O documento discute conceitos fundamentais de calorimetria e trocas de calor, incluindo: 1) Calor é energia transferida devido à diferença de temperatura entre corpos; 2) A capacidade térmica indica a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de um corpo, enquanto o calor específico leva em conta também a massa do corpo; 3) Existem calores sensível, latente e de mudança de estado, necessários para processos como fusão, vaporização e liquefação.

1. CALORI METRIA CALOR: CALORIA: É a energia transferida de um corpo para outro devido haver uma diferença de temperatura entre eles. É a energia necessária para variar em 1°C a temperatura de 1g de água. Logo: 1kcal = 10 3 cal 1 cal = 10 -3 kcal 1cal ≈ 4,186J(Joules) A unidade do Sistema Internacional que corresponde a quantidade de calor é o Joule (J), e por razões históricas, existe outra unidade, a caloria (cal). TEMPERATURA: É o estado termodinâmico de um corpo que associamos ao nível médio de agitação de suas partículas

2. CAPACIDADE TÉRMICA (C) E CALOR ESPECÍFICO (c) CAPACIDADE TÉRMICA (C): indica a quantidade de calor que um corpo precisa receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade C = Q ∆ ϴ Unidade usual: cal/ºC C = Capacidade Térmica Q = Quantidade de Calor ∆ ϴ = Variação de Temperatura Suponha que um corpo precise receber 100 calorias de energia térmica para que sua temperatura aumente em 5,0ºC. Dividindo esses dados, vamos encontrar a capacidade térmica desse corpo CALOR ESPECÍFICO (c): indica a quantidade de calor que cada unidade de massa do corpo precisa receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade, ou seja, é a capacidade térmica por unidade de massa do corpo. c = C = Q m m. ∆ ϴ Supondo que o corpo do exemplo anterior C=20cal/ºC tivesse 100g de massa, seu calor específico seria igual a m = massa, c = calor específico, C= capacidade térmica o valor de 20cal/ºC. Isso significa que, para variar 1ºC, ele precisa receber ou ceder 20 calorias. 0,20cal/gºC

3. Na tabela abaixo apresentamos valores do calor específico de algumas substâncias. A água tem grande calor específico, se comparada com outras substâncias. Isso explica, por que pela manhã, em regiões litorâneas, o mar está mais frio que a areia. Por ter calor específico maior que o da areia, a água demora mais para se aquecer, pois precisa de maior quantidade de calor para sofrer a mesma variação de temperatura, e também demora mais a resfriar. Substância Calor específico (cal/gºC) Água 1,00 Álcool 0,58 Alumínio 0,219 Chumbo 0,031 Cobre 0,093 Ferro 0,110 Gelo 0,55 Mercúrio 0,033 Prata 0,056 Vidro 0,20 vapor d’água 0,48

4. CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE CALOR SENSÍVEL : é o calor que, cedido ou recebido por um corpo, provoca nele uma variação de temperatura. CALOR LATENTE: energia térmica responsável pelas mudanças de estado Equação Fundamental da Calorimetria : c = Q m∆ ϴ ∆ ϴ = ϴ - ϴ o Aumento de temperatura  Calor recebido ϴ > ϴ o  ∆ ϴ >0 => Q >0 (Positivo) Diminuição da temperatura  Calor cedido ϴ < ϴ o  ∆ ϴ < 0 => Q < 0 (Negativo)

5. EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA CALORIMETRIA Logo: OBS.: A unidade usual de calor específico é cal / g.°C (caloria por grama vezes grau Celsius.) A unidade de Calor pode ser em Caloria ou Joule; 1 cal ≈ 4,18 Joules

6. PRINCÍPIO DA IGUALDADE DAS TROCAS DE CALOR Para estudar as trocas de calor entre os corpos, é preciso utilizar recipientes especiais cujas paredes sejam isolantes de calor ou adiabáticas (impenetrável). Em um sistema termicamente isolado: Não existe troca de calor entre seus componentes e o meio externo Q recebida + Q cedida =0 O CALORÍMETRO: é um recipiente metálico e isolado termicamente por um revestimento de isopor, mas que na realidade também participa das trocas de calor, cedendo calor para seu conteúdo ou recebendo calor dele. O CALORÍMETRO IDEAL: seria aquele que além de impedir as trocas de calor entre seu conteúdo e o meio externo, não troca calor com os corpos nele contidos. ”existe apenas na teoria”

7. Exemplo: (UFRGS) Um corpo de 2 Kg recebe 8000 J de calor e sofre uma variação de temperatura de 100ºC. O valor do calor específico desse corpo, em J/Kg.ºC, é: Resolução:

8. MUDANÇAS DE ESTADO DE AGREGAÇÃO

9. Fusão e Solidificação Quando a temperatura atinge um determinado valor, o sólido começa sua mudança para o estado líquido, o que chamamos de temperatura de fusão e seu valor depende da substância e da pressão externa A temperatura se mantém constante durante todo o processo de fusão Isto é, a temperatura só volta a subir depois que todo o sólido tiver se transformado em líquido, pois durante o processo de fusão, o calor é usado não para aumentar a energia cinética das moléculas, mas sim para tirar as moléculas do arranjo cristalino.

10. Calor de Fusão: Quando uma substância passa do estado sólido para o estado líquido, a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional a massa (m) Q = Lf . m Lf = Constante O Calor de Fusão é igual ao Calor de solidificação . Assim, no caso da água, os dois são iguais a 80cal/g , ou seja, Se são necessárias 8 0 calorias para fundir cada grama de gelo a 0° C, cada grama de água líquida a 0° C precisa perder 80 calorias para se transformar em gelo. Calcule a quantidade de calor necessária para que 200g de gelo a -20ºC sejam transformados em água líquida a 30ºC, são dados: Calor de fusão do gelo: Lf=80cal/g Calor específico do gelo: c=0,50cal/gºC Calor específico da água líquida: c’= 1.0cal/gºC Na figura a seguir representamos as várias etapas do processo e as quantidades de calor necessárias em cada etapa: Q1 = m.c. ∆ ϴ 1 Q2 = Lf.m Q3 = m.c’. ∆ ϴ 3 Q = Q1 + Q2 + Q3 = 2 000 + 16 000 + 6 000 = 24 000cal = 200.0,5.20=2 000 = 80.200=16 000 = 200.1,0.30=6 000

11. Vaporização e Liquefação A vaporização pode ocorrer de dois modos: EVAPORAÇÃO: é a passagem de uma substância do estado líquido para o estado de vapor, pode ocorrer a qualquer temperatura. Ex: roupa no varal, devido ter moléculas cuja velocidade é maior do que o valor médio (que está relacionado a temperatura do corpo), de modo que as moléculas mais rápidas conseguem vencer a tensão superficial, escapando para a superfície livre do líquido, transformando-se em vapor. (é um processo mais lento). EBULIÇÃO: quando a pressão desse vapor fica ligeiramente superior à pressão atmosférica, as bolhas se expandem, sobem e estouram na superfície do líquido. A temperatura se mantém constante durante a ebulição

12. Calor de Vaporização Quando uma substância passa do estado líquido para o estado de vapor, a quantidade de calor necessária (Q) é proporcional à massa (m): Q = Lv.m Lv = Constante O Calor de vaporização é igual ao Calor de liquefação . Assim, no caso da água, temos o valor de 540cal/g para ambos, ou seja, se são necessárias 540 calorias para vaporizar 1grama de água a 100°C, cada grama de vapor d’água a 100°C precisa perder 540 calorias para se transformar em água líquida. Calcule a quantidade de calor necessária para transformar 200g de água líquida a 70ºC em vapor de água a 120ºC (sob pressão de 1atm). São dados: c=calor específico da água líquida=1,0cal/g°C c’=calor específico do vapor d’água=0,48cal/g°C Lv=calor de vaporização da água=540cal/g No diagrama a seguir, representamos as etapas do processo: Q1 = m.c. ∆ ϴ Q2 = Lv.m Q3 = m.c’. ∆ ϴ ’ =200.1,0.30=6 000cal =200.540=108 000cal =200.0,48.20=1 920cal Q = Q1 + Q2 + Q3 = 6 000cal+108 000cal+1 920cal=115 920cal

13. Superfusão Quando retiramos calor de um líquido de modo bastante lento, às vezes é possível levá-lo a uma temperatura inferior à temperatura de solidificação, isto é, a substância está a uma temperatura em que normalmente estaria no estado sólido. Essa situação não é estável. Uma pequena agitação fará com que seja imediatamente solidificada, como por exemplo, quando colocamos uma garrafa de vidro com líquido no congelador, ao retirarmos a garrafa do congelador, ocorre uma pequena agitação e o líquido congela rapidamente.

14. O experimento de Jo ule Dentro de um calorímetro foi colocada certa quantidade de água. Dois corpos suspensos, ao serem libertos, caíam, fazendo girar um conjunto de pás dentro do calorímetro, agitando a água e fazendo sua temperatura variar. Conhecidos os valores das massas dos corpos, da altura de queda e da aceleração da gravidade, Joule calculou o trabalho realizado pelos pesos dos corpos. Por meio do termômetro, ele observou a elevação da temperatura da água e, assim, calculou o valor gerado. Realizando o experimento inúmeras vezes, ele notou uma proporcionalidade entre o calor gerado e o trabalho realizado. (quantidade de calor) = k (trabalho realizado) K= constante Na época, Joule usou unidades inglesas: libras, pés, graus Fahrenheit, etc. Transformando para outras unidades, ele obteve: 1cal ≈ 4,186 Newton . metro Em homenagem a Joule, a unidade de energia do SI é o Joule(J). Assim: 1cal ≈ 4,186 Joules = 4,186 J