FÍSICA QUANTIDADE DE CALOR CALORIMETRIA. Prof. Rangel M. Nunes

Transcrição

1 1 FÍSICA QUANTIDADE DE CALOR CALORIMETRIA

2 2 CONTEÚDOS: Quantidade de calor; Unidades de calor; Calor específico; Calor sensível e calor latente; Mudanças de estado físico;

3 3 Conceito de Calor Vimos que o calor é a energia térmica em transito quando dois ou mais corpos estão em temperaturas diferentes. A energia térmica flui até que os corpos atinjam o equilíbrio térmico. No equilíbrio térmico todos os corpos ficam com a mesma temperatura média. As três formas pelo qual o calor se propaga: irradiação, condução e convecção. E esta propagação de calor ocorre sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura (o contrário não ocorre naturalmente). A propagação do calor prossegue (o mais aquecido se resfria e o mais frio se aquece) até que os corpos atinjam o equilíbrio térmico. Agora iremos abranger um pouco mais o conceito de calor, tratando da absorção e emissão de calor por um corpo em processos de aquecimento e resfriamento. A quantidade de calor recebida ou perdida por um corpo em processos de aquecimento e resfriamento, respectivamente, é determinada pela equação fundamental da calorimetria. Q = m.c. T A quantidade de calor Q depende da variação da temperatura T e do calor específico sensível O calor específico sensível c de uma substância a quantidade de calor necessária para elevar (ou baixar) em 1 C a temperatura de um grama de água. O calor específico sensível da água líquida é c = 1 cal/ (g. C). Exemplo 1): Determine a quantidade de calor que uma fonte térmica deve fornecer a 100g de água para aquecê-la de 20 C para 80 C. Vimos que Q = m.c. T Q = (80-20); T = T T 0 Q = 6000 cal

4 4 Exemplo 2): Determine a potência de uma chapa de aquecimento para aquecer uma massa de 200g de água de 20 C a 80 C em 2 min? Primeiro devemos determinar a quantidade de calor que esta massa de água ira absorver: Q = m.c.(t T 0 ). Q = (80 20) Q = cal P ot = Q/ t A potência é expressa em watts (J /s), logo devemos converter o valor de Q para joules: 1 cal 4,18J P ot = 50160/(2 x 60) x x = J P ot = 418 W Unidades de Calor As unidades de medidas de calor absorvido ou emitido por um corpo são caloria (cal, Kcal) e joule (J, KJ, MJ). O joule é a unidade de trabalho e energia do S.I. A relação entre cal e J é a seguinte: 1 cal 4,18 J Determinação energética dos alimentos Hoje os alimentos trazem em sua embalagem o teor energético por unidade de massa. Este teor energético são as famosas calorias, tão discutidas quando o assunto é dieta e saúde alimentar. As calorias são uma medida de quanta de energia os alimentos podem fornecer para o corpo. Sabemos que as energias dos alimentos estão nas ligações químicas nas moléculas de açucares e gorduras e esta energia pode ser desprendida (com a quebra destas moléculas) e armazenada no fígado em forma de ATP. Podemos determinar experimentalmente este valor energético através da queima destes alimentos e quantificação do calor desprendido (energia). Uma amostra do alimento será queimada por uma chama constante, dentro de um calorímetro termicamente isolado. A queima ocorrerá na parte central do calorímetro; as laterais desta câmara são preenchidas de água. O método consiste basicamente em determinar o calor absorvido pela água no processo de queima do alimento. Etapas:

5 5 Primeira fase: O queimador é ligado por um determinado tempo t, sem que haja a amostra de alimento no interior do calorímetro. O volume de água do calorímetro é aquecido e o aumento de temperatura é registrado pelo termômetro. Com isso calcula-se a quantidade de calor Q chama que a água absorveu. Segunda fase: A amostra de alimento é colocada dentro do calorímetro, a chama é ligada pelo mesmo tempo t da primeira fase e o alimento é queimado. A água agora absorvera o calor da chama mais o calor devido à combustão do alimento. Teremos uma quantidade de calor absorvido Q chama + alimento portanto: A quantidade de calor aliminado, em calorias, apenas pelo alimento (Q alimento ) será, Q chama + alimento - Q chama Primeira fase Segunda fase

6 6 Calor Sensível e Calor Latente Calor Sensível: Quando a substância perde ou ganha calor sem que haja mudança de estado físico e hienas mudança em sua temperatura. Q pode ter valor negativo ou positivo. Quantidade de calor positiva (+Q): Q terá valor positivo sempre que o corpo absorver calor. Neste caso ele sofrerá um aquecimento e a variação de temperatura será positiva. +Q T > 0; Quantidade de calor negativo (-Q): Q terá valor negativo sempre que o corpo perder calor para o ambiente ou para outro corpo. Neste caso ele sofrerá um resfriamento e a variação da temperatura será negativa. -Q T < 0; Observe a figura abaixo: Observe que o gelo absorve calor +Q enquanto a substância acima perde calor Q (para o gelo). Depois de certo tempo a substância teve sua temperatura diminuída e o gelo aumentou sua temperatura chegando a mudar de estado físico. Calor Latente: É a quantidade de calor necessária que um corpo deve perder ou ganhar para que haja mudança de seu estado físico. O calor latente Q L :

7 7 Q L = m.l Onde L é o calor latente que pode ser: de fusão (L f ), vaporização (L v ), condensação (L c ) e solidificação (L s ). Os valores de L são tabelados e como exemplo estudaremos as mudanças de estado físico na água. Mudanças de Estado Físico Mudanças de estado físico é mudança no arranjo das moléculas de uma substância devido ao aquecimento ou resfriamento. O novo arranjo molecular confere a substância novas propriedades físico químicas. Fusão: é a passagem do estado sólido para o líquido. Ocorre com ganho de calor. No caso da água ela passa de gelo a água líquida quando recebe 80 cal/g a 0 C então L f = +80 cal/g. A temperatura só ira subir quando todo o gelo fundir. Exemplo: Qual a quantidade de calor que uma pedra de gelo de 50g deve ganhar para se fundir completamente. Q = m.l f Q = Q = 4000 cal Vaporização: é a passagem do estado líquido para o gasoso. Ocorre também com ganho de calor. No caso da água ele passa de água líquida para vapor de água quando recebe +540 cal/g a 100 C então F v = +540 cal/g. O vapor só aumentara de temperatura quando toda água evaporar. Exemplo: Qual a quantidade de calor que devemos fornecer a 100g de água para que evapore totalmente. Q = m.l v Q = Q = cal Condensação: é a passagem do estado gasoso para o estado líquido. Agora a massa de vapor deve perder calor para voltar ao estado líquido. Observamos este fenômeno quando o vapor quente bate em uma superfície metálica e aparecem gotas de água. Neste caso uma massa de vapor de água deve

8 8 perder 540 cal/g a 100 C para voltar ao estado líquido. L c = -540 cal/g. A temperatura da água baixara só quando toda a água condensar. Exemplo: Qual a quantidade de calor que deve perder 10g de vapor para que se condense completamente. Q = m.l c Q = 10.(-540) Q = cal O sinal negativo indica calor perdido Solidificação: é a passagem do estado líquido para o gasoso. Quando colocamos água no congelador da geladeira a água passa do estado líquido para o estado sólido. Neste caso a massa de água líquida deve perder 80 cal/g a 0 C. Logo L s = -80 cal/g. A temperatura do gelo só abaixara quando toda água congelar. Diagrama de fases da água: Curvas de Aquecimento e Resfriamento Analisar o gráfico com os alunos.

9 9 Exemplo 1): Calcule a quantidade de calor necessário para transformar 100g de gelo a -10 C em água líquida a 80 C. Sabendo que c gelo = 0,5 cal/ (g. C) e da água líquida c água = 1,0 cal/ (g. C). Temos três fases: aquecimento do gelo, fusão do gelo, aquecimento da água líquida. Aquecimento do gelo (Q 1 ): Q = m.c gelo. T Q = 100.0,5.(0-(-10)) Q = 500cal Fusão do gelo (Q 2 ) Q = m.l f Q = Q = 8000 cal Aquecimento da água líquida (Q 3 ) Q = m.c água. T Q = 100.1,0.(80-0) Q = 8000 cal Logo o calor total que 100g de gelo a -10/C deve receber para virar água líquida a 80 C é de: Q 1 + Q 2 + Q = cal

10 10 Fazer em sala de aula (discussão dos conceitos) Exemplo 2) Calcule a quantidade de calor que um refrigerador deve retirar de 100 g de água a 80ºC para produzir 100g de gelo a -10ºC. Exemplo 3) Determine a quantidade de calor que uma superfície metálica deve retirar de 50g de vapor a 110 C condensando-o em água a 80 C. Exemplo 4) Com relação ao exercício acima, se colocarmos esta água na geladeira, quanto de calor o refrigerador deve retirar das 110 g de água líquida para solidificá-la em gelo a 0 C