Calorimetria

A calorimetria é a ciência que estuda as trocas de calor entre corpos ou sistemas. Um dos principais conceitos em calorimetria é o calor sensível, que é a quantidade de calor que provoca uma variação na temperatura de um corpo, sem mudar seu estado físico. A fórmula básica para calcular o calor sensível é:

Onde:

•  Q  é a quantidade de calor (em joules, J).

•  m  é a massa do corpo (em quilogramas, kg).

•  c  é o calor específico do material (em J/kg°C).

• ΔT  é a variação de temperatura (em °C).

Além disso, há o calor latente, que é o calor necessário para mudar o estado físico de uma substância (como de sólido para líquido, ou de líquido para gasoso) sem alterar sua temperatura. O cálculo do calor latente é dado por:

Onde:

•  Q  é a quantidade de calor.

•  m  é a massa do corpo.

•  L  é o calor latente do material (em J/kg).

Em um sistema isolado, a soma das quantidades de calor trocadas é zero, ou seja, o calor perdido por um corpo é igual ao calor ganho pelo outro. Este princípio é conhecido como princípio da conservação da energia.

A calorimetria é amplamente utilizada em diversas áreas, como na engenharia, química, física e até na medicina, para medir a quantidade de energia envolvida em diferentes processos.

Exercícios

1 - Uma fonte de calor produz uma elevação de 20 °C para 40 ° C na temperatura de uma barra de ferro de massa 500 g. Sabendo que o calor específico do ferro é igual a 0,12 cal/g °C, calcule a quantidade de calor recebida pela barra.

Resolução:

2 - Determine a quantidade de calor necessária para derreter 200 g de gelo a 0°C.

Dado: L = 80cal/g.

Resolução:

m = 200 g

ou

3 - Calcule a quantidade de calor trocada por 400 gramas de cobre (c = 0,093 cal/g °C)
quando a sua temperatura varia de:

a) 20 °C a 300 °C;

b) 135 °C a – 5 °C.

Resolução:

a)

b)






4 - A temperatura de um corpo de massa 300 g varia de 10 °C a 30 °C quando recebe 200 cal. Determine:

a) O calor específico do corpo;

b) Sua capacidade térmica.

Resolução:
a)

b)

5 - O calor específico do ferro é igual a 0,110 cal/g°C. Determine a temperatura final de uma massa de 400g de ferro à temperatura de 20°C, após ter cedido 500 cal.

Resolução

(Cedeu calor: Q < 0)

6 - (UERJ) O gráfico abaixo indica o comportamento térmico de 10 g de uma substância que, ao receber calor de uma fonte, passa integralmente da fase sólida para a fase líquida.

O calor latente de fusão dessa substância, em cal/g, é igual a:

a) 70.         b) 80.          c) 90.          d) 100.

Resolução:

Na fase líquida:

7 - No exercício anterior, qual é o calor específico da substância no estado sólido?

Resolução:

Escalas termométricas

As escalas termométricas são sistemas de medição usados para quantificar a temperatura de um corpo ou ambiente. Elas estabelecem pontos de referência para medir o calor e são fundamentais na física, química e engenharia térmica.

Principais escalas termométricas:

Celsius (°C): Baseada no ponto de congelamento da água (0°C) e no ponto de ebulição da água (100°C) ao nível do mar. É amplamente usada em países ao redor do mundo.

Fahrenheit (°F): Utilizada principalmente nos Estados Unidos. O ponto de congelamento da água é 32°F e o de ebulição é 212°F.

Kelvin (K): Baseada no zero absoluto, o ponto em que as partículas têm energia mínima. O zero absoluto equivale a – 273,15°C. Essa escala é amplamente usada em física e ciências avançadas.

Fórmulas de conversão:

Variações de temperaturas:

Exercícios

1 – Em Plutão, um dos corpos mais afastado do Sistema Solar, a temperatura chega a – 364 °F. Essa temperatura na escala Celsius é:

a.( ) – 220 °C           b. ( ) – 320 °C             c. ( ) – 101 °C               d. ( ) – 400 °C

Resolução:

2 – Qual a temperatura na escala Kelvin que corresponde a 203 °F?

Resolução:

3 – Qual é a indicação da escala Fahrenheit que corresponde 298 K?

Resolução:

4 – Um estudante, no laboratório de Física, mediu a temperatura de um metal obtendo 205 °C. Essa temperatura na escala Fahrenheit será:

a. (    ) 30 °F             b. (    )  401 °F           c. (    )  800 °F              d. (    )  102 °F

Resolução:

5 – Num termômetro graduado na escala Celsius, houve uma variação de 10 graus. Qual será a variação correspondente na escala:

a) Fahrenheit?                                                                 
b) Kelvin?

Resolução:

6 – (FIA-SP) Um termômetro foi graduado segundo uma escala arbitrária X, de tal forma que as temperaturas 10 °X e 80° X correspondem a 0° C e 100 °C, respectivamente. A temperatura em X que corresponde a 50°C é:  

a.(   ) 40°X                      b. (   ) 45°X                       c. (   ) 50°X                      d. (   ) 55°X

Resolução:

Escala X                Escala C

Calculando a razão:

Simplificando as frações:

Fazendo C = 50^o:

Dilatação linear

1 – Um trilho de aço, de comprimento inicial de 20 m, à temperatura de 10° C é aquecido até 60° C. Sendo o coeficiente linear do aço igual a 12・10 ^{- 6} °C ^{- 1}, determine:

a) a dilatação linear do trilho;

b) o comprimento final do trilho

Respostas:

2 – Qual é o coeficiente de dilatação linear de um fio metálico, sabendo-se que a – 20 °C, seu comprimento é 5 m e a 40° C seu comprimento é 5,00084 m?

Transformações gasosas

1 - Um gás ocupa 10 litros de volume, sob pressão de 6 atm. Ao sofrer expansão isotérmica, seu volume passa a 12 litros. Calcule sua nova pressão.

Resolução:

2 - Uma determinada massa de gás ocupa um volume de 10 litros, sob pressão de 1 atm. à temperatura deb 27° C. Qual o volume ocupado pela massa de gás à pressão de 4 atm e temperatura de 87° C?

 Resolução:

3 - Uma certa quantidade de gás ocupa um volume de 3 litros à temperatura de 177° C. A temperatura é reduzida isobaricamente para 27° C. Determine o volume do gás nessa situação.

4 - Determinada massa de um gás, sob pressão de 4 atm, ocupa um volume de 6 litros à temperatura de 300 K. Determinar:

a) a pressão do gás a volume de 12 litros, após sofrer uma transformação isotérmica;

b) a temperatura do gás a volume de 16 litros, após sofrer transformação isobárica;

c) o gráfico da pressão em função do volume.

Resposta: