CALOR SENSÍVEL: CONCEITO, FÓRMULAS E EXERCÍCIOS RESOLVIDOS - FISICA - 2024

O calor sensível é a energia térmica fornecida a um objeto pelo aumento de sua temperatura. É o oposto do calor latente, em que a energia térmica não aumenta a temperatura, mas promove uma mudança de fase, por exemplo, de sólido para líquido.

Um exemplo esclarece o conceito. Suponha que tenhamos um pote de água à temperatura ambiente de 20 ° C. Quando o colocamos no fogão, o calor fornecido aumenta lentamente a temperatura da água até atingir 100 ° C (temperatura de ebulição da água ao nível do mar). O calor fornecido é chamado de calor sensível.

O calor que aquece as mãos é um calor sensível. Fonte: Pixabay

Quando a água atinge o ponto de ebulição, o calor fornecido pelo queimador não eleva mais a temperatura da água, que permanece em 100 ° C. Neste caso, a energia térmica fornecida é investida na evaporação da água. O calor fornecido é latente porque não elevou a temperatura, mas, em vez disso, causou uma mudança da fase líquida para a fase gasosa.

É um fato experimental que o calor sensível necessário para atingir uma certa variação de temperatura é diretamente proporcional a essa variação e à massa do objeto.

Conceito e fórmulas

Observou-se que além da massa e da diferença de temperatura, o calor sensível também depende do material. Por esse motivo, a constante de proporcionalidade entre o calor sensível e o produto da massa e da diferença de temperatura é chamada de calor específico.

A quantidade de calor sensível fornecido também depende de como o processo é realizado. Por exemplo, é diferente se o processo for realizado com volume constante do que com pressão constante.

A fórmula para o calor sensível em um processo isobárico, ou seja, a pressão constante, é a seguinte:

Q = cp. m (T f - T i)

Na equação acima, Q é o calor sensível fornecido ao objeto de massa m, que elevou sua temperatura inicial T _i ao valor final Tf. Na equação anterior também aparece cp, que é o calor específico do material a pressão constante porque o processo foi realizado desta forma.

Observe também que o calor sensível é positivo quando é absorvido pelo objeto e causa um aumento na temperatura.

No caso de o calor ser fornecido a um gás encerrado em um recipiente rígido, o processo será isocórico, ou seja, em volume constante; e a fórmula de calor sensível será escrita assim:

Q = c v. m. (T f - T i)

O coeficiente adiabático γ

O quociente entre o calor específico a pressão constante e o calor específico a volume constante para o mesmo material ou substância é chamado de coeficiente adiabático, que geralmente é denotado pela letra grega gama γ.

O coeficiente adiabático é maior que a unidade. O calor necessário para elevar a temperatura de um corpo de um grama em um grau é maior em um processo isobárico do que em um isocórico.

Isso ocorre porque, no primeiro caso, parte do calor é usado para realizar trabalhos mecânicos.

Além do calor específico, a capacidade calorífica de um corpo também é geralmente definida. Esta é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura daquele corpo em um grau centígrado.

Capacidade térmica C

A capacidade de calor é denotada por um C maiúsculo, enquanto o calor específico por um c minúsculo. A relação entre as duas quantidades é:

C = c⋅ m

Onde m é a massa do corpo.

Calor específico molar também é usado, que é definido como a quantidade de calor sensível necessária para elevar a temperatura de um mol de substância em um grau Celsius ou Kelvin.

Calor específico em sólidos, líquidos e gases

O calor específico molar da maioria dos sólidos tem um valor próximo a 3 vezes R, onde R é a constante universal do gás. R = 8,314472 J / (mol *).

Por exemplo, o alumínio tem calor específico molar 24,2 J / (mol ℃), cobre 24,5 J / (mol ℃), ouro 25,4 J / (mol ℃) e ferro macio 25,1 J / (mol ℃). Observe que esses valores estão próximos de 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Em contraste, para a maioria dos gases, o calor específico molar é próximo de n (R / 2), onde n é um número inteiro e R é a constante universal do gás. O inteiro n está relacionado ao número de graus de liberdade da molécula que compõe o gás.

Por exemplo, em um gás ideal monoatômico, cuja molécula tem apenas os três graus de liberdade translacionais, o calor específico molar em volume constante é 3 (R / 2). Mas se for um gás ideal diatômico, existem adicionalmente dois graus de rotação, então cv = 5 (R / 2).

Em gases ideais, a seguinte relação entre o calor específico molar a pressão constante e volume constante é válida: cp = cv + R.

A água merece uma menção especial. No estado líquido a 25 ℃, a água tem cp = 4,1813 J / (g ℃), o vapor de água a 100 graus Celsius tem cp = 2,080 J / (g ℃) e o gelo de água a zero graus Celsius tem cp = 2.050 J / (g *).

Diferença com calor latente

A matéria pode estar em três estados: sólido, líquido e gasoso. A energia é necessária para mudar de estado, mas cada substância responde a ela de uma maneira diferente de acordo com suas características moleculares e atômicas.

Quando um sólido está derretendo ou um líquido está evaporando, a temperatura do objeto permanece constante até que todas as partículas tenham mudado de estado.

Por esse motivo, é possível que uma substância esteja em equilíbrio em duas fases: sólido - líquido ou líquido - vapor, por exemplo. Uma quantidade da substância pode ser transferida de um estado para outro adicionando ou removendo um pouco de calor, enquanto a temperatura permanece fixa.

O calor fornecido a um material faz com que suas partículas vibrem mais rápido e aumentem sua energia cinética. Isso se traduz em um aumento na temperatura.

É possível que a energia que adquirem seja tão grande que não retornem mais à posição de equilíbrio e aumente a separação entre eles. Quando isso acontece, a temperatura não aumenta, mas a substância passa do sólido ao líquido ou do líquido ao gasoso.

O calor necessário para que isso aconteça é conhecido como calor latente. Portanto, o calor latente é o calor pelo qual uma substância pode mudar de fase.

Aqui está a diferença com o calor sensível. Uma substância que absorve calor sensível aumenta sua temperatura e permanece no mesmo estado.

Como calcular o calor latente?

O calor latente é calculado pela equação:

Onde L pode ser o calor específico de vaporização ou o calor de fusão. As unidades de L são energia / massa.

Os cientistas deram ao calor vários nomes, dependendo do tipo de reação da qual ele participa. Por exemplo, existe o calor de reação, o calor de combustão, o calor de solidificação, o calor de solução, o calor de sublimação e muitos outros.

Os valores de muitos desses tipos de calor para diferentes substâncias são tabulados.

Exercícios resolvidos

Exemplo 1

Suponha que a tenha um pedaço de alumínio com massa de 3 kg. Inicialmente está a 20 ° C e você deseja aumentar sua temperatura para 100 ° C. Calcule o calor sensível necessário.

Solução

Primeiro, precisamos saber o calor específico do alumínio

cp = 0,897 J / (g ° C)

Então, a quantidade de calor necessária para aquecer a peça de alumínio será

Q = cpm (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215 280 J

Exemplo 2

Calcule a quantidade de calor necessária para aquecer 1 litro de água de 25 ° C a 100 ° C ao nível do mar. Expresse o resultado também em quilocalorias.

Solução

A primeira coisa a lembrar é que 1 litro de água pesa 1 kg, ou seja, 1000 gramas.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

A caloria é uma unidade de energia definida como o calor sensível necessário para elevar um grama de água em um grau Celsius. Portanto, 1 caloria é igual a 4,1813 Joules.

Q = 313597,5 J * (1 cal / 4,1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.

Exemplo 3

Um pedaço de material de 360,16 gramas é aquecido de 37 ℃ a 140 ℃. A energia térmica fornecida é de 1150 calorias.

Aquecimento da amostra. Fonte: self made.

Encontre o calor específico do material.

Solução

Podemos escrever o calor específico em função do calor sensível, da massa e da variação da temperatura de acordo com a fórmula:

cp = Q / (m ΔT)

Substituindo os dados, temos o seguinte:

cp = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0,0310 cal / (g ℃)

Mas, uma vez que uma caloria é igual a 4,1813 J, o resultado também pode ser expresso como

cp = 0,130 J / (g ℃)

Referências

1. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6 ^th. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6 ^ta Edição abreviada. Cengage Learning. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7º. Edição revisada. McGraw Hill. 350-368.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14 ^th. Volume 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.