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Calorimetria




     Professor:
     Adrianne
     Mendonça
Calorimetria:


 É a parte da física que estuda as trocas
 de energia entre corpos ou sistemas quando essas
 trocas se dão na forma de calor.
Energia Térmica:

    Quando é analisado microscopicamente um corpo nos
    estados sólido, líquido e gasoso, nota-se que:
        No estado sólido, as partículas que constituem o
    corpo possuem uma grande vibração em torno de sua
    posição;
        No estado líquido, as partículas, além de
    vibrarem, apresentam movimento de translação no
    interior do líquido;
        No estado gasoso, as partículas, além de vibrarem
    intensamente, também transladam com grande
    velocidade no interior da massa gasosa.
Energia Térmica:



  Conclui-se, assim, que: As partículas que constitui os corpos
 possuem energia de agitação. Esta energia de agitação das
 partículas do corpo é chamada de energia térmica.
Calor:
  Calor é uma forma de energia em trânsito que passa, de maneira
  espontânea, do corpo de maior temperatura para o de menor
  temperatura.

  Exemplo: Em um tanque com água a temperatura de 25ºC, foi
  introduzido uma bloco de aço a 130ºC. Minutos depois, notou-se
  que o bloco foi se esfriando e a água se aquecendo até ocorrer um
  equilíbrio térmico.

Obs.: O que aconteceu com a água para elevar sua
  temperatura? E quem forneceu energia?
Formas de Calor:
    Quando um corpo recebe energia, esta pode produzir
    variação de temperatura ou mudança de estado.

   Quando o efeito produzido é a variação de temperatura,
    dizemos que o corpo recebeu calor sensível.

   Se o efeito se traduz pela mudança de fase, o calor
    recebido pelo corpo é dito calor latente.
A caloria:

 Define-se Caloria como sendo a quantidade de calor necessária
 para que um grama de água pura, sob pressão normal, tenha sua
 temperatura elevada de 14,5ºC para 15,5ºC.


                              A unidade de calor, no SI, é o
                                       Joule (J);
                             Ainda se usa bastante a caloria
                                         (cal).
                                      1cal = 4,186 J
Capacidade térmica:

Define-se Capacidade térmica como sendo a razão entre a
quantidade de calor (Q), que um corpo recebe, e a variação de
temperatura ocorrida (Δθ ).


                                A unidade de capacidade
               Q
            C=               térmica, no SI, é o Joule/Kelvin
               ∆t                         (J/K);

                                 Também é encontrado
                                      cal /º C
Capacidade térmica:

Exercício:
  Sabendo que dois corpos, A e B, receberam uma quantidade de
  calor igual a 500 cal, e que as temperaturas se elevaram 50°C e
  100°C respectivamente, qual a capacidade térmica dos corpos em
  Joule/Kelvin e cal /º C?
C
                                                          c=
Calor específico:                                            m
 As quantidades de calor cedidas a massas iguais da mesma substância ou delas
 retiradas são diretamente proporcionais às variações de temperatura.

 As quantidades de calor cedidas a massas diferentes de uma mesma substância,
 ou delas retiradas, a fim de produzir variações de temperaturas iguais, são
 diretamente proporcionais às massas.

 O calor específico de uma substância representa a quantidade de calor necessária
 para que 1 grama da substância eleve a sua temperatura em 1ºC.
Equação fundamental da
         calorimetria

A capacidade térmica e o calor específico
foram definidos respectivamente como:

      Q              C
   C=             c=
      ∆t             m
Isolando c na segunda equação e substituindo
na primeira, obtemos:

    Q = m . c . ∆t
UNIDADES DE MEDIDAS


     Unidades usuais                   Unidades do SI
Q............cal...........................Joule (J)
m.......grama (g)................quilograma (kg)
t.......Celsius (oC)………..…..Kelvin (K)
c..........cal/g.oC………….…….J/kg.K
Trocas de calor

Quando dois ou mais corpos, que estão em temperaturas diferentes,
são colocados em contato, ocorrem espontaneamente trocas de calor
entre eles, que cessam ao ser atingido o equilíbrio térmico.

Para que não haja influência do meio externo nas trocas de calor, é
necessário colocá-los em um recipiente isolante térmico chamado
calorímetro.
Trocas de calor

Através do balanço energético, conclui se que, em módulo, a
somatória dos calores cedidos é igual à somatória dos calores
recebidos. Se os sinais são levados em conta, tem-se:

Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = 0
Calor latente

O calor latente, de uma mudança de estado, é a quantidade de calor
que a substância recebe ou cede, por unidade de massa, durante a
transformação, mantendo-se constante a temperatura, desde que a
pressão não se altere. Matematicamente, podemos
expressá-lo por:
                                         Q
                                    L=     → Q = mL
                                         m
Sendo:
 –   Q = quantidade total de calor latente trocada no processo
 –   m = massa do corpo
 –   L = calor latente de mudança.
Mudança de fase

Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura,
podemos alterar o estado de agregação da matéria. Por ora,
trataremos da mudança de fase sob pressão constante, variando
somente a temperatura. Processos de mudança:
–   Fusão: passagem de sólido para líquido;
–   Solidificação: passagem de líquido para sólido;
–   Vaporização: passagem de líquido para vapor;
–   Condensação: passagem de vapor para líquido;
–   Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor para
    sólido, processo também conhecido como cristalização.
Curvas de aquecimento ou
resfriamento

Este gráfico será chamado de curva de aquecimento, se o corpo
estiver recebendo energia térmica, ou curva de resfriamento, se o
corpo estiver cedendo energia térmica.
Leis gerais de mudança

–   Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a
    temperatura se mantém constante.


–   Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança
    de fase perfeitamente definida.


–   Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também variam.
Influência da pressão na mudança
de fase
Curva de fusão
Curva de fusão

-qualquer ponto situado à esquerda da
 curva de fusão representa as condições de
 pressão e temperatura para as quais a
 substância se apresenta na fase sólida.
Curva de Vaporização
Vaporização


   Num líquido, as moléculas com maior energia cinética à
    superfície escapam-se da superfície do líquido formando a
    fase gasosa. Algumas moléculas mais lentas da fase gasosa e
    nas proximidades da fase líquida, têm um trajecto oposto,
    passam à fase líquida.
   Num vaso fechado onde se tenha efectuado o vazio, a
    vaporização do líquido vai tendo lugar até que a certa altura,
    quando a pressão no interior do vaso atinge um valor máximo,
    as moléculas regressam à fase líquida de tal modo que a 
    velocidade de retorno das moléculas ao líquido é igual à
    velocidade da sua vaporização. Quer dizer é estabelecido um
    equilíbrio dinâmico entre o líquido e o seu vapor em que a
    vaporização e a condensação ocorrem à mesma velocidade. 
Temperatura Crítica
Temperatura crítica

   É a temperatura acima da qual a substância pode existir somente na forma de gás.
   Um gás, acima dessa temperatura, não pode ser liquefeito, por mais que a pressão do
    sistema seja elevada.
   Temperatura crítica pode ser definida como aquela tempetatura em que acima dela a
    substância pode existir somente na forma de gás. Acima desta temperatura a substância
    gasosa não pode ser condensada por compressão isotérmica (mantendo a temperatura
    igual e aumentando a pressão). A temperatura crítica da água é 374,15°C , do álcool
    etílico é 243,1°C, do ácido carbônico 31,1°C e do hélio é -267,9°C. Isso quer dizer que
    essas substâncias, em sua respectiva temperatura crítica, será somente gás, mesmo que
    a injeção de pressão (ou devida redução, em outras substâncias) não irá condensar ou
    liquefazer o gás.
    Tomemos como exemplo a própria água: ao nível do mar, com 1 atm de pressão (pressão
    atmosférica), à 90 ºC, será líquida. A partir de 100 ºC ela passa para o estado de vapor.
    Se a temperatura for mantida em 100 ºC mas a pressão se elevar, a água irá se
    liquefazer. Se nessa nova pressão (maior que 1 atm), a água for aquecida até seu "novo"
    ponto de ebulição, irá ebulir. Novamente, se devida pressão for adicionada a água irá se
    liquefazer. No entanto, quando a temperatura da água chegar em 374,15 ºC, não poder-
    se-á liquefazê-la, não importa que pressão for aplicada.
Curva de sublimação

- qualquer ponto situado abaixo da curva de
 ebulição e à direita da curva de sublimação
 representa as condições de pressãoe
 temperatura para as quais a substância se
 apresenta na fase gasosa.
 Pelo exposto, podemos notar que as curvas
 indicam a fase em que uma determinada
 substância se encontra.
Curva de sublimação
EXERCÍCIOS

   . Ao receber 3000 cal, um corpo de 150 g
    aumenta sua temperatura em 20 °C, sem
    mudar de fase. Qual o calor específico do
    material desse corpo?
   Resolução:
   Q = m . c . variação da temperatura
    3000 = 150 . c . 20
    c = 1 cal/g . °C
   Obs: Pelo fato de o calor específico ter dado 1cal/g .
    °C, podemos concluir q essa substância é a água.
EXERCÍCIOS

 2. Quantas calorias são necessárias
  para se aquecer 200 l de água, de 15 °C
  a 70 °C?
 Resolução:
 Q = m . c . variação da temperatura
  Q = 200000 . 1 . (70 – 15)
  Q = 11000000 cal
EXERCÍCIOS

 3.  Determine:
  a) o calor específico do material
  b) a capacidade térmica da substância
 Resolução/ São dados do exercício:
  m = 1kg = 1000 g
  Q = + 400 cal
  t0 = 10 0C
  tf = 60 0C.
   a) – A variação de temperatura da substância é dada por:
    ∆t = tf – t0
    ∆t = 60 – 10
    ∆t = 50 0C
   - Pela equação da quantidade de calor obtemos o calor
    específico da substância:
    Q = m.c.∆t
    400 = 1000 . c . 50
    400 = 50 000 . c
    400 / 50 000 = c
    c = 0,008 (cal / g . 0C )
 b) – A capacidade térmica é obtida pela
  equação C = m.c, logo:
  C = m.c
  C = 1000 . 0,008
  C = 8 cal/0C
 Respostas :
  a) c = 0,008 (cal / g . 0C )
  b) C = 8 cal/0C

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Física (calorimetria)

  • 1. Calorimetria Professor: Adrianne Mendonça
  • 2. Calorimetria: É a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor.
  • 3. Energia Térmica: Quando é analisado microscopicamente um corpo nos estados sólido, líquido e gasoso, nota-se que:  No estado sólido, as partículas que constituem o corpo possuem uma grande vibração em torno de sua posição;  No estado líquido, as partículas, além de vibrarem, apresentam movimento de translação no interior do líquido;  No estado gasoso, as partículas, além de vibrarem intensamente, também transladam com grande velocidade no interior da massa gasosa.
  • 4. Energia Térmica: Conclui-se, assim, que: As partículas que constitui os corpos possuem energia de agitação. Esta energia de agitação das partículas do corpo é chamada de energia térmica.
  • 5. Calor: Calor é uma forma de energia em trânsito que passa, de maneira espontânea, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Exemplo: Em um tanque com água a temperatura de 25ºC, foi introduzido uma bloco de aço a 130ºC. Minutos depois, notou-se que o bloco foi se esfriando e a água se aquecendo até ocorrer um equilíbrio térmico. Obs.: O que aconteceu com a água para elevar sua temperatura? E quem forneceu energia?
  • 6. Formas de Calor: Quando um corpo recebe energia, esta pode produzir variação de temperatura ou mudança de estado.  Quando o efeito produzido é a variação de temperatura, dizemos que o corpo recebeu calor sensível.  Se o efeito se traduz pela mudança de fase, o calor recebido pelo corpo é dito calor latente.
  • 7. A caloria: Define-se Caloria como sendo a quantidade de calor necessária para que um grama de água pura, sob pressão normal, tenha sua temperatura elevada de 14,5ºC para 15,5ºC. A unidade de calor, no SI, é o Joule (J); Ainda se usa bastante a caloria (cal). 1cal = 4,186 J
  • 8. Capacidade térmica: Define-se Capacidade térmica como sendo a razão entre a quantidade de calor (Q), que um corpo recebe, e a variação de temperatura ocorrida (Δθ ). A unidade de capacidade Q C= térmica, no SI, é o Joule/Kelvin ∆t (J/K); Também é encontrado cal /º C
  • 9. Capacidade térmica: Exercício: Sabendo que dois corpos, A e B, receberam uma quantidade de calor igual a 500 cal, e que as temperaturas se elevaram 50°C e 100°C respectivamente, qual a capacidade térmica dos corpos em Joule/Kelvin e cal /º C?
  • 10. C c= Calor específico: m As quantidades de calor cedidas a massas iguais da mesma substância ou delas retiradas são diretamente proporcionais às variações de temperatura. As quantidades de calor cedidas a massas diferentes de uma mesma substância, ou delas retiradas, a fim de produzir variações de temperaturas iguais, são diretamente proporcionais às massas. O calor específico de uma substância representa a quantidade de calor necessária para que 1 grama da substância eleve a sua temperatura em 1ºC.
  • 11. Equação fundamental da calorimetria A capacidade térmica e o calor específico foram definidos respectivamente como: Q C C= c= ∆t m Isolando c na segunda equação e substituindo na primeira, obtemos: Q = m . c . ∆t
  • 12. UNIDADES DE MEDIDAS Unidades usuais Unidades do SI Q............cal...........................Joule (J) m.......grama (g)................quilograma (kg) t.......Celsius (oC)………..…..Kelvin (K) c..........cal/g.oC………….…….J/kg.K
  • 13. Trocas de calor Quando dois ou mais corpos, que estão em temperaturas diferentes, são colocados em contato, ocorrem espontaneamente trocas de calor entre eles, que cessam ao ser atingido o equilíbrio térmico. Para que não haja influência do meio externo nas trocas de calor, é necessário colocá-los em um recipiente isolante térmico chamado calorímetro.
  • 14. Trocas de calor Através do balanço energético, conclui se que, em módulo, a somatória dos calores cedidos é igual à somatória dos calores recebidos. Se os sinais são levados em conta, tem-se: Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = 0
  • 15. Calor latente O calor latente, de uma mudança de estado, é a quantidade de calor que a substância recebe ou cede, por unidade de massa, durante a transformação, mantendo-se constante a temperatura, desde que a pressão não se altere. Matematicamente, podemos expressá-lo por: Q L= → Q = mL m Sendo: – Q = quantidade total de calor latente trocada no processo – m = massa do corpo – L = calor latente de mudança.
  • 16. Mudança de fase Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura, podemos alterar o estado de agregação da matéria. Por ora, trataremos da mudança de fase sob pressão constante, variando somente a temperatura. Processos de mudança: – Fusão: passagem de sólido para líquido; – Solidificação: passagem de líquido para sólido; – Vaporização: passagem de líquido para vapor; – Condensação: passagem de vapor para líquido; – Sublimação: passagem de sólido para vapor ou vapor para sólido, processo também conhecido como cristalização.
  • 17. Curvas de aquecimento ou resfriamento Este gráfico será chamado de curva de aquecimento, se o corpo estiver recebendo energia térmica, ou curva de resfriamento, se o corpo estiver cedendo energia térmica.
  • 18. Leis gerais de mudança – Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a temperatura se mantém constante. – Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de fase perfeitamente definida. – Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também variam.
  • 19. Influência da pressão na mudança de fase
  • 21. Curva de fusão -qualquer ponto situado à esquerda da curva de fusão representa as condições de pressão e temperatura para as quais a substância se apresenta na fase sólida.
  • 23. Vaporização  Num líquido, as moléculas com maior energia cinética à superfície escapam-se da superfície do líquido formando a fase gasosa. Algumas moléculas mais lentas da fase gasosa e nas proximidades da fase líquida, têm um trajecto oposto, passam à fase líquida.  Num vaso fechado onde se tenha efectuado o vazio, a vaporização do líquido vai tendo lugar até que a certa altura, quando a pressão no interior do vaso atinge um valor máximo, as moléculas regressam à fase líquida de tal modo que a  velocidade de retorno das moléculas ao líquido é igual à velocidade da sua vaporização. Quer dizer é estabelecido um equilíbrio dinâmico entre o líquido e o seu vapor em que a vaporização e a condensação ocorrem à mesma velocidade. 
  • 25. Temperatura crítica  É a temperatura acima da qual a substância pode existir somente na forma de gás.  Um gás, acima dessa temperatura, não pode ser liquefeito, por mais que a pressão do sistema seja elevada.  Temperatura crítica pode ser definida como aquela tempetatura em que acima dela a substância pode existir somente na forma de gás. Acima desta temperatura a substância gasosa não pode ser condensada por compressão isotérmica (mantendo a temperatura igual e aumentando a pressão). A temperatura crítica da água é 374,15°C , do álcool etílico é 243,1°C, do ácido carbônico 31,1°C e do hélio é -267,9°C. Isso quer dizer que essas substâncias, em sua respectiva temperatura crítica, será somente gás, mesmo que a injeção de pressão (ou devida redução, em outras substâncias) não irá condensar ou liquefazer o gás. Tomemos como exemplo a própria água: ao nível do mar, com 1 atm de pressão (pressão atmosférica), à 90 ºC, será líquida. A partir de 100 ºC ela passa para o estado de vapor. Se a temperatura for mantida em 100 ºC mas a pressão se elevar, a água irá se liquefazer. Se nessa nova pressão (maior que 1 atm), a água for aquecida até seu "novo" ponto de ebulição, irá ebulir. Novamente, se devida pressão for adicionada a água irá se liquefazer. No entanto, quando a temperatura da água chegar em 374,15 ºC, não poder- se-á liquefazê-la, não importa que pressão for aplicada.
  • 26. Curva de sublimação - qualquer ponto situado abaixo da curva de ebulição e à direita da curva de sublimação representa as condições de pressãoe temperatura para as quais a substância se apresenta na fase gasosa. Pelo exposto, podemos notar que as curvas indicam a fase em que uma determinada substância se encontra.
  • 28. EXERCÍCIOS  . Ao receber 3000 cal, um corpo de 150 g aumenta sua temperatura em 20 °C, sem mudar de fase. Qual o calor específico do material desse corpo?  Resolução:  Q = m . c . variação da temperatura 3000 = 150 . c . 20 c = 1 cal/g . °C  Obs: Pelo fato de o calor específico ter dado 1cal/g . °C, podemos concluir q essa substância é a água.
  • 29. EXERCÍCIOS  2. Quantas calorias são necessárias para se aquecer 200 l de água, de 15 °C a 70 °C?  Resolução:  Q = m . c . variação da temperatura Q = 200000 . 1 . (70 – 15) Q = 11000000 cal
  • 30. EXERCÍCIOS  3. Determine: a) o calor específico do material b) a capacidade térmica da substância  Resolução/ São dados do exercício: m = 1kg = 1000 g Q = + 400 cal t0 = 10 0C tf = 60 0C.
  • 31. a) – A variação de temperatura da substância é dada por: ∆t = tf – t0 ∆t = 60 – 10 ∆t = 50 0C  - Pela equação da quantidade de calor obtemos o calor específico da substância: Q = m.c.∆t 400 = 1000 . c . 50 400 = 50 000 . c 400 / 50 000 = c c = 0,008 (cal / g . 0C )
  • 32.  b) – A capacidade térmica é obtida pela equação C = m.c, logo: C = m.c C = 1000 . 0,008 C = 8 cal/0C  Respostas : a) c = 0,008 (cal / g . 0C ) b) C = 8 cal/0C