CALORIMETRIA

Prof. Marcos MacêdoCoordenação de FísicaIFPE - Instituto Federal de Pernambuco – Campus Recife – Brasilmarcosmacedo@recife.ifpe.edu.br

É a parte da Física que estuda os fenômenos relacionados com as

trocas de calor entre sistemas

Definição de Calor Formas de propagação do calor

DEFINIÇÃO DE CALOR

Calor é uma quantidade de energia térmica (energia de vibração) que flui de um corpo de maior temperatura para um de menor temperatura.

equilíbrio térmico

No século XVIII(1798), Benjamin Thompson - Conde de Rumford, em sequência de algumas experiências que realizou, pôs em causa a Teoria do Calórico, defendendo que o calor não era uma substância mas sim uma forma de movimento. Thompson verificou que o calor gerado na perfuração ou fricção de uma broca em peças de bronze usadas para fazer canhões fazia a água entrar em ebulição. Destas observações, Thompson inferiu que o calor seria uma consequência do movimento das partículas dos corpos e que era transferido da broca para a água, numa quantidade igual ao trabalho realizado pela broca. Seguindo a linha de raciocínio, o químico inglês Juchg Heghref propôs que essa hipótese poderia ser facilmente demonstrada, bastando para tal esfregarem-se dois blocos de gelo, o que os aqueceria e os levaria ao derretimento, mesmo esses inicialmente não possuindo ou possuindo pouco calórico. Mantida a hipótese do calórico, essa deveria implicar a possibilidade desse ser produzido a partir do nada

O primeiro químico a estudar o calor foi Joseph Black. Nessa altura o calor foi descrito como um fluido que enchia todos os corpos(maior quantidade=quente/menor quantidade=frio) e cujas partículas se repeliam umas às outras. Já então se considerava que a energia perdida, como calor, por um corpo quente era igual à energia ganha por um corpo frio. Nascia, assim, a Teoria do Calórico.

Em 1787, o calórico foi considerado um elemento químico, por Lavoisier, e foi incluído na Tabela Periódica.

Foi o físico alemão Hermann Von Helmholtz que, em 1847, estabeleceu a definição de calor como uma forma de energia, afirmando que para todas as formas de energia há o equivalente em calor.

A ideia foi posteriormente comprovada por seu colega inglês James Prescott Joule. Construindo um aparelho simples, que aproveitava o trabalho mecânico produzido pela queda de corpos, Joule mediu a quantidade de energia mecânica necessária para elevar por agitação a temperatura de uma certa quantidade de água, e por comparação, estabeleceu o equivalente mecânico do calor.

BREVE HISTÓRICO - CALOR

EXPERIÊNCIA DE JOULE

Sua importante descoberta resultou de uma longa série de experiências sobre as relações quantitativas entre os efeitos elétricos, mecânicos e químicos. Em 1843, Joule anunciou ter determinado a quantidade de trabalho necessária para produzir uma unidade de calor, chamada equivalente mecânico do calor.

Para conseguir o equivalente mecânico do calor, Joule empregou quatro métodos crescentes de exatidão. O quarto - o mais conhecido nos dias de hoje, este produz calor pela fricção da água por meio de pás, girando sob a ação da queda de um peso.

O termo calor só deve ser usado para designar a energia em trânsito. A transferência de calor para um corpo acarreta um aumento na energia de agitação de seus átomos e moléculas, isso é, acarreta um aumento da energia interna do corpo, o que, em geral, provoca uma elevação na sua temperatura. Portanto, um corpo não possui calor, ele possui energia interna, e quanto maior a sua temperatura, maior a sua energia interna.

As sensações de frio ou quente que sentimos em nosso dia-a-dia estão relacionadas às trocas de energia entre nosso corpo e o meio ambiente. A sensação de quente está relacionada ao ganho de calor, e a de frio a perda de calor pelo nosso corpo.

Caloria (cal) – unidade usual

Por definição, uma caloria (1 cal) é a quantidade de calor que deve ser transferida a um grama de água para produzir a variação de temperatura de 1oC, rigorosamente, de 14,5°C para 15,5°C sob pressão constante.

Joule ( J) – unidade do S.I.

1cal 4,2 J (ver experiência de Joule)

BTU – British Thermal Unit (utilizada principalmente na refrigeração)

1 BTU 252 cal 1055 J.

Obs. A caloria utilizada pelos profissionais da área de saúde (médicos, enfermeiras, nutricionistas, etc. é chamada de GRANDE CALORIA (Cal) e vale 10³ cal = 1kcal da Termologia.

QUANTIDADE DE CALOR (Q) - UNIDADES

PROCESSOS DE PROPAGAÇÃO DO CALOR

CONDUÇÃO CONVECÇÃO IRRADIAÇÃO

CONDUÇÃO

A condução é o processo de transmissão de calor mais eficaz nos sólidos e consiste na propagação de energia através de choques entre as moléculas que constituem o material, sem que haja transporte de matéria.

Os líquidos e gases também transmitem calor por condução, mas a uma taxa bem menor que os sólidos. ASSIM, ELES PODEM SER CONSIDERADOS ISOLANTES TÉRMICOS. Mesmo os sólidos diferem muito quanto à sua capacidade de transmitir calor por condução. Para ser considerado um isolante térmico, a substância deve ter uma baixa taxa de condução de calor(baixo fluxo de calor). Não existe isolante térmico ideal.

t

Q

Fluxo de calor

Verifica-se pela experiência que o fluxo de calor é: 1 – Diretamente proporcional à área (A) da secção perpendicular ao fluxo. 2 – Diretamente proporcional à diferença de temperatura entre as extremidades da superfície(1 - 2)3– Inversamente proporcional a espessura da superfície(e)4 – Depende do material condutor – COEFICIENTE DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA (K)

Unidades do Fluxo de calor

Usual: cal/s, kcal/s, cal/min, etc.Sistema Internacional: J/s e

Ak ).(.

FOURIER DE LEI

21

FLUXO DE CALOR( ) – LEI DE FOURIER

Mede a quantidade de calor conduzida pelo sólido por unidade de tempo

A condutividade térmica (K) mede a capacidade de um material em conduzir calor. Um material que transmite pouco calor por condução é chamado de mau condutor ou isolante térmico. Quanto menor for a condutividade térmica de um material melhor isolante térmico ele será.

J/s = W (watt)

Material Condutividade térmica (W/m.K)

Prata 426Cobre 398Alumínio 237Tungsténio 178Ferro 80,3Vidro 0,72 - 0,86Água 0,61Tijolo 0,4 - 0,8Madeira (pinho) 0,11 - 0,14Fibra de vidro 0,046Espuma de poliestireno 0,033Ar 0,026Espuma de poliuretano 0,020

Condutividade térmica de materiais a 27°C

Bons condutores

Maus condutores

Exemplo 2Um vidro plano, cujo coeficiente de condutibilidade térmica é igual a 0,00183 cal/ s.cm.°C, tem uma área de 1,000 cm² e espessura de 3,66 mm. Sendo o fluxo de calor por condução através do vidro igual a 2,000 calorias por segundo, calcule a diferença de temperatura entre suas faces.

Aplicando os conhecimentos

Exemplo 1Em um dia muito quente, num determinado local, uma sala fechada, a temperatura é mantida constante a 24oC, enquanto que a temperatura externa é de 34oC. A sala possui uma parede de 8,0 m de largura por 1,85 m de altura e 80 cm de espessura. Qual o fluxo de calor através da parede? Que quantidade de calor em kcal é perdida para o ambiente interior durante um intervalo de 5,0 horas? Use a condutividade térmica do tijolo igual a 0,6 W/m.oC e que 1,0 cal = 4,186 J.

CONVECÇÃOA CONVECÇÃO é o processo de transmissão do calor que ocorre no estado líquido ou gasoso. Caracteriza-se por movimentos ascendentes de massas de menor densidade, coordenados com movimentos descendentes de massas de maior densidade

CORRENTES DE CONVECÇÃO

CONGELAMENTO DA SUPERFÍCIE DOS LAGOS, RIOS E MARES

INVERSÃO TÉRMICANa baixa atmosfera, normalmente verificamos correntes de ar quente, que, ao subirem, resfriam-se. Nas grandes cidades, onde ha concentração de poluentes, essa movimentação constante ajuda a dispersão dos agentes poluidores, mas em determinados dias do inverno, o ar próximo á superfície torna se mais frio que o da camada superior, causando um fenômeno conhecido por inversão térmica.

(Enem-MEC) Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água, apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condições de irradiação solar. No local (solo) que se aquece mais rapidamente, o ar fica mais quente e sobe, deixando uma área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar da superfície que está mais fria (mar). À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia. Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para esfriar (à noite), o fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte maneira

a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir, deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do continente para o mar.

b) b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia.

c) c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissolve-se na água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que atrai o ar quente do continente.

d) d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental.

e) e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar.

Aplicando os conhecimentos

IRRADIAÇÃO OU RADIAÇÃO

É a emissão de energia (calor) através de ondas eletromagnéticas. É o único processo de transmissão de calor que não precisa de um meio material

para se propagar. As ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo e em qualquer meio.

Podemos sentir essa transmissão de energia colocando a mão próxima de uma chama ou de uma lâmpada acesa. A mão se aquece rapidamente.

A quantidade de calor transmitida pela radiação(irradiação) depende da temperatura, ou seja, podemos dizer que a radiação de calor cresce com o aumento da temperatura do corpo. A radiação depende também da pigmentação. Objetos de cor escura são melhores absorvedores e irradiadores de calor.

O EFEITO ESTUFA

(Unemat-MT) A ideia de que a atividade industrial poderia alterar radicalmente o clima da Terra remonta a 1896 e ao químico sueco Svante August Arrhenius, que mostrou, através de um cálculo simples, que o acúmulo de dióxido de carbono (C02), na atmosfera, aumentaria a temperatura da superfície em, aproximadamente, 5°C.

MADDOX, J. O que falta descobrir. São Paulo: Campus, 1999.

Com relação ao “efeito estufa”, podemos afirmar que:

(01) O efeito estufa é totalmente prejudicial ao ser humano.(02) A atmosfera é transparente à energia radiante e opaca para as ondas de calor.(04) O CO2 é o único gás responsável pelo efeito estufa.(08) O gás carbônico, o vapor de água, o metano e os clorofluorcarbonos também contribuem para o efeito estufa.(16) A queima de combustíveis fósseis contribui para o aquecimento global.

Dê, como resposta, a soma dos números que precedem as afirmações corretas.

Aplicando os conhecimentos

(Olimpíada Paulista de Física) Qual é o papel que nossa atmosfera representa? Em primeiro lugar, o oxigênio é indispensável à vida. Em segundo lugar, ela nos garante uma temperatura bastante estável, apesar das variações dia-noite e das estações do ano. Sem a atmosfera, a temperatura subiria a mais de 100°C durante o dia, devido à incidência da radiação solar, e cairia pelo menos a 100°C abaixo de zero durante a noite, como ocorre na superfície da Lua.

Goldemberg J. Planeta Terra. São Paulo: Brasiliense, 1990. p. II.

Com base no texto acima, é errado afirmar que:

a) a atmosfera é muito importante para a vida na Terra.b) a atmosfera mantém a temperatura da Terra estável.c) a atmosfera da Terra é semelhante à atmosfera da Lua.d) na ausência da atmosfera, a temperatura diurna na Terra seria muito alta.e) a temperatura da Terra à noite cairia muito se não existisse a atmosfera.

Aplicando os conhecimentos

ALGUMAS APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS

ALGUMAS APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS