Calorimetria

A calorimetria é uma área de estudo dentro da Termologia, um dos ramos da Física, responsável pela investigação do que é calor, sua propagação através da condução, convecção e irradiação, seus tipos, além da capacitância térmica e da dilatação térmica.

Leia também: Termodinâmica — outra área de estudo dentro da Termologia

Resumo sobre calorimetria

• A calorimetria é uma área da Termologia, um dos ramos da Física, que estuda o calor e os fenômenos relacionados a ele.
• Os conceitos básicos da calorimetria são: calor, propagação de calor, classificação do calor, capacitância térmica e dilatação térmica.
• O calor é classificado como sensível ou latente.
• O calor pode se propagar por condução térmica, convecção térmica e irradiação térmica.
• É possível dilatar o comprimento, área ou volume de um corpo.
• Na calorimetria podemos ter exercícios a respeito do tipo de calor, formas de propagação de calor, quantidade de calor, calor latente, calor específico, capacidade térmica, dilatação linear, dilatação superficial e dilatação volumétrica.
• A curva de aquecimento é um gráfico que nos dá a relação entre a temperatura de uma substância e a quantidade de calor que ela recebeu ou cedeu.
• O fluxo de calor ocorre do corpo mais quente, que cede calor, para o corpo mais frio, até que estejam em equilíbrio térmico.

O que é calorimetria?

A calorimetria é a parte da Termologia que analisa o fluxo de calor e todos os fenômenos que o cercam. Os seus estudos contribuiram ao desenvolvimento de eletrônicos e eletrodométicos, à compreensão das mudanças de estado físico da matéria, construção de pontes, trilhos, fiação elétrica e muito mais.

Conceitos básicos da calorimetria

Existem diversos assuntos estudados na calorimetria. Pensando nisso, selecionamos os conceitos básicos necessários para que se compreenda a calorimetria.

• Calor: é o fluxo de energia térmica do corpo com elevada temperatura para o corpo com baixa temperatura, até que atinjam a mesma temperatura, o equilíbrio térmico.
• Propagação de calor: o calor pode ser propagado de três maneiras distintas, por condução térmica, convecção térmica e irradiação térmica.
  • Condução térmica: o calor é propagado através do contato entre as superfícies.
  • Convecção térmica: o calor é propagado através da formação de correntes convectivas no fluídos, em que o ar quente sobe e o ar frio desce.
  • Irradiação térmica: o calor é propagado através de ondas eletromagnéticas, sendo capaz de se propagar no vácuo.

• Classificação do calor: o calor pode ser sensível ou latente.
  • Calor sensível (ou calor específico): é o calor que ocorre sem que haja mudança de estado físico, apenas variação da temperatura.
  • Calor latente: é o calor que ocorre sem variação da temperatura, apenas mudança de estado físico.
• Capacitância térmica: é uma grandeza que informa a quantidade de calor que um corpo precisa fornecer ou absorver para que varie a sua temperatura em 1 °C.
• Dilatação térmica: é a alteração das dimensões dos corpos provocada pela variação da temperatura e do calor sobre eles. A dilatação térmica pode ser linear, superficial ou volumétrica.
  • Dilatação linear: é a variação linear do corpo, ou seja, dilatação do seu comprimento.
  • Dilatação superficial: é a variação superficial do corpo, ou seja, dilatação da sua área.
  • Dilatação volumétrica: é a variação volumétrica do corpo, ou seja, dilatação do seu volume.

Equações fundamentais da calorimetria

→ Calor latente

\(Q=m\cdot L\)

• Q  → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal].
• m  → massa, medida em quilograma [kg] ou gramas [g].
• L  → calor latente, medido em [J/kg] ou [cal/g].

→ Calor sensível

\(Q=m\cdot c\cdot∆T\)

• Q  → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal].
• m  → massa, medida em quilograma [kg] ou gramas [g].
• c  → calor específico, medido em [J/(kg∙K)] ou [cal/g∙°C].
• ∆T  → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

→ Capacidade térmica

\(C=c\cdot m=\frac {Q}{∆T}\)

• c  → calor específico, medido em [J/kg∙K] ou [cal/g∙°C].
• C  → capacidade térmica, medida em [J/K] ou [cal/°C].
• m  → massa, medida em quilograma [kg]  u gramas [g].
• Q  → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal].
• ∆T  → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

→ Fluxo de calor

\(\Phi=\frac{k\cdot A\cdot ∆T}{l}\)

• Φ  → fluxo de calor, medido em Watt [W].
• k → condutividade térmica do material, medida em [W/m∙K].
• A  → área da secção transversal, medida em [m²].
• ∆T  → variação de temperatura entre as regiões separadas pela parede, medida em Kelvin [K].
• l  → espessura da parede ou extensão atravessada, medida em metros [m].

O fluxo de calor também pode ser calculado pela fórmula:

\(\Phi=\frac{Q}{∆t}\)

• Φ  → fluxo de calor, medido em Watt [W].
• Q  → quantidade de calor, medida em Joule [J].
• ∆t  → variação do tempo de transmissão, medida em segundos [s].

→ Coeficiente de dilatação superficial e linear

\(\beta=2\cdot\alpha\)

• β  →  coeficiente de dilatação superficial, medido em [°C^-1] ou [°K^-1].
• α  →  coeficiente de dilatação linear, medido em [°C^-1] ou [°K^-1].

→ Coeficiente de dilatação volumétrica e linear

\(\gamma=3\cdot\alpha\)

• γ  → coeficiente de dilatação volumétrica, medido em [°C^-1] ou [°K^-1].
• α  →  coeficiente de dilatação linear, medido em [°C^-1] ou [°K^-1].

→ Dilatação linear

\(∆L=L_O\cdotα\cdot∆T\)

• ∆L  → variação do comprimento dilatado, medido em metros [m].
• L_O  → comprimento inicial, medido em metros [m].
• α  → coeficiente de dilatação volumétrica, medido em [°C-1]  ou [°K-1].
• ∆T  → variação de temperatura, medida em Celsius [°C]  ou Kelvin [°K].

→ Dilatação superficial

\(∆A=A_O\cdot\beta\cdot∆T\)

• ∆A  → variação da área dilatada, medida metros quadrados [m²].
• A_O  → área inicial, medida em metros quadrados [m²].
• β  → coeficiente de dilatação superficial, medido em [°C^-1] ou [°K^-1].
• ∆T  → variação de temperatura, medida em Celsius [°C] ou Kelvin [°K].

→ Dilatação volumétrica

\(∆V=V_O\cdotγ\cdot∆T\)

• ∆V  → variação do volume dilatado, medida em litros [l] ou metros cúbicos [m³].
• VO  → volume inicial, medido em litros [l] ou metros cúbicos [m³].
• γ  → coeficiente de dilatação volumétrica, medido em [°C^-1] ou [°K^-1].
• ∆T  → variação de temperatura, medida em Celsius [°C] ou Kelvin [°K].

Como calcular calorimetria?

Os exercícios na área da Calorimetria são calculados pelas fórmulas estudadas anteriormente dependendo das informações fornecidas pelo enunciado das questões. Na calorimetria podemos ter exercícios teóricos, envolvendo os conceitos estudados, ou práticos, envolvendo cálculos e gráficos ou até envolvendo situações do cotidiano. Elas podem estar relacionadas ao tipo de calor, formas de propagação de calor, quantidade de calor, calor latente, calor específico, capacidade térmica, dilatação linear, dilatação superficial e dilatação volumétrica.

Curva de aquecimento

A curva de aquecimento é um gráfico em que relacionamos a temperatura de uma substância a quantidade de calor que ela recebeu ou cedeu. Quando a substância é aquecida, o gráfico indica uma reta ascendente; já quando a substância é resfriada, temos uma reta descendente. Já quando a substância muda de estado físico, o gráfico toma a forma de uma reta horizontal e paralela ao eixo, conforme descrito no gráfico abaixo:

No gráfico temos representados alguns pontos cujos significados são:

• 1: Substância no estado sólido está sofrendo um aquecimento – calor sensível.
• 2: Substância mudando do estado sólido para o estado líquido, processo de fusão – calor latente de fusão.
• 3: Substância no estado sólido está sofrendo aquecimento – calor sensível.
• 4: Substância mudando do estado líquido para o estado gasoso, proceso de vaporização – calor latente de vaporização.

Para saber mais detalhes sobre a curva de aquecimento, clique aqui.

Trocas de calor

As trocas de calor ocorrem quando colocamos em contato dois ou mais corpos a diferentes temperaturas, sendo que o fluxo de calor ocorrerá do corpo de maior temperatura em direção ao corpo de menor temperatura, em sistemas isolados. Esse processo continuará ocorrendo até que ambos atinjam o equilíbrio térmico, ou seja, possuam a mesma temperatura. Saiba mais detalhes sobre as trocas de calor clicando aqui.

Exercícios resolvidos sobre calorimetria

Questão 1

(UFPR) Para aquecer 500 g de certa substância de 20 ºC para 70 ºC, foram necessárias 4000 calorias. A capacidade térmica e o calor específico valem respectivamente:

A) \(8 cal/ ºC \ e\ 0,08 \frac{cal}{g °C}\)

B) \(80 cal/ ºC \ e\ 0,16 \frac{cal}{g °C}\)

C) \(90 cal/ ºC \ e\ 0,09 \frac{cal}{g °C}\)

D) \(95 cal/ ºC \ e\ 0,15 \frac{cal}{g °C}\)

E) \(120 cal/ ºC \ e\ 0,12 \frac{cal}{g °C}\)

Resolução:

Alternativa B.

Primeiro, calcularemos a capacidade térmica, através da sua fórmula:

\(C=\frac{Q}{∆T}\)

\(C=\frac{4000\ }{70-20}\)

\(C=\frac{4000\ cal}{50}\)

\(C=80\ cal/°C\)

Por fim, calcularemos o calor específico através da sua fórmula:

\(4000\ =\ 500\cdot c\cdot50\)

\(4000\ =\ 25000\cdot c\)

\(\frac{4000}{25000}\ =\ c\)

\(0,16\frac{cal}{g °C }= c\)

Questão 2

(Ufla) Uma barra de ferro homogênea é aquecida de 10 ºC até 60 ºC. Sabendo-se que a barra a 10 ºC tem um comprimento igual a 5 m e que o coeficiente da dilatação linear do ferro é igual \(1,2\cdot{10}^{-6}\ °C-1\), podemos afirmar que a variação de dilatação ocorrida e o comprimento final da barra foram de:

A) 5,0∙10^-4 m ; 5,0005 m

B) 2,0∙10^-4 m ; 5,0002 m

C) 4,0∙10^-4 m ; 5,0004 m

D) 3,0∙10^-4 m ; 5,0003 m

E) 6,0∙10^-4 m ; 5,0006 m

Resolução:

Alternativa D.

Primeiramente, calcularemos a variação de comprimento dilatado a partir da fórmula da dilatação linear:

\(∆L=L_O\cdot\alpha\cdot∆T\)

\(∆L=L_O\cdot\alpha\cdot(T_F-T_I)\)

\(∆L=5\cdot1,2\cdot{10}^{-6}\ \cdot(60-10)\)

\(∆L=6\cdot{10}^{-6}\ \cdot(50)\)

\(∆L=300\cdot{10}^{-6}\)

\(∆L=3\cdot{10}^2\cdot{10}^{-6}\)

\(∆L=3\cdot10^{2-6}\)

\(∆L=3\cdot 10^{-4}m\)

Por fim, calcularemos o comprimento final, em que a variação do comprimento dilatado é dado pela diferença entre comprimento final e o comprimento inicial:

\(∆L=L_F-L_O\)

\(3\cdot{10}^{-4}=L_F-5\)

\(3\cdot{10}^{-4}+5=L_F\)

\(0,0003+5=L_F\)

\(5,0003\ m=L_F\)

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica (vol. 2). 10. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2016.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). Editora Blucher, 2015.