CALORIMETRIA - TEORIA A calorimetria é a parte da Física que estuda a quantificação e as trocas de energia entre os corpos, quando esta troca ocorre sob a forma de calor. Temos, então, a primeira pergunta: o que é calor? Calor Se dois sistemas térmicos, a temperaturas diferentes, são colocados em contato térmico, flui energia do sistema de maior temperatura para o sistema de menor temperatura. Esta energia fluindo é o calor. O calor não pertence a nenhum dos sistemas, ele só existe na transferência de energia entre eles. Pode-se dizer que cada sistema possui certa quantidade de energia, porém, não de calor. O fluxo de energia (calor) vai existir entre os dois sistemas até que seja atingido o equilíbrio térmico. Unidades Como o calor é uma forma de energia, sua unidade deve ser a mesma usada para a energia. Como sabemos, o Sistema Internacional (SI) é o adotado como padrão de medidas. Neste sistema, a unidade de calor é o Joule (J). A seguir, temos uma tabela com as principais unidades de calor. Unidade Representação Conversão Joule J - Caloria cal 1 cal = 4,186 J British thermal unit Btu 1 BTU = 1055 J Erg erg 1 erg = 10-7 J Quilowatt-hora kwh 1 kwh = 3,600.10 6 J Elétron-volt ev 1,602.10-19 J
Nomenclaturas O recebimento (ou a perda) de energia térmica de um corpo pode provocar dois fenômenos: 1. Variação de sua temperatura 2. Mudança em seu estado físico Quando a conseqüência é a variação da temperatura do corpo, chamamos a quantidade de energia térmica transferida de calor sensível. Quando ocorre mudança de estado físico, chamamos esta quantidade de calor latente. A seguir, vamos detalhar os dois casos. Calor Sensível Sabemos, então, que calor sensível é o nome dado à quantidade de calor, quando esta causa variação na temperatura do sistema. Nunca se esqueça disso! A variação na temperatura do sistema ocorre porque a energia trocada causa alteração na energia cinética das moléculas que compõem este sistema. Como a temperatura está diretamente relacionada à forma como as moléculas se movem, haverá alteração na temperatura. Capacidade térmica (C) A capacidade térmica (C) de um corpo representa a quantidade de energia que este corpo precisa trocar para que sua temperatura varie de uma unidade. Ex.: C = 2,0 cal/ C O corpo precisa receber 2,0 cal para que sua temperatura aumente de 1,0 C. Q C = Δ T A capacidade térmica deve ser indicada como uma razão entre a unidade de energia e a unidade de temperatura utilizadas. Ex.: J/K (oficial, no SI), J/ C, cal/ C (mais comum), etc..
Calor específico sensível (c) O calor específico sensível (c) de um corpo representa a quantidade de energia por unidade de massa que este corpo precisa trocar para que sua temperatura varie de uma unidade. C c = m Cuidado para não confundir a capacidade térmica com o calor específico sensível. O calor específico mostra a quantidade de calor que cada unidade de massa precisa. A unidade utilizada para o calor específico sensível deve ser uma razão entre a unidade de capacidade térmica e a unidade de massa utilizadas. Ex.: J/kg.K (oficial), cal/g. C (mais comum), etc.. Depois de definirmos a capacidade térmica e o calor específico, podemos calcular a quantidade de calor sensível. Calor Latente Quando um sistema participa de uma troca de calor e o resultado desta troca é a mudança em seu estado físico, chamamos a quantidade de calor neste caso de calor latente. Não confunda com o calor sensível, discutido na seção anterior! A mudança de estado físico ocorre porque o sistema absorve (ou perde) energia suficiente para que haja quebra (ou construção) de ligações entre as moléculas, alterando assim seu estado de agregação. As figuras a seguir mostram os estados de agregação das moléculas.
Estado sólido: A estrutura é rígida, com forma e volume definidos Estado líquido: As moléculas podem se movem em grupo, com volume definido. Porém, a forma tomada pelo sistema depende do recipiente que o contém. Estado gasoso: As moléculas se movem livre e aleatoriamente, com forma e volume dependentes do recipiente que as contém. Considere um sistema no estado sólido. Mesmo no estado sólido, as moléculas deste sistema vibram. Considere agora que estas moléculas receberam certa quantidade de energia. O que acontece com a vibração delas? Aumenta. Porém, com o aumento da vibração, aumenta a liberdade de uma molécula em relação às outras. Imagine que esta liberdade ultrapasse certo limite. Este limite é dado pela temperatura de mudança de estado físico. Aí, podemos dizer que as moléculas estão em outro estado de agregação, mais liberadas. Este estado é o líquido.
Como a quantidade de calor latente vai mudar o estado de agregação das moléculas, ele é diretamente proporcional à massa existente no sistema. Mudanças de Estado As setas vermelhas representam as mudanças de estado em que o sistema precisa receber calor, enquanto que as setas azuis representam as mudanças em que o sistema precisa ceder energia.
Curva de aquecimento de substância pura O gráfico a seguir mostra a variação da temperatura de uma substância pura em função do calor recebido por ela. Observe que durante as mudanças de estado, a substância continua recebendo calor, porém, sua temperatura não se altera. Observe as temperaturas T 1 e T 2. Nestes valores, o gráfico é uma reta horizontal. Isto mostra que nestes valores de temperatura, a substância continua recebendo calor, porém, sua temperatura não se altera. Como já estudamos, nas duas situações o que está ocorrendo é a mudança de estado físico do corpo. Logo, as temperaturas T 1 e T 2 são os pontos de fusão e ebulição dessa substância. Podemos explorar mais este gráfico, analisando as regiões de I a V: I. Estado Sólido Variação de temperatura Calor Sensível II. Sólido e Líquido Mudança de estado Calor Latente III. Estado Líquido Variação de temperatura Calor Sensível IV. Líquido e Gasoso Mudança de estado Calor Latente V. Estado Gasoso Variação de temperatura Calor Sensível