Calor Latente e Calorímetro

O que é um Calorímetro? O que é uma superfície adiabática? O que é e quando uso o calor latente de um corpo? Como podemos resolver exercícios de equilíbrio térmico com dois ou mais corpos? Use QUEMACETE e QUEMOLE!

Nesta segunda parte aula sobre os princípios da transmissão de calor, você irá revisar o funcionamento de um Calorímetro e sua importância nos exercícios sobre trocas de calor. Verá que o equilíbrio térmico é algo sempre esperado quando se tem dois ou mais corpos em contato com temperaturas diferentes. E no final, entenderá a importância do calor latente no processo de troca de calor.

Vem com a gente revisar física para mandar bem em Ciências da Natureza no Enem e nos vestibulares!

Calorímetro

Para medir a capacidade térmica de um corpo ou calor específico da substância que o compõe, usa-se um instrumento denominado Calorímetro.

O calorímetro é um recipiente feito com material isolante térmico, dentro do qual ocorrem trocas de calor sem haver perdas muito significativas para o meio externo.

Suas paredes externas são feitas de isopor, para impedir a perda de calor por condução e internamente ele é espelhado impedindo a perda por irradiação.

Uma vez que ele é termicamente isolado, podemos assumir que a quantidade de calor que um corpo ou substância ganha é igual à quantidade que o outro recebe.

Concluindo: Em um sistema termicamente isolado, não há perdas de calor para o meio externo, de modo que a soma do calor recebido com o calor fornecido em seu interior é nula.

Outra palavra muito importante para você saber e guardar é a palavra adiabática, pois ela sempre aparece em problemas de vestibulares e no Enem em Ciências da Natureza.

A palavra adiabática vem do grego e significa impenetrável. Em ciências, ela é usada como sinônimo de que não houve perda de calor através dela.

Por exemplo, uma transformação adiabática se refere a mudanças de fase sem que ocorra troca de calor com o meio externo. É nesse contexto que surgem os problemas de trocas de calor e equilíbrio térmico.

Em um ambiente termicamente isolado, como num calorímetro ideal, não ocorre perda de calor para o meio externo. Num calorímetro real, sempre ocorre alguma perda. Pequena, mas ocorre!

Em um Calorímetro ideal é válida a seguinte equação:

calorímetro ideal fórmula

Agora, suponha que no interior desse calorímetro estejam os corpos A, B, C e D, todos em contato entre si. Podemos escrever a seguinte equação:

Sendo QA a quantidade de calor cedida ou recebida pelo corpo A e assim para os outros também.

E você já sabe que a quantidade de calor cedido ou recebido por um corpo é calculada através da equação fundamental da calorimetria, lembra do “QUEMACETE”?

Q = m . c . ∆T

Vamos ver um exemplo para fixar?

Considere que 100 g de certa substância x inicialmente a 80 oC foram misturadas a 1000 g de água (cujo calor especifico vale 1 cal/g. oC) a 20 oC dentro de um calorímetro ideal. Ao final do processo, a temperatura final da mistura é 30 oC. Determine o calor especifico dessa substancia a 80 oC inicialmente.

Resolução:

Partimos da expressão do equilíbrio térmico:

Em seguida abrimos usando a equação fundamental da calorimetria, o QUEMACETE:

Qágua = mágua . cágua . ∆Tágua e Qx = mx . cx. ∆Tx

Ah, lembre-se de que ∆T = Tfinal – Tinicial

Agora, substituímos os valores na expressão do equilíbrio térmico:

cálculo do equilíbrio térmico

Portanto o calor específico da substância x é 2 cal/g.oC

E quando um ou mais corpos estiverem em estados diferentes da matéria, por exemplo, gelo e água, como resolvemos?

Aí temos que aprender antes dois novos conceitos: o que acontece com a temperatura de um corpo durante sua mudança de fase e o calor latente de um corpo.

Bom, vamos lá!

Calor latente

Quando um corpo recebe calor, sua a temperatura é elevada até o momento em que sua estrutura interna começa a passar por alterações, resultando em uma mudança de fase.

A partir do momento em que começa a mudar de fase, sua temperatura não se altera, ficando constante até que ele mude completamente.

Por exemplo a água, ao nível do mar, começa a ferver a 100 oC e não passa desse valor até evaporar completamente. Até aqui, ok? Vamos então para calor latente!

O calor que um corpo recebe durante sua mudança de fase, recebe o nome de calor latente. Ele depende da substancia da qual ele é composto e de sua quantidade de massa também.

Quando falamos que o calor latente de fusão (e indicamos por Lf) de certa substância é 50 cal/g significa que, para fundir 1 grama dessa substancia, é necessário 50 calorias. E se, essa substância tiver massa de 200g, a quantidade de calor necessária para fundi-la será 50 vezes 200, ou seja, 1000 calorias.

Dessa forma, definimos a quantidade de calor necessária a um corpo durante sua mudança de fase através da seguinte expressão:

Q = m . L → “QUEMOLE”

Sendo m a massa e L o valor do calor latente por unidade de grama. Vamos ver um exemplo envolvendo isso que acabamos de falar.

Determine a quantidade de calor necessária para provocar a fusão total de um bloco de 200 g de gelo que está á temperatura inicial de –10o Use 80 cal/g para o calor latente de fusão e 0,50 cal/g.oC para o calor específico do gelo.

Resolução:

Primeiro vamos calcular a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do gelo de –10 oC até 0 oC, recorrendo ao “QUEMACETE

Q = 200 . 0,5 . ( 0 – (-10) )

Q = 200 . 0,5 . 10

Q = 1000

Portanto, a quantidade de calor necessária para elevar o gelo até 0 oC é 1000 calorias.

Agora vamos calcular o calor latente necessário à mudança de fase do gelo que já está a 0 oC usando o “QUEMOLE”

Q = 200 . 80 = 16000 cal

Concluindo o exercício, a quantidade de calor necessária para provocar a fusão completa no bloco de gelo de 200g é a soma de 1000 cal com 16000 cal, 17000 cal.

Salve a imagem abaixo para fixar as fórmulas de calorimetria:

fórmulas de calorimetria

Você pode revisar mais sobre Calorímetro e Calor Latente nestas aulas:

Questões

Questão 01 – (UERJ/2018)

Para explicar o princípio das trocas de calor, um professor realiza uma experiência, misturando em um recipiente térmico 300 g de água a 80 ºC com 200 g de água a 10 ºC.

Desprezadas as perdas de calor para o recipiente e para o meio externo, a temperatura de equilíbrio térmico da mistura, em ºC, é igual a:

a) 52

c) 45

c) 35

d) 28

Gab: A

Questão 02 – (UEFS BA/2017)

A calorimetria analisa os problemas enfrentados na troca de calor em sistemas de temperaturas diversas no interior de recipientes isolados, ou não, do meio exterior. Os calorímetros isotérmicos são aqueles em que idealmente não há variação de temperatura durante a experiência, ocorrendo apenas a variação no fluxo de calor. Considere um calorímetro de capacidade térmica igual a 300,0cal/ºC contendo 200,0g de água a 20ºC, cujo calor específico é igual a 1,0cal/gºC. Um bloco de massa igual a 1,0kg feito de um material cujo calor específico é igual a 0,25cal/gºC está a uma temperatura de 50ºC e é colocado no interior do calorímetro com água.

Nessas condições, a temperatura final atingida pelo sistema isotermicamente isolado, em ºC, é igual a

01) 26

02) 28

03) 30

04) 32

05) 34

Gab: 03

TEXTO: 1 – Comum à questão: 3

Para os exercícios de Física, adote os seguintes valores quando necessário:

Módulo da aceleração da gravidade (g) = 10m.s–2

1 quilograma-força (kgf) = 10N

1 cal = 4J

1 c.v. = 740W

1 tonelada = 103 kg

1 atm = 1.105 N.m–2

Questão 03 – (PUC SP/2017)

Uma xícara contém 30mL de café a 60ºC. Qual a quantidade, em mL, de leite frio, cuja temperatura é de 10ºC, que devemos despejar nessa xícara para obtermos uma mistura de café com leite a 40ºC? Considere as trocas de calor apenas entre o café e o leite, seus calores específicos iguais e suas densidades iguais a 1g/cm3.

a) 15

b) 20

c) 25

d) 35

Gab: B

Sobre o(a) autor(a):

Rodinei Pachani é mestre em Geofísica pela USP-SP, com licenciatura plena em matemática, possui pós-graduação em Gerência Financeira e especialização em Estatística Aplicada. Possui experiência de mais de 28 anos em sala de aula, tendo trabalhado com ensino médio, cursinhos e Faculdades. É autor do livro “Ciência ao alcance de todos” e possui um canal no YouTube onde realiza experimentos, explica conteúdos e resolve exercícios de física.

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