CAPACIDADE DE CALOR: FÓRMULAS, UNIDADES E MEDIDAS - FISICA - 2024

A capacidade térmica de um corpo ou sistema é o quociente entre a energia térmica transmitida a esse corpo e a mudança de temperatura que ele experimenta nesse processo. Outra definição mais precisa é que se refere a quanto calor é necessário transmitir a um corpo ou sistema para que sua temperatura aumente em um grau Kelvin.

Acontece continuamente que corpos mais quentes cedem calor a corpos mais frios em um processo que dura enquanto houver uma diferença de temperatura entre os dois corpos em contato. Então, o calor é a energia que é transmitida de um sistema para outro pelo simples fato de haver uma diferença de temperatura entre os dois.

Por convenção, calor positivo (Q) é definido como aquele que é absorvido por um sistema, e como calor negativo aquele que é transferido por um sistema.

Do exposto, segue-se que nem todos os objetos absorvem e retêm calor com a mesma facilidade; assim, certos materiais aquecem mais facilmente do que outros.

Deve-se levar em conta que, em última instância, a capacidade térmica de um corpo depende de sua natureza e composição.

Fórmulas, unidades e medidas

A capacidade térmica pode ser determinada a partir da seguinte expressão:

C = dQ / dT

Se a mudança de temperatura for pequena o suficiente, a expressão anterior pode ser simplificada e substituída pela seguinte:

C = Q / ΔT

Assim, a unidade de medida para capacidade de calor no sistema internacional é o Joule por Kelvin (J / K).

A capacidade de calor pode ser medida em pressão constante C _p ou volume constante C _v.

Calor específico

Freqüentemente, a capacidade calorífica de um sistema depende de sua quantidade de substância ou de sua massa. Nesse caso, quando um sistema é composto por uma única substância com características homogêneas, é necessário um calor específico, também denominado capacidade térmica específica (c).

Assim, o calor específico de massa é a quantidade de calor que deve ser fornecida à unidade de massa de uma substância para aumentar sua temperatura em um grau Kelvin, e pode ser determinada a partir da seguinte expressão:

c = Q / m ΔT

Nesta equação, m é a massa da substância. Portanto, a unidade de medida para o calor específico, neste caso, é o Joule por quilograma por kelvin (J / kg K), ou também o Joule por grama por kelvin (J / g K).

Da mesma forma, o calor específico molar é a quantidade de calor que deve ser fornecida a um molar de uma substância para aumentar sua temperatura em um grau Kelvin. E isso pode ser determinado a partir da seguinte expressão:

Nesta expressão, n é o número de moles da substância. Isso implica que a unidade de medida para o calor específico, neste caso, é o Joule por mole por kelvin (J / mol K).

Calor específico da água

Os calores específicos de muitas substâncias são calculados e facilmente acessíveis em tabelas. O valor do calor específico da água no estado líquido é 1000 calorias / kg K = 4186 J / kg K. Pelo contrário, o calor específico da água no estado gasoso é 2080 J / kg K e no estado sólido 2050 J / kg K.

Transferência de calor

Desta forma e dado que os valores específicos da grande maioria das substâncias já foram calculados, é possível determinar a transferência de calor entre dois corpos ou sistemas com as seguintes expressões:

Q = cm ΔT

Ou se o calor específico molar for usado:

Q = cn ΔT

Deve-se levar em consideração que essas expressões permitem determinar os fluxos de calor desde que não haja mudança de estado.

Em processos de mudança de estado, falamos de calor latente (L), que é definido como a energia necessária por uma quantidade de substância para mudar de fase ou estado, seja de sólido para líquido (calor de fusão, L _f) ou de líquido para gasoso (calor de vaporização, L _v).

Deve-se levar em consideração que essa energia na forma de calor é totalmente consumida na mudança de fase e não reverte a variação de temperatura. Nesses casos, as expressões para calcular o fluxo de calor em um processo de vaporização são as seguintes:

Q = L _v m

Se o calor específico molar for usado: Q = L _v n

Em um processo de fusão: Q = L _f m

Se o calor específico molar for usado: Q = L _f n

Em geral, como ocorre com o calor específico, os calores latentes da maioria das substâncias já são calculados e são facilmente acessíveis em tabelas. Assim, por exemplo, no caso da água você deve:

L _f = 334 kJ / kg (79,7 cal / g), a 0 ° C; L _v = 2,257 kJ / kg (539,4 cal / g), a 100 ° C.

Exemplo

No caso da água, se uma massa de 1 kg de água congelada (gelo) for aquecida de uma temperatura de -25 ºC a uma temperatura de 125 ºC (vapor d'água), o calor consumido no processo seria calculado da seguinte forma:

Estágio 1

Gelo de -25 ºC a 0 ºC.

Q = cm ΔT = 2050 1 25 = 51250 J

Estágio 2

Mudança de estado de gelo para água líquida.

Q = L _f m = 334000 1 = 334000 J

Etapa 3

Água líquida de 0ºC a 100ºC.

Q = cm ΔT = 4186 1 100 = 418600 J

Etapa 4

Mudança de estado de água líquida para vapor d'água.

Q = L _v m = 2257000 1 = 2257000 J

Etapa 5

Vapor de água de 100ºC a 125ºC.

Q = cm ΔT = 2080 1 25 = 52000 J

Assim, o fluxo total de calor no processo é a soma daquele produzido em cada uma das cinco etapas e resulta em 31112850 J.

Referências

1. Resnik, Halliday & Krane (2002). Física, Volume 1. Cecsa.
2. Laider, Keith, J. (1993). Oxford University Press, ed. The World of Physical Chemistry.Capacidade de calor. (nd). Na Wikipedia. Recuperado em 20 de março de 2018, em en.wikipedia.org.
3. Calor latente. (nd). Na Wikipedia. Recuperado em 20 de março de 2018, em en.wikipedia.org.
4. Clark, John, OE (2004). O Dicionário Essencial da Ciência. Livros da Barnes & Noble.
5. Atkins, P., de Paula, J. (1978/2010). Physical Chemistry, (primeira edição 1978), nona edição 2010, Oxford University Press, Oxford UK.