Qual a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 300g de cobre de 20 Cá 60 c?

Nessa aula aprenderemos que em uma expressão numérica resolvemos primeiro a multiplicação, divisão, potenciação e radiciação e, por último, adição e subtração. Quando há parênteses, colchetes e chaves, resolvemos respectivamente nesta ordem.

O equilíbrio térmico é atingido quando as temperaturas dos dois corpos ficam iguais. Quando isso ocorre, a quantidade de calor cedida pela água quente é igual ao calor recebido pela água fria. Assim, podemos utilizar a equação:

Q1= - Q2

m1.c. ΔT1= - m2.c. ΔT2

O índice 2 é atribuído à água quente, e o índice 1, à água fria. O sinal negativo é dado a Q2 porque a água quente cede calor para a água fria, ou seja, perde parte de sua energia.

Como c é um valor constante, já que se trata da mesma substância, ele pode ser simplificado na equação, e o ΔT deve ser substituído pela diferença entre as temperaturas final e inicial da água:

A capacidade térmica determina a quantidade calor que um corpo precisa receber para alterar sua temperatura em uma unidade. Cada corpo comporta-se de forma diferente ao receber uma determinada quantidade de calor, e um exemplo em que podemos perceber isso facilmente ocorre na praia. A areia e a água do mar estão submetidas à mesma fonte de calor, o sol, mas a areia fica muito mais quente do que a água. Isso acontece porque a areia e a água possuem capacidades térmicas diferentes.

Sendo assim, a capacidade térmica é uma grandeza que depende da quantidade de calor recebida e da variação de temperatura sofrida por um corpo. Ela pode ser definida da seguinte forma:

“A capacidade térmica (C) é a razão entre a quantidade de calor (Q) recebida por um corpo e a variação de temperatura (ΔT) sofrida por ele.”

Matematicamente, essa relação é dada pela expressão:

C =  Q 
      ΔT

A unidade de medida da capacidade térmica no Sistema Internacional é calorias por grau Celsius (cal/ºC). Um exemplo para compreender melhor a interpretação dessa grandeza é a seguinte situação:

Se um corpo recebe 1000 cal e aumenta sua temperatura em 20ºC, sua capacidade térmica é?

C = Q = 1.000 = 50 cal/ºC
              ΔT     20                              

Ou seja, a cada 50 calorias que o corpo recebe, sua temperatura varia em 1ºC.

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A capacidade térmica é uma propriedade dos corpos que depende apenas de sua massa, sendo assim, dois corpos feitos do mesmo material podem sofrer variações de temperatura diferentes ao receberem a mesma quantidade de calor se suas massas são diferentes. Por exemplo: se quisermos aquecer duas chapas de metal, uma com 5 kg e outra com 10 kg, será necessário fornecer maior quantidade de calor à chapa de 10 kg, já que sua massa é maior.

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Mapa Mental: Capacidade Térmica

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Podemos concluir, portanto, que a capacidade térmica é proporcional à massa dos corpos. Essa proporcionalidade é definida por uma grandeza denominada calor específico (c), que é determinado pela razão constante entre a capacidade térmica e a massa de uma substância, sendo expresso matematicamente pela equação:

c = C
      m

A unidade de medida do calor específico é cal/g.ºC. Essa grandeza define a quantidade de calor que deve ser fornecida ou retirada de cada 1 grama de um material para variar sua temperatura em 1ºC.

A capacidade térmica e o calor específico dos materiais podem ser determinados com o uso de um calorímetro, um aparelho com isolação térmica utilizado para estudar as trocas de calor entre corpos de diferentes temperaturas.

Calorimetria é a área da Física responsável pelo estudo das trocas de energia térmica em forma de calor que ocorrem entre dois ou mais corpos e suas vizinhanças. Por meio da Calorimetria, é possível saber qual é a temperatura de equilíbrio de um sistema de corpos e qual é a quantidade de energia térmica necessária para que se observem variações de temperatura ou mudanças de estado físico no sistema.

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O que é calor?

Calor é energia térmica em trânsito. Quando dois corpos estão em contato térmico, ocorre transferência de calor entre eles até que se estabeleça o equilíbrio térmico. O equilíbrio térmico, por sua vez, é a situação em que os dois corpos atingem a mesma temperatura. Além disso, o calor sempre flui do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

Entendemos por contato térmico qualquer meio existente entre dois ou mais corpos que permita a transferência de calor entre eles por um dos seguintes processos: contato, convecção e indução. Quaisquer transferências de calor entre dois corpos ocorrem segundo um ou mais desses processos.

Veja também: Água gelada ajuda a emagrecer?

A unidade de calor no Sistema Internacional de Unidades é o Joule (J), no entanto, o uso da unidade caloria (cal) é bastante comum em todo o mundo. Uma caloria é o equivalente à quantidade de energia térmica necessária para se elevar a temperatura de 1,0 g de água pura, inicialmente a 14,5ºC, para 15,5ºC e vale 4,186 J.

Mapa Mental: Calor

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Fórmulas para calcular o calor

Calor sensível

Quando um corpo tem a sua temperatura alterada, podendo também sofrer mudanças em suas dimensões, dizemos que ele recebeu somente calor sensível. Portanto, o calor do tipo sensível é capaz de variar a temperatura de um corpo, alterando ou não as suas dimensões, por meio do processo de dilatação térmica.

A fórmula utilizada para calcular o calor sensível é esta:
 

Legenda:
Q – Quantidade de calor (J ou cal)
m – Massa do corpo (kg ou g)
c – Calor específico (J/kg.K ou cal/gºC)
ΔT – Variação de temperatura (K ou ºC)

Veja também: Temperatura e calor

Calor específico

Uma grandeza importante está presente na equação acima, o calor específico, representado pela letra c. Calor específico é uma unidade que indica a quantidade de calorias necessárias para se elevar em 1,0 ºC uma massa de 1,0 g de determinada substância. Essa unidade é medida com referência na água pura, cujo calor específico é igual a 1,0 cal/gºC.

Confira, na tabela a seguir, o calor específico de algumas substâncias:

Substância

Calor específico (cal/gºC)

Água

1

Gelo

0,5

Etanol

0,58

Ouro

0,03

Prata

0,06

Ao analisarmos a unidade que define a grandeza calor específico, percebemos que cada grama de uma substância deve absorver mais ou menos calorias para variar a sua temperatura em 1,0 ºC. Essa propriedade depende diretamente do número de grau de liberdade apresentado pelas moléculas do corpo. Quanto maior for o seu grau de liberdade, isto é, as suas possibilidades de movimentação, tais como translação, vibração e rotação, maior será o seu calor específico. Além disso, para determinarmos o calor específico de uma substância, utiliza-se um instrumento de medida relativamente simples, o calorímetro.

Capacidade térmica

Capacidade térmica é uma grandeza física utilizada para definir a quantidade de calor que um corpo deve receber, ou ceder, para que a sua temperatura varie em 1,0 ºC ou 1,0 K. Diferentemente do calor específico, essa grandeza está relacionada com o corpo como um todo, e não somente com cada grama de sua composição. Por essa razão, dizemos que calor específico é uma propriedade da substância, enquanto a capacidade térmica é uma propriedade do corpo em si.

As duas fórmulas que podem ser utilizadas para calcular a capacidade térmica de um corpo são representadas a seguir:
 

Legenda:
C – Capacidade térmica (cal/g ou J/kg)

Quando algum corpo apresenta uma grande capacidade térmica, ele é chamado de reservatório térmico. Todo reservatório térmico precisa absorver ou ceder grandes quantidades de calor para ter a sua temperatura alterada. Um bom exemplo de reservatório térmico para a Terra são os mares, que são compostos majoritariamente por água, uma substância de alto calor específico. Essa característica torna os mares os grandes reguladores da temperatura global.

Calor latente

Calor latente, ou calor de transformação, é a quantidade de calor recebida por um corpo durante uma mudança de estado físico. Se algum corpo constituído apenas por uma única substância sofrer mudanças em seu estado físico, passando do estado sólido para o estado gasoso, por exemplo, ele recebeu calor latente. Durante a mudança de estado físico, todo o calor que um corpo recebe, ou cede, somente altera o seu estado, sem afetar a sua temperatura. Quando a água atinge a temperatura de fervura, por exemplo, sob condições normais de pressão, sua temperatura permanece constante enquanto ela sofre o processo de vaporização.

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Para calcularmos a quantidade de calor latente em alguma mudança de estado físico, usamos a seguinte fórmula:
 

Legenda:
Q – Quantidade de calor latente (J ou cal)
m – Massa do corpo (kg ou g)
L – Calor latente de fusão (LF), vaporização (LV), etc. (J/kg ou cal/g)

Confira, na tabela a seguir, os valores de calor latente de fusão para algumas substâncias conhecidas:

Substância

Calor latente de fusão (cal/g)

Água

79,9

Cobre

51

Alumínio

95

Ouro

15,8

Zinco

28,1

Quanto maior for o calor latente de fusão de uma substância, mais calor por grama será necessário para fundi-la, levando-a do estado sólido para o estado líquido. O calor latente está intimamente relacionado com o tipo das ligações químicas formadas entre os átomos de uma molécula e, consequentemente, com a quantidade de graus de liberdade que ela apresenta.

Veja também: Conceitos de calor na História

Fluxo de calor

Fluxo de calor, ou fluxo térmico, é uma grandeza que fornece a taxa de passagem de calor através de alguma área. O fluxo de calor é definido no Sistema Internacional de Unidades em Joules por segundo (J/s), e o seu símbolo é geralmente a letra grega Φ.

A fórmula usada para o cálculo do fluxo de calor está representada a seguir:
 

Legenda:
Φ – Fluxo de calor (J/s ou cal/s)
k – Condutividade térmica (W/m.K)
A – Área do corpo (m²)
e – Espessura do corpo (m)

Curva de aquecimento

Toda substância pura pode ter a sua curva de aquecimento facilmente determinada. A curva de aquecimento é um gráfico da temperatura da substância em função da quantidade de calor recebida ou fornecida. Durante o aquecimento ou resfriamento da substância, o gráfico toma a forma de uma reta ascendente ou descendente. Nas mudanças de fase, tem a forma de uma reta paralela ao eixo horizontal. Observe:
 

Legenda:
I – Substância no estado sólido sendo aquecida: calor sensível;
II – Substância em processo de fusão: calor latente de fusão;
III – Substância no estado líquido sendo aquecida: calor sensível;
IV – Substância sofrendo evaporação: calor latente de evaporação.

Trocas de calor

Dizemos que, em um sistema fechado, a soma das trocas de calor entre os corpos é nula, isto é, igual a 0. Essa propriedade decorre da conservação da energia: toda a quantidade de calor cedida pelo corpo de maior temperatura é absorvida pelos corpos com menores temperaturas. Dessa forma, podemos escrever a seguinte relação:
 

Exercícios resolvidos de Calorimetria

Questão 1 - (PUC-RJ) Uma quantidade de água líquida de massa m = 200 g, a uma temperatura de 30 ºC, é colocada em um calorímetro junto a 150 g de gelo a 0 ºC. Após atingir o equilíbrio, dado que o calor específico da água é c = 1,0 cal/(g . ºC) e o calor latente de fusão do gelo é L = 80 cal/g, calcule a temperatura final nessa situação.

a) 10 °C

b) 15 °C

c) 0 °C

d) 30 °C

e) 60 °C

Resolução:

Considerando a transferência de calor da água para o calorímetro e a do gelo para o calorímetro desprezíveis, toda a quantidade de calor cedido pela massa de água deverá ser absorvida pela massa de gelo. Dessa forma, temos que:
 

Além disso, devemos estar atentos à quantidade de calor sensível que a massa de água é capaz de ceder à massa de gelo, bem como à quantidade de calor latente que a massa de gelo requer para ser totalmente fundida. Vamos calcular essas quantidades:
 

O resultado acima indica que o gelo necessita de 12.000 cal para ser completamente derretido. Agora calcularemos a quantidade de calor que a água é capaz de ceder.
 

Comparando as duas quantidades de calor, percebemos que o gelo requer o dobro da quantidade de calor que pode ser cedida pela água quando ela entrar no equilíbrio térmico com o gelo em 0 ºC. Dessa forma, somente metade da massa de gelo será derretida, cerca de 75 g, e todo o conjunto se encontrará em equilíbrio térmico em 0 ºC.

Questão 2 - Um bloco de determinado material e de massa igual a 1 kg (1000 g), em uma temperatura de 60 °C, é encostado em outro bloco do mesmo material, de massa igual a 600 g e que está em temperatura ambiente, de 20°C. Calcule a temperatura de equilíbrio térmico dos blocos.

Qual a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 300g de cobre?

Qual é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 200 g de cobre de 10 Cá 80 C considerar o calor específico do cobre igual a 0093 cal G C?

Qual a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 100g de cobre de 25 graus para 100 graus?

Qual a quantidade de calor que deve ser fornecida a 20 g de cobre?