CALOR ESPECÍFICO: EM QUE CONSISTE, COMO É CALCULADO E EXEMPLOS - QUÍMICA - 2025

O calor específico é a quantidade de energia a ser absorvida por um grama de uma substância para aumentar sua temperatura em um grau Celsius. É uma propriedade física intensiva, pois não depende da massa, pois é expressa apenas por um grama de substância; entretanto, está relacionado ao número de partículas e sua massa molar, bem como às forças intermoleculares que as ligam.

A quantidade de energia absorvida pela substância é expressa em unidades de joule (J) e, menos comumente, em calorias (Cal). Geralmente, presume-se que a energia é absorvida pelo calor; entretanto, a energia pode vir de outra fonte, como um trabalho feito na substância (agitação rigorosa, por exemplo).

Água fervendo. Fonte: Pixabay

A imagem acima mostra uma chaleira da qual são liberados os vapores de água gerados por seu aquecimento. Para aquecer a água, ela deve absorver o calor da chama localizada sob a chaleira. Assim, com o passar do tempo, e dependendo da intensidade do fogo, a água irá ferver ao atingir o ponto de ebulição.

O calor específico estabelece quanta energia a água consome para cada grau ºC que sua temperatura aumenta. Este valor é constante se diferentes volumes de água forem aquecidos na mesma caldeira, já que como dito no início, é uma propriedade intensiva.

O que varia é a quantidade total de energia absorvida por cada massa de água aquecida, também conhecida como capacidade térmica. Quanto maior for a massa de água a ser aquecida (2, 4, 10, 20 litros), maior será a sua capacidade calorífica; mas seu calor específico permanece o mesmo.

Esta propriedade depende da pressão, temperatura e volume; no entanto, por uma questão de compreensão simples, suas variações correspondentes são omitidas.

O que é calor específico?

O que calor específico significa para uma determinada substância foi definido. No entanto, o seu verdadeiro significado é melhor expresso com a sua fórmula, que deixa claro através das suas unidades quais são as folgas que envolve quando são analisadas as variáveis ​​das quais depende. Sua fórmula é:

Ce = Q / ΔT m

Onde Q é o calor absorvido, ΔT a mudança na temperatura e m é a massa da substância; que de acordo com a definição corresponde a um grama. Fazendo uma análise de suas unidades temos:

Ce = J / ºC · g

O que também pode ser expresso das seguintes maneiras:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

O primeiro deles é o mais simples e é com ele que os exemplos serão abordados nas seções seguintes.

A fórmula indica explicitamente a quantidade de energia absorvida (J) por um grama de substância em um grau ºC. Se quiséssemos limpar essa quantidade de energia, teríamos que deixar a equação J de lado:

J = Ce · ºC · g

Aquilo expresso de forma mais adequada e de acordo com as variáveis ​​seria:

Q = Ce ΔT m

Como o calor específico é calculado?

Água como referência

Na fórmula acima, 'm' não representa um grama de substância, uma vez que já se encontra implicitamente em Ce. Esta fórmula é muito útil para calcular os calores específicos de várias substâncias por meio da calorimetria.

Quão? Usando a definição de calorias, que é a quantidade de energia necessária para aquecer um grama de água de 14,5 a 15,5ºC; isso é igual a 4.184 J.

O calor específico da água é anormalmente alto, e esta propriedade é usada para medir os calores específicos de outras substâncias, conhecendo o valor de 4,184 J.

O que significa um calor específico ser alto? Que oferece considerável resistência para aumentar sua temperatura, por isso deve absorver mais energia; isto é, a água precisa ser aquecida por muito mais tempo em comparação com outras substâncias, que na vizinhança de uma fonte de calor aquecem quase instantaneamente.

Por esse motivo, a água é utilizada em medidas calorimétricas, uma vez que não sofre mudanças bruscas de temperatura ao absorver a energia liberada por reações químicas; ou, neste caso, do contato com outro material mais quente.

Equilíbrio térmico

Como a água precisa absorver muito calor para aumentar sua temperatura, o calor pode vir de um metal quente, por exemplo. Levando-se em consideração as massas de água e metal, ocorrerá uma troca de calor entre eles até que seja alcançado o chamado equilíbrio térmico.

Quando isso ocorre, as temperaturas da água e do metal se igualam. O calor emitido pelo metal quente é igual ao absorvido pela água.

Desenvolvimento matemático

Sabendo disso, e com a última fórmula para Q que acabamos de descrever, temos:

Q _Água = -Q _Metal

O sinal negativo indica que o calor é liberado do corpo mais quente (metal) para o corpo mais frio (água). Cada substância tem seu próprio calor específico Ce, e sua massa, então esta expressão deve ser desenvolvida da seguinte forma:

Q _Água = Ce _Água · ΔT _Água · m _Água = - (Ce _Metal · ΔT _Metal · m _Metal)

O desconhecido é Ce _Metal, uma vez que, no equilíbrio térmico, a temperatura final tanto da água quanto do metal é a mesma; além disso, as temperaturas iniciais da água e do metal são conhecidas antes do contato, assim como suas massas. Portanto, Ce _Metal deve ser limpo:

Ce _Metal = (Ce _Água · ΔT _Água · m _Água) / (-ΔT _Metal · m _Metal)

Sem esquecer que Ce _Água é 4.184 J / ºC · g. Se ΔT _Água e ΔT _Metal forem desenvolvidos, teremos (T _f - T _Água) e (T _f - T _Metal), respectivamente. A água aquece, enquanto o metal esfria, por isso o sinal negativo multiplica ΔT _Metal, saindo (T _Metal - T _f). Caso contrário, ΔT _Metal teria um valor negativo porque é T _f menor (mais frio) do que T _Metal.

A equação é então finalmente expressa desta forma:

Ce _Metal = Ce _Água · (T _f - T _Água) · m _Água / (T _Metal - T _f) · m _Metal

E com ele as baterias específicas são calculadas.

Exemplo de cálculo

É uma esfera de um metal estranho que pesa 130g e tem uma temperatura de 90ºC. Este é imerso em um recipiente de 100g com água a 25ºC, dentro de um calorímetro. Ao atingir o equilíbrio térmico, a temperatura do recipiente passa a 40 ° C. Calcule o Ce do metal.

A temperatura final, T _f, é de 40 ° C. Conhecendo os outros dados, Ce pode então ser determinado diretamente:

Ce _Metal = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g

Ce _Metal = 0,965 J / ºC · g

Observe que o calor específico da água é cerca de quatro vezes o do metal (4.184 / 0.965).

Quando Ce é muito pequeno, maior é sua tendência ao aquecimento; que está relacionado à sua condutividade térmica e difusão. Um metal com Ce maior tenderá a liberar ou perder mais calor, ao entrar em contato com outro material, em comparação com outro metal com Ce menor.

Exemplos

Calores específicos para diferentes substâncias são mostrados abaixo.

Água

O calor específico da água, conforme indicado, é de 4,184 J / ° C · g.

Graças a este valor, pode haver muito sol no oceano e a água dificilmente irá evaporar em um grau apreciável. Isso resulta em uma diferença térmica que não afeta a vida marinha. Por exemplo, quando você vai à praia para nadar, mesmo que esteja muito sol lá fora, a temperatura da água está mais baixa e mais fresca.

A água quente também precisa liberar muita energia para se resfriar. No processo, ele aquece as massas de ar circulantes, aumentando um pouco as temperaturas (temperadas) nas regiões costeiras durante os invernos.

Outro exemplo interessante é que, se não fôssemos feitos de água, um dia ao sol poderia ser mortal, porque a temperatura de nosso corpo aumentaria rapidamente.

Este valor único de Ce é devido às ligações de hidrogênio intermoleculares. Eles absorvem o calor para se decompor, então eles armazenam energia. Até que se quebrem, as moléculas de água não conseguirão vibrar aumentando a energia cinética média, o que se reflete no aumento da temperatura.

Gelo

O calor específico do gelo é 2.090 J / ºC · g. Como o da água, tem um valor excepcionalmente alto. Isso significa que um iceberg, por exemplo, precisaria absorver uma enorme quantidade de calor para aumentar sua temperatura. No entanto, alguns icebergs hoje absorvem até o calor necessário para derreter (calor latente de fusão).

Alumínio

O calor específico do alumínio é de 0,900 J / ºC · g. É ligeiramente inferior ao do metal na esfera (0,965 J / ºC · g). Aqui, o calor é absorvido para fazer vibrar os átomos de metal do alumínio em suas estruturas cristalinas, e não moléculas individuais mantidas juntas por forças intermoleculares.

Ferro

O calor específico do ferro é de 0,444 J / ºC · g. Por ser menor que o alumínio, significa que oferece menos resistência quando aquecido; isto é, antes de um incêndio, um pedaço de ferro ficará vermelho quente muito mais cedo do que um pedaço de alumínio.

O alumínio sendo mais resistente ao aquecimento, mantém os alimentos quentes por mais tempo quando a famosa folha de alumínio é usada para embrulhar lanches.

Ar

O calor específico do ar é de aproximadamente 1,003 J / ºC · g. Este valor está altamente sujeito a pressões e temperaturas, pois se trata de uma mistura gasosa. Aqui, o calor é absorvido para fazer vibrar as moléculas de nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio, etc.

Prata

Finalmente, o calor específico da prata é 0,234 J / ºC · g. De todas as substâncias mencionadas, é a que possui o menor valor de Ce, o que significa que, quando confrontada com o ferro e o alumínio, uma peça de prata esquenta muito mais ao mesmo tempo do que os outros dois metais. Na verdade, ele se harmoniza com sua alta condutividade térmica.

Referências

1. Serway & Jewett. (2008). Física: para ciência e engenharia. (Sétima edição), Volume 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Química. (Oitava edição). Cengage Learning.
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6. Wikipedia. (2019). Calor específico. Recuperado de: es.wikipedia.org