Calorimetria
É a área da Física que estuda as quantidades de calor trocadas entre os corpos (ou sistemas).
Nessa área nos deparamos com unidades do Sistema Internacional (S.I) e unidades usuais.
Como calor é a quantidade de energia térmica transferida de um corpo para outro, no S.I. a unidade de calor é o joule (J).
Mas no início da calorimetria (século XVIII), os filósofos naturais acreditavam que o calor era um fluido invisível que passava de um corpo para outro, chamado calórico. Essa ideia permaneceu até meados do século XIX.
Este "fluido" era considerado responsável pelas mudanças de temperatura. A teoria foi gradualmente substituída pela compreensão moderna do calor como uma forma de transferência de energia térmica, através de estudos como os de Benjamin Thompson (Conde de Rumford) e Hermann von Helmholtz.
A unidade caloria (cal), em alusão ao calórico, surgiu no início do século XIX, com a introdução do termo por Nicolas Clément em suas palestras sobre máquinas térmicas em Paris (1819-1824). Até hoje é muito usada na calorimetria.
1cal ≅ 4,2J
Calor Sensível
Quantidade de calor (Qs) que um corpo ganha, ou perde, causando variação na sua temperatura (Δθ).
Quando um corpo ganha calor, esse valor é positivo, quando perde, negativo.
Lembre-se! Variação de temperatura na calorimetria é sempre a temperatura final (θf) menos a incial (θi).
Δθ = θf - θi
Capacidade Térmica (C)
(de um corpo)
Quantidade de calor que um corpo deve ganhar, ou perder, para que a sua temperatura varie apenas um grau.
Considere que um corpo ganhe uma quantidade de calor sensível Qs que cause nele uma variação de temperatura Δθ. A capacidade térmica desse corpo é determinada da seguinte forma:
Exemplo
Um corpo está na temperatura de 20ᵒC. Ao receber uma quantidade de calor sensível Qs=300J sua temperatura sobe até atingir 45ᵒC. Qual a capacidade térmica desse corpo?
Resolução:
Δθ = 45ᵒC- 20ᵒC = 25ᵒC=25K
Assim:
Esse resultado quer dizer que a cada 12J que o corpo receba na forma de calor sua temperatura sobe 1 kelvin (ou 1ᵒC).
Calor Específico (c)
(de uma substância)
Quantidade de calor que cada unidade de massa de uma substância deve ganhar, ou perder, para que a sua temperatura varie apenas um grau.
No S.I. a unidade de calor específico é o J/kg.K. Usualmente, também usamos a cal/g.ᵒC.
O calor específico é uma das propriedades físicas das substâncias, e encontramos tabelas com valores para todas as substâncias:
Se um corpo é formada por uma única substância, alumínio por exemplo, é possível conhecer a sua capacidade térmica C, multiplicando o calor específico c da substância por sua massa m:
C = c . m
Exemplo
Um lingote de ouro tem massa de 1000g. Qual a sua capacidade térmica?
Resolução
Na tabela anterior vemos que o calor específico do ouro, em unidades usuais, é c=0,031cal/g.ᵒC. Então, a capacidade térmica do lingote é:
C = 0,031cal/gᵒC . 1000g = 31cal/ᵒC
Se quisermos a resposta no S.I:
1000g=1kg
Então:
C = 129J/kg.K . 1kg = 129J/K
Equação Fundamental da Calorimetria
Se a capacidade térmica (C) de um corpo é conhecida, e queremos determinar a quantidade de calor sensível (Qs) suficiente para causar uma variação de temperatura (Δθ), usamos a seguinte equação:
Caso o corpo seja formado por uma única substância, e conhecemos o calor específico (c) e a massa (m) do corpo, podemos substituir a capacidade térmica (C) do corpo por (c.m):
O resultado acima é conhecido como a Equação Fundamental da Calorimetria.
Exemplo
Um corpo tem capacidade térmica C=40cal/ᵒC e temperatura de 90ᵒC. Que quantidade de calor deve perder para a sua temperatura atingir 10ᵒC?
Resolução
Deve perder 3200cal.
Outro exemplo
Um tubo de alumínio tem massa de 5,0kg e temperatura de 15ᵒC. Que temperatura alcançará após receber uma quantidade de calor sensível Qs=90300J?
Dados:
Calor específico do alumínio: c=903J/kg.K
Resolução
