calorimetria

CALORIMETRIA
Calor
É a transferência de energia de um corpo
para outro, decorrente da diferença de
temperatura entre eles.
quente
frio
Unidades de calor
1 cal = 4,186 J (no SI)
1 kcal = 1000 cal
Fluxo de calor
CALORIMETRIA
Potência ou Fluxo de Calor
Se medirmos o intervalo de tempo durante o qual uma
fonte térmica (fogão a gás) fornece determinada fonte de
calor, definimos potência como:
Unidades de Potência:
J/s = watt (W) (no SI)
ou
cal/min ou cal/s.
CALORIMETRIA:
Calor específico (cp)
É a quantidade de calor necessária para variar a
temperatura de 1g de determinada substância, de
1oC. Essa variação depende de cada substância,
por exemplo:
O calor específico do ferro é aproximadamente
0,11cal/g.oC, isto significa que 1g de ferro
necessita de 0,11 cal para elevar sua temperatura
de 20oC para 21oC, ou seja, aumentar 1o C.
CALORIMETRIA:
Calor específico (cp)
Água
Equação fundamental
da calorimetria
ti
tf
quente
frio
m
m
Q
Fluxo de calor
Observações:
• Se tf > t i o corpo recebe calor, isto é, Q > 0.
• Se tf < t i o corpo cede calor, isto é, Q < 0.
•A capacidade térmica do corpo é: C = m.cp
Fases da matéria
Fases
Força de
atração
entre os
átomos
Sólida
Fortes
Pequena
Lí quida
Moderadas
Gasosa
fracas
Energia
devido às Temperatura
vibrações
Forma
Volume
Baixa
Definida
Definido
Moderada
Média
Variável
Definido
grande
Alta
Indefinida
Indefinido
Mudanças de fase
Endotérmicas
sublimação
fusão
vaporização
Líquido
Sólido
solidificação
Exotérmicas
Gasoso
condensação
sublimação
Endotérmicas – absorvem calor.
Exotérmicas – cedem calor.
Tipos de Vaporização
Evaporação: É um processo lento que se verifica apenas na
superfície do líquido, seja qual for sua temperatura.
Ex: Pote de barro, álcool na pele, etc.
Ebulição: É um processo tumultuoso que ocorre na temperatura de
ebulição e que se verifica em toda massa líquida. Depende da
pressão.
Ex: água fervendo.
Calefação: É um processo rápido que ocorre numa temperatura
superior a de ebulição.
Ex: jogar água numa chapa de fogão bem aquecida (acima de 100o C).
Calor sensível e calor latente
Sens ível: É o calor que quando fornecido a uma substância ou
cedido por ela, provoca apenas variação na sua temperatura.
Latente: É o calor que quando fornecido a uma substância ou cedido
por ela, provoca uma mudança no seu estado físico (mudança de
fase) sem que varie a sua temperatura.
Q = m.L
EXERCÍCIOS
1.Tem-se 300 g de um certo líquido à temperatura de
30°C. Fornecendo-se 600 cal diretamente a esse líquido,
sua temperatura sobe para 35°C. Sabe-se que esse
fenômeno é regido pela expressão Q = m.cp.(Tf-Ti).
Pede-se o valor do calor específico do líquido.
EXERCÍCIOS
2. (Unitau-SP) Um líquido está a -10°C. Se o calor
específico desse líquido é 0,5 cal/g.°C, uma fonte que
fornece 50 cal/min deverá aquecer 100 g desse líquido
até atingir 30°C em:
a) 10 min
b) 25 min
c) 40 min
d) 50 min
Calor sensível e calor latente
Figura 1: Há fornecimento de calor, poré m só ocorre mudança na
sua temperatura (calor sens ível).
Figura 2: Há fornecimento de calor, poré m só ocorre mudança no
estado físico, sem que haja variação na temperatura (calor latente).
Figura 3: Há fornecimento de calor, poré m só ocorre mudança na
sua temperatura (calor sens ível).
Figura 4: Há fornecimento de calor, poré m só ocorre mudança no
estado físico, sem que haja variação na temperatura (calor latente).
Curvas de aquecimento e
resfriamento
Vamos supor que tenhamos, num recipiente, certa massa de
gelo inicialmente a -20°C, sob pressão atm. Se levarmos esse
sistema ao fogo (figura abaixo), acompanhando como varia a
temperatura no decorrer do tempo, veremos que o processo
todo pode ser dividido em cinco etapas distintas:
Vaporização da água
líquida da 100°C
aquecimento do
vapor acima de
100°C (supondoo confinado a
um recipiente)
- aquecimento da água lí quida de 0°C a
100°C
- fusão do gelo a 0°C
- aquecimento do gelo de -20°C a 0°C
- resfriamento do vapor de 110°C a 100°C
- condensação do vapor a 100°C
- resfriamento da água
líquida de 100°C a 0°C
solidificação da água a 0°C
resfriamento do gelo abaixo de 0°C
EXERCÍCIOS
3. Sendo Ls = -80 cal/g o calor latente de solidificação da
água, calcule quantas calorias devem perder 600 g de
água líquida, a 20°C, até sua total solidificação. O
calor específico da água é 1 cal/g.°C.
4. Quantas calorias são necessárias para transformar
100 g de gelo, a -20°C, em água a 60°C? O gelo se
funde a 0°C, tem calor específico 0,5 cal/g.°C e seu
calor latente de fusão é 80 cal/g. O calor específico da
água é 1 cal/g.°C. Construa a curva de aquecimento do
sistema.
EXERCÍCIO RESOLVIDO
5. Temos inicialmente 200 gramas de gelo a -10°C.
Determine a quantidade de calor que essa massa de
gelo deve receber para se transformar em 200 g de
água líquida a 20°C. Trace a curva de aquecimento do
processo. (Dados: calor específico do gelo = 0,5
cal/g°C; calor específico da água = 1 cal/g°C; calor
latente de fusão do gelo = 80 cal/g.)
Curva de aquecimento do processo:
TERMOLOGIA:
Temperatura
É a medida da agitação das moléculas de
um corpo. É uma descrição quantitativa
para verificar se um corpo é quente ou frio.
Corpo quente:
maior agitação
Corpo frio:
menor agitação
TERMOLOGIA:
Equilíbrio Térmico
TB
TA
A
temperatura
de
equilíbrio é menor que
TA e maior que TB.
T
T A > T > TB
TERMOLOGIA:
Escalas termométricas
Celsius(ºC)
100 ºC
Ponto de
ebulição da água
Ponto de
fusão do gelo
Zero
Absoluto
Kelvin(K)
373,15 K
Fahrenheit(o F) Rankine(R)
671,67 R
212 ºF
0ºC
273,15 K
32ºF
491,67 R
- 273,15ºC
0K
- 459,67ºF
0R
Relação entre as escalas
Celsius(o C)
100o C
Temperatura
qualquer
Dividindo-se o
denominador
por 20:
TC
0o C
Kelvin(K)
373,15 K
Fahrenheit(o F) Rankine(R)
212o F
671,67 R
TK
273,15 K
TF
32o F
TR
491,67 R
EXERCÍCIOS
1. (F.M.Pouso Alegre-MG) O termômetro Celsius marca 0 na
temperatura do gelo fundente e 100 na temperatura de ebulição da
água, sob pressão atmosférica. O termômetro Fahrenheit marca 32 e
212, respectivamente, nessas temperaturas. Quando o termômetro
Celsius marcar 40°C, o Fahrenheit marcará:
a)8,0
b) 72
c) 104
d) 132
e) 140
2. (Unimep-SP) Numa das regiões mais frias do mundo, o termômetro
indica -76°F. Qual será o valor dessa temperatura na escala Kelvin?
a) -333,15
b) 213,15
c) -213,15
d) -103
e) 333,15
3. (U.F. Uberlândia – MG) A temperatura normal do corpo humano é,
em média, de 36ºC. Se uma pessoa está com 39ºC, qual a sua varia ção
de temperatura na escala Kelvin?
a) 36K
b) 312K
c) 234K
d) 39K
e) 3K
EXERCÍCIOS
4. Numa cidade baiana o termômetro marca 30ºC. Em graus Rankine
essa temperatura vale, aproximadamente:
a) 303
b) 86
c) 546
d) 492
e) 446
5. Na escala Rankine, considerando a pressão atmosférica, quanto
vale 0 K?
a)491,67R
b) -100R
c) 212R
d) 0R
e) 671,67R
Convecção
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
1. Convecção:
No processo de convecção quando
resfriamos uma parte do fluido, ele
diminui de volume, torna-se mais
denso e desce.
ar frio
Ao mesmo tempo, seu lugar vai
sendo ocupado pelas camadas
menos densas, ou seja, mais
quentes, que estão abaixo dela.
Assim
na
convecção
existe
transferência de calor e de massa.
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Convecção
1.1. A lei de resfriamento de Newton
Considerando a transferência de calor que ocorre no contato de
um fluido em movimento e uma superfície de área A, quando os
dois se encontram a temperaturas diferentes, a equação que
descreve a taxa de transferência de calor convectiva é conhecida
como a lei do resfriamento de Newton e é dada por:
Condução
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
2. Condução:
Na condução o processo de
transferência de energia se
dá através da vibração das
moléculas.
Essa vibração ocorre sem
deslocamento das mesmas.
Uma molécula transmite
vibração para outra, na
medida que são submetidas
à variação de temperatura.
Assim na condução existe
transferência de calor.
O ferro é bom condutor: o calor se
propaga rapidamente da extremidade B a
extremidade A.
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Condução
2.1. Lei da Condução:
A quantidade de calor que atravessa
uma superfície pelo intervalo de
tempo depende da área da parede
A, da espessura e, da diferença de
temperatura T2-T1 e da natureza do
material que constitui a parede.
Para um dado material, a taxa de
transferência de calor é tanto maior
quanto maior a área A, quanto maior
a diferença de temperatura, e
quanto menor a espessura e.
O fluxo é diretamente proporcional
à área A e à diferença de
temperatura,
e
inversamente
proporcional à espessura e.
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Condução
Lei de Fourier da Condução:
Radiação
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
3. Radiação:
A radiação térmica é a energia
emitida por toda matéria que se
encontra a uma temperatura
não-nula.
A radiação é transportada por
meio
de
ondas
eletromagnéticas.
Enquanto a transferência de
calor
por
condução
ou
convecção necessita de um
meio material, a radiação não
necessita dele. Se propaga com
mais eficiência no vácuo.
Radiação
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
3. Radiação:
A taxa pela qual a energia radiante é emitida por
uma superfície (corpo negro) é chamada por
poder emissivo (E), que é expresso pela lei de
Stefan-Boltzmann:
onde:
•E – poder emissivo,W/m2;
•T – temperatura absoluta do corpo, K;
Radiação
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
3. Radiação:
O fluxo de calor emitido por um corpo real é
menor do que aquele emitido por um corpo
negro e é dado por:
Radiação
PROCESSOS DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
3.1. Irradiação:
É a taxa em que todas as radiações (do sol, de
outras superfícies da vizinhança) incidem sobre
uma área unitária da superfície.