Calor Específico e Trocas de Calor

Calor Específico e Trocas de Calor

Calor Específico

Estados de Agregação 

Uma mesma substância pode se apresentar em três estados de agregação: sólido, líquido ou gasoso. Na realidade existe um quarto estado que será visto ao estudarmos os gases. No entanto esse é um caso especial que só ocorre em temperaturas muito altas (maiores que 1 milhão de graus Celsius).

Quando fornecemos calor a um corpo, às vezes pode ocorrer uma mudança de estado. Essas mudanças ocorrem em temperaturas determinadas que dependem da pressão externa. O caso que nos é mais familiar é o caso da água. Sob pressão normal (1 atmosfera) a passagem do estado sólido (gelo) para o estado líquido ocorre a 0 °C e a passagem do estado líquido para o estado gasoso ocorre a 100 °C, quando a água ferve. Assim, abaixo de 0 °C a água está no estado sólido; entre 0 °C e 100 °C está no estado líquido e, acima de 100 °C ela está no estado gasoso.

As mudanças de estado serão estudadas em outra aula. Nesta aula vamos considerar situações em que os corpos ganham ou perdem calor, sem que ocorra mudança de estado.

Unidades de Calor 

O calor é uma forma de energia que passa de um corpo para outro como consequência da diferença de temperaturas entre os corpos. Sendo energia, sua unidade no Sistema Internacional é o joule (J). No entanto, por razões históricas, ainda hoje usamos uma unidade introduzida na época em que não se sabia a natureza do calor. Essa unidade é a caloria cujo símbolo é cal. Por definição:

1 caloria é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água, de 14,5 °C para 15,5 °C

A relação entre a caloria e o joule é:

1 cal = 4,186 joules

Nos exercícios, em geral, adotaremos a aproximação:

1 cal 4,2 joules

Exemplo 1

Uma quantidade de calor Q = 210 joules equivale a quantas calorias? (Adote 1 cal 4,2 joules)

Resolução

Podemos usar uma regra de três:

1 cal = 4,2 J
x cal = 210 J

Dividindo membro a membro essas igualdades temos:

1/x = 4,2/210

Assim:

x = 210/4,2 = 50

Portanto: Q = 210 joules = 50 calorias          

Q = 210 J = 50 cal

Capacidade Térmica 

Suponhamos que uma quantidade de calor Q seja fornecida a um corpo. Supondo que não haja mudança de estado, esse calor provocará no corpo, uma variação de temperatura que é proporcional a Q, isto é, podemos escrever

Q = C ()

onde C é uma constante chamada de capacidade térmica do corpo.

De Q = C ()

tiramos:

C =Q/

Portanto:

Assim, a unidade de C pode ser:

No Sistema Internacional de unidades a unidade de capacidade térmica é:

Exemplo 2

Um bloco de ferro está, inicialmente à temperatura de 30 °C. Ao fornecermos ao bloco uma quantidade de calor de 3.000 calorias, a temperatura do bloco aumenta para 80 °C. Calcule a capacidade térmica desse bloco.

Resolução

A temperatura inicial é i = 30 °C e a temperatura final é f = 80 °C. Assim, a variação de temperatura é:

= f - i = (80 °C) - (30 °C) = 50 °C

A quantidade de calor fornecida ao bloco é: Q = 3.000 cal

Sendo C a capacidade térmica do bloco, temos:

Q = C . ()

ou

C = Q /

C = 60 cal/°C = 60 cal °C-1

Isto significa que precisamos de 60 calorias para aumentar a temperatura do bloco em 1 grau Celsius.

Poderíamos dar essa capacidade térmica em unidades do Sistema Internacional. Nesse sistema, a unidade de calor é o joule e a de temperatura é o kelvin.

Adotando a aproximação 1 cal 4,2 J temos:

60 cal = 60 (4,2J) = 252 J

Nós sabemos que uma variação de temperatura tem o mesmo valor numérico em grau Celsius ou Kelvins:

variação de 1 °C = variação de 1K

Assim, a capacidade térmica do bloco é:

Portanto:

C = 60 cal / °C = 252 J / K