AULA PRÁTICA DE QUÍMICA GERAL Estudando a água parte 37 Comparando os calores específicos da água e da areia 9º NO DO ENSINO FUNDAMENTAL - 1º ANO DO ENSINO MÉDIO INTRODUÇÃO Uma das propriedades mais importantes da água, dentre várias, é sua capacidade de armazenar calor, sem elevar muito sua temperatura. Essa capacidade tem grande influência no equilíbrio térmico do planeta, evitando, por exemplo, que as noites sejam muito frias e que os dias sejam muito quentes. Você já ouviu falar que, nos desertos, onde logicamente a água é muito escassa, as temperaturas diurnas são extremamente quentes, e que durante a noite elas chegam a várias dezenas de graus negativos? A quase total ausência de água no estado líquido ou vapor é o principal fator para que essa grande variação térmica ocorra; além, é claro, da incidência de luz solar. Onde há água, a variação térmica é menor. Talvez você já tenha tomado banho de piscina à noite. Você já pensou no porque a água de uma piscina parece estar morna durante a noite e fria durante o dia? Será que essa impressão é uma sensação real ou uma ilusão? O calor específico é uma grandeza física, que varia de uma substância para outra, que determina o quanto varia a temperatura de um material em função da quantidade de energia térmica (calor) absorvida por ele. Novamente, é preciso lembrar que temperatura e calor são grandezas distintas, muito confundidas na vida e na linguagem do cotidiano. Temperatura A temperatura é uma grandeza relacionada à energia cinética média das partículas de um corpo qualquer, que é medida pelos termômetros. As duas escalas de temperatura mais comuns são graus Celsius (ºC) e graus Kelvin (K). Há também a escala Fahrenheit (ºF), que é usada nos países do Reino Unido, liderados pela Inglaterra. A escala Kelvin tem grande importância científica, porque tem relação direta e linear com a variação dos volumes dos gases. Ou seja, se, sob pressão constante, um gás é aquecido até o dobro da temperatura em graus Kelvin, seu volume também irá dobrar. Se, ao contrário, o gás é resfriado até
à metade da temperatura em Kelvin, o volume do gás será reduzido naturalmente à metade. Essa mesma relação direta e proporcional não acontece com as outras escalas de temperatura. Calor O calor, como toda forma de energia, tem a unidade oficial em joule (J), embora a unidade caloria (cal) seja a mais utilizada. É comum associarmos aos diversos tipos de alimentos, a quantidade de calorias ou de quilocalorias (kcal), que se relaciona à energia armazenada nas substâncias que formam aquele alimento, para cada porção de 100g de alimento. Essa energia é liberada apenas na sua queima, durante os processos digestivos no nosso corpo, quando então essa energia é aproveitada ou armazenada. As unidades caloria e joule podem ser convertidas uma na outra, pela relação: 1 cal = 4,186J. Como a unidade caloria corresponde a uma quantidade de calor muito pequena, é mais frequente a utilização de seu múltiplo quilocaloria (kcal), que corresponde a 1 mil calorias: 1 kcal = 10³ cal. Caloria e água A caloria é a unidade de calor mais antiga e associada ao aquecimento da água, de uma forma bastante direta. Observe que, conceitualmente, uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5 C para 15,5 C. Assim, o calor é uma energia capaz de ser armazenada na forma de energia química, nas ligações entre os átomos. Isso ocorre com todas as substâncias, mais especialmente e em maior quantidade nas substâncias orgânicas, como combustíveis e alimentos; que, biologicamente, também são combustíveis. Como o nosso corpo é formado de boa proporção de água e precisa ser mantido sempre aquecido a 36,5ºC, bem acima da temperatura ambiente que varia em torno dos 20ºC, a quantidade de calorias armazenadas nos alimentos é um fator muito importante para a química e para a biologia, especialmente na medicina e na nutrição. De volta ao calor específico Mas, como o calor específico é uma grandeza que precisa associar três outras grandezas: o calor (em calorias ou em joules), a massa da substância (em gramas ou quilogramas) e a temperatura (em graus Kelvin ou Celsius). Como já falamos, ele exprime o quanto uma substância pode ter sua temperatura elevada, em função da quantidade de calor recebido, e também em função de uma certa quantidade de massa da substância que recebeu esse calor.
Por isso, as unidades mais comuns de calor específico são: J/kg.K (joule por quilograma por Kelvin) e cal/g.ºc (calorias por grama por graus Celsius). Substância Calor Específico (cal/g. C) Água 1,0 Álcool 0,58 Alumínio 0,22 Ar (mistura) 0,24 Carbono 0,12 Chumbo 0,031 Cobre 0,094 Ferro 0,11 Gelo 0,5 Hélio 1,25 Hidrogênio 3,4 Latão 0,092 Madeira 0,42 Mercúrio 0,033 Nitrogênio 0,25 Ouro 0,032 Oxigênio 0,22 Prata 0,056 Rochas 0,21 Vidro 0,16 Zinco 0,093 Em outras palavras, diferentes substâncias aquecem mais rápido ou mais lentamente que outras, mesmo quando recebem a mesma quantidade de calor. Para entender melhor, observe na tabela ao lado que a água possui elevado valor de calor específico, quando comparada com outras substâncias. A unidade está em calorias por grama por grau Celsius. Isso significa que ela consegue absorver mais calor para cada grau de temperatura que sobe, por grama de água. Em outras palavras, a água aquece mais lentamente que outras substâncias que estão no mesmo ambiente. Mas, aquecer mais lentamente significa também esfriar mais lentamente. É por isso que a água de uma piscina, durante a noite, ainda está morna nas primeiras horas da noite, como se fosse dia; e, nas primeiras horas do dia, mesmo já recebendo Sol, ainda se mantém fria como se fosse noite. EXPERIMENTO Comparando os calores específicos da água e da areia. Esse experimento é adequado para ser realizado em dias quentes ou com boa insolação, em local aberto ou em sala que tenha boa entrada de sol. MATERIAL A) Dois béqueres de 500mL. B) Água de torneira. C) Areia lavada e seca. D) Dois termômetros de laboratório. E) Cronômetro. F) Geladeira ou freezer. G) Aquário retangular de vidro, vazio, de tamanho suficiente para conter dois béqueres grandes, com termômetros inseridos. H) Plástico transparente de tamanho suficiente para tampar o aquário na posição normal; ou pedaço de papelão, de tamanho suficiente para tampar o aquário, na posição invertida, emborcado, formando uma base.
PROCEDIMENTO 1. Coloque cerca de 250mL de areia dentro de um béquer de 500mL. 2. No outro béquer, coloque a mesma quantidade de água. 3. Insira um termômetro na amostra de areia e outro na amostra de água. 4. Leve os dois sistemas para uma geladeira por cerca de 30min, até que fiquem bem frios. Não deixe congelar a água. 5. Posicione o aquário vazio em local com boa insolação. Se tiver um plástico transparente, posicione o aquário na posição normal, com a abertura para cima; caso contrário, use um papelão na parte de baixo e posicione o aquário com a abertura para baixo. 6. Coloque os dois béqueres dentro do aquário, tampando-o com plástico transparente em seguida. Ou simplesmente levante-o para colocar os béqueres e abaixe-o novamente. Tome o cuidado para posicionar os termômetros de forma que possam ser lidos facilmente pelo lado de fora, sem ter que remover o aquário. 7. Dispare o cronômetro. Leia os valores de temperatura indicados pelos dois termômetros, de 2 em 2 minutos, até que haja estabilização. OBSERVAÇÕES E QUESTÕES 1) Insira os valores de temperatura dos dois termômetros na tabela abaixo, para a areia e para a água. Areia Água Areia Água 2 min 4 min 6 min 8 min 10 min 12 min 14 min 16 min 18min 20 min 22 min 24 min 26 min 28 min 30 min 32 min 34 min 36 min 2) Lance os valores da tabela no gráfico abaixo, de forma que faça duas sequências de pontos, uma referente à água e outra referente à areia. Use cores diferentes para os pontos da areia e para os da água.
temperatura x tempo 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 3) Quais foram as principais diferenças de comportamento da areia e da água, durante o aquecimento ao sol? Qual curva apresentou trechos de maior inclinação? Comente. 4) A que você atribui as diferenças observadas? Explique, utilizando o conceito de calor específico. 5) Por que é comum a sensação de que a água das piscinas estarem mais quente durante a noite e fria durante o dia. Explique.
5) Por que a temperatura ambiente nos desertos pode variar muito, chegando a dezenas de graus negativos durante a noite; e, durante o dia, chegar a temperaturas elevadas, acima de 50ºC? Comente e explique, usando as propriedades da areia e da água observadas no experimento, adequando-as para o ambiente desérticos, secos e ricos em areia. 6) Por que a água é o principal responsável pelo equilíbrio térmico dos ambientes naturais? Comente. 7) Qual foi a função do aquário no experimento? Comente.