. São Paulo: Scipione, GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Leituras de Física Termodinâmica. São Paulo: Edusp, PIETROCOLA, M. Física em contextos: pessoal, social e histórico volume 2. São Paulo: FTD, 2011.

10 TRILLLOGIC INNOVENTIONS. Centelhas produzidas em um esmeril. Disponível em: < Acesso em: 16 mai h23min. VON BAEYER, H. A Física e o mundo que nos rodeia. Rio de Janeiro: Campus, GABARITO 1. a) c = 0,22 cal/gºc b) Utilizando a expressão Q = m.c.δ, teremos: Q =? m = 300 g c = 0,22 cal/gºc Δ = 85 ºC 25 ºC = 60 ºC Q = m.c.δ, Q = 300x0,22x60 Q = cal 2. Alternativa C Utilizando a expressão Q = m.c.δ, teremos: Q =? m = 0,5 kg = 500 g c = 0,1 cal/gºc Δ = 520 ºC 20 ºC = 500 ºC Q = m.c.δ, Q = 500x0,1x500 Q = cal 3. Utilizando a expressão Q = m.c.δ, teremos: Q =? m = 0,6 kg = 600 g c = 1 cal/gºc Δ = 100 ºC 25 ºC = 75 ºC Q = m.c.δ, Q = 600x1x75 Q = cal

11 4. Significa que se o objeto receber (ou ceder) uma quantidade de energia de 150 calorias, sua temperatura variará de 1 ºC. 5. Alternativa A Metal c(cal/gºc) m(g) Capacidade térmica Ferro 0, C = m.c C = 200x0,113 C = 22,6 cal/ ºC Cobre 0, C = m.c C = 200x0,093 C = 18,6 cal/ ºC Prata 0, C = m.c C = 200x0,056 C = 11,2 cal/ ºC Chumbo 0, C = m.c C = 200x0,031 C = 6,2 cal/ ºC 6. Alternativa B Utilizando-se a expressão C = Q Onde, Q = 600 cal = 30 ºC 20 ºC = 10 ºC Teremos: C = Q C = C = 60 cal/ ºC