Quantidade de calor, calorimetria e mudanças de fase

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1 Quantidade de calor, calorimetria e mudanças de fase Eduardo Campos dos Santos Centro Universitário Una 19 de fevereiro de 2014

2 Unidades de calor joule (J): unidade recomendada pelo SI. 1J = 1Kg m2 s 2. caloria (cal): Uma caloria equivale à quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água de 14, 5 o C a 15, 5 o C, sob pressão atmosférica. Obs.: a caloria usada na biologia equivale a uma quilocaloria definida como aqui. 1cal = 4, 186J Btu (British Thermal Unit). 1Btu equivale à quantidade de energia necessária para se elevar a temperatura de uma libra de água de 59, 5 o Fa60, 5 o F, sob pressão constante de 1 atmosfera. 1Btu = 1055, J.

3 Calor sensível e calor latente Um corpo, ao receber ou fornecer calor, pode sofrer dois efeitos diferentes: variação de temperatura ou mudança de fase. Calor sensível Quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo, ao sofrer uma variação de temperatura sem que haja mudança de fase. Calor latente Quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo quando este sofre apenas uma mudança de fase sem haver variação de temperatura.

4 Capacidade térmica de um corpo (Cap) A capacidade térmica de um corpo representa a quantidade de calor necessária para que a temperatura do corpo varie 1 o C. Observa-se que essa relação é linear para temperaturas moderadas (próximas à temperatura ambiente). Assim, Cap = Q T, onde: Q é a quantidade de calor fornecida ao corpo ou liberada por ele e T é a variação de temperatura do corpo. Observação 1: Normalmente, usa-se C para designar a capacidade térmica. Entretanto, Young e Freedman, os autores de nosso livro-texto, não fazem referência a essa grandeza e usa C para designar a capacidade térmica molar (ou calor específico molar). Assim, para manter compatibilidade com o livro-texo e evitar confusões, adotaremos C para representar a capacidade térmica molar. Observação 2: Tanto Q como T podem ter sinais positivos ou negativos e ambos têm sempre o mesmo sinal de modo que a capacidade térmica tem sempre valor positivo. Q > 0 indica que calor foi fornecido ao corpo e Q < 0 indica que calor foi liberado pelo corpo.

5 Capacidade térmica específica ou calor específico (c) Supondo um corpo composto por uma única substância, a razão entre sua capacidade térmica Cap e sua massa m nos dá a chamada capacidade térmica específica da substância, um coeficiente também chamado de calor específico da substância. Matematicamente, c = Cap m. Logo, c = 1 m Q T ou, infinitesimalmente, c = 1 dq m dt. Essa grandeza representa um fato observado experimentalmente: cada substância necessita de uma quantidade de calor diferente (específica da substância) para que um grama dessa substância sofra variação de 1 o C na temperatura.

6 Capacidade térmica específica molar ou calor específico molar (C) Por definição, m = nm, onde n é o número de moles e M é a massa molecular (também chamado impropriamente de peso molecular). Então Q = mc T = Q = nmc T. Daí, define-se C = Mc. Então Q = nc T ou dq = ncdt. Reescrevendo C = 1 n dq dt.

7 Observações sobre calor específico Obs. 1: O termo calor específico não é muito apropriado, porque pode sugerir a ideia errada de que um corpo contém certa quantidade de calor. Lembre-se de que calor é energia em trânsito entre corpos, não a energia contida em um corpo. Obs. 2: Na verdade, o calor específico varia levemente com a temperatura (Figura pg. 191).

8 Tabela: capacidade térmica específica e capacidade térmica específica molar

9 Transferência de calor durante transições de fase Conceitos fundamentais Fase: qualquer estado específico da matéria, tal como o de um sólido, um ĺıquido ou um gás. Transições de fase ou mudança de fase: em uma dada pressão, a transição de fase ocorre em uma temperatura definida, sendo usualmente acompanhada por uma emissão ou absorção de calor e por uma variação de volume e densidade. O calor necessário por unidade de massa para a ocorrer a fusão de uma dada substância é chamado calor latente de fusão (L f ) dessa substância. O calor necessário por unidade de massa para a ocorrer a vaporização de uma dada substância é chamado calor latente de vaporização (L v ) dessa substância.

10 Transferência de calor durante transições de fase Quantidade de calor (Q) A quantidade de calor necessária para liquefazer a massa m de um sólido cujo calor de fusão é L f é dada por: Q = ml f. Esse processo é reversível. A quantidade de calor que deve ser absorvida de um ĺıquido de massa m para solidificá-lo tem o mesmo valor em módulo, mas usamos o sinal negativo para indicar que, neste caso, o calor deve ser extraído do corpo. O mesmo vale para outras transições de fase. Generalizando, Q = ±ml

11 Transferência de calor durante transições de fase Tabela: calor latente de fusão e de vaporização

12 Transferência de calor durante transições de fase Gráfico Temperatura (T ) por tempo (t)

13 Exercícios Baseando-se no gráfico T t para a água apresentado no slide anterior, responda: 1. Quais são os valores de calor latente de fusão e de vaporização para essa substância? 2. Observe que a inclinação do gráfico durante a fase ĺıquida é menor comparado às inclinações do mesmo relativas às fases sólida e gasosa. Explique o porquê. Cite valores que corroborem sua explicação.