Calorimetria

Por Francisco José Correia de Alencar
A área da física que estuda a energia térmica em transição (calor) é chamada de Calorimetria. Leia abaixo os principais conceitos. Veja também alguns exercícios de calorimetria.

Calor - energia em trânsito

Vamos supor que, num sistema isolado (sistema fechado que não perde nem absorve energia em relação ao exterior), foram colocados dois blocos. O bloco A, a temperatura de 200ºC, e o bloco B, a temperatura de 20°C, como está representado na figura:

A Lei Zero da Termodinâmica garante que, com o decorrer do tempo, a temperatura do bloco A diminui enquanto a temperatura do bloco B aumenta, até que ambos atinjam a mesma temperatura no equilíbrio térmico. Como o sistema é isolado, pode-se explicar esse fenômeno admitindo-se que parte da energia interna do bloco A foi transferida para o bloco B. A essa energia que se transfere de um corpo a outro, devida apenas à diferença de temperatura entre eles, chamamos calor ou energia térmica.

Unidade de Calor

Calor é energia. Portanto, no SI, a unidade de calor ou de quantidade de calor, cujo símbolo é Q, é a própria unidade de energia – o joule. Outra unidade prática é mais familiar – a caloria – será definida mais adiante.

Capacidade calorífica (Capacidade térmica)

Quando dois ou mais corpos cedem ou absorvem quantidades iguais de calor, a variação de temperatura por eles sofrida é, em geral, diferente uma da outra. Essa relação dá origem ao conceito de capacidade calorífica (C) de um corpo. Se um corpo cede ou recebe uma quantidade de calor Q e sua temperatura sofre uma variação ΔT, a capacidade calorífica (C) desse corpo é, por definição, a razão:

No SI, as unidades da capacidade calorífica são joule por kelvin (J/K) ou joule por graus Celsius (J/°C). Como a variação de temperatura de 1°C é igual à variação de temperatura de 1K, ambas as unidades são equivalentes.

A capacidade calorífica é constante para determinado corpo. Existem recipientes projetados especialmente para a realização de ensaios experimentais para a realização de ensaios experimentais que envolvem troca de calor – os calorímetros. Para esses recipientes, a capacidade calorífica costuma ser previamente determinada.

Calor específico

Observe as figuras:

Vamos supor que os blocos B1 e B2 representados nas figuras sejam constituídos da mesma substância e tenham massas m1 e m2. Verifica-se experimentalmente que, aquecidos durante um mesmo intervalo de tempo, na mesma fonte de calor, o bloco de maior massa sofre menor variação de temperatura e vice-versa.

Assim, se a massa m1 do bloco B1 é duas, três ou n vezes maior que a massa m2 do bloco B2, a capacidade calorífica C1 do bloco B1 é duas três ou n vezes maior do que a capacidade calorífica C2 do bloco B2. Em outras palavras, a capacidade calorífica (C) de corpos constituídos da mesma substância é diretamente proporcional à massa (m) de cada corpo. Podemos, portanto escrever:

C = mc

onde c é uma constante de proporcionalidade que depende da substância de que é constituído o corpo. Essa constante é, por definição, chamada de calor específico dessa substância.

O conceito de calor específico permite obter expressões mais abrangentes para a quantidade de calor, pois não nos restringimos mais a corpos determinados, mas a substâncias. Assim, substituindo a relação C = mc na expressão Q = CΔT, podemos obter a expressão:

Q = mcΔT

que permitem determinar a quantidade de calor Q absorvida pelo corpo de massa m, constituído por determinada substância de calor específico c quando sofre acréscimo de temperatura ΔT.

As unidades de calor específico no SI são, portanto, J/kg . °C ou J/ kg . K.

Caloria e calor específico

A água é uma das substâncias de maior calor específico que existem, o que traz consequências importantes para a nossa vida, sobretudo do ponto de vista meteorológico. A água é também a substância padrão que define a unidade de calor mais utilizada na prática – a caloria.

Como qualquer forma de energia, o calor pode ser medido pelo trabalho que ele é capaz de realizar. E, dos trabalhos realizados pelo calor, o mais fácil de medir é a variação de temperatura que ele provoca em determinado corpo ou substância. Dessa forma, utilizando-se a água como substância padrão, foi definida a caloria:

1 caloria (cal) é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 g de água de 1 °C no intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C.

A relação entre caloria e joule foi determinada por Joule numa das experiências mais importantes da história da física. Essa experiência tornou evidente que calor é energia e estabeleceu o equivalente mecânico do calor, nome dado à relação entre caloria e joule:

1 cal = 4,186 J

Trocas de calor

Já vimos que dois ou mais corpos a temperaturas diferentes, formando um sistema isolado, tendem a atingir a mesma temperatura.

Quando isso ocorre, costuma-se dizer que esses corpos trocam calor. Como calor é energia, o Princípio da Conservação da Energia garante que a energia total envolvida nesse processo é constante. Além disso, se um corpo cede calor e não muda de fase, a sua temperatura final (t) torna-se menor que a inicial (t0). Portanto, a variação de temperatura (Δt = t – t0) e a quantidade de calor cedida (Qc) são negativas. Por raciocínio análogo, quando o corpo recebe calor, a variação da temperatura e a quantidade de calor recebida (Qr) são positivas. Veja o esquema:

Assim, se o sistema for isolado e houver apenas trocas de calor entre os seus constituintes, a soma algébrica das quantidades de calor cedidas (ΣQc) e recebidas (ΣQr) deve ser nula:

ΣQc + ΣQr = 0

Essa é uma consequência imediata do Princípio da conservação da Energia. Qualquer resultado diferente de zero indicaria a perda ou o ganho de energia, o que contraria esse princípio.

Mudança de fase e calor latente

Vejamos, agora, o caso em que cedemos calor a um corpo e não há variação de temperatura.

Neste caso todo o calor é utilizado no trabalho de separação das moléculas vencendo a força de coesão e produzindo uma mudança de estado, a temperatura constante. Esta quantidade de calor que produz mudança de estado a temperatura constante é chamada calor latente.

Quando a substância está mudando de fase, verifica-se que a razão entre a quantidade de calor transferida (Q) e a massa (m) que mudou de fase dessa substância é constante. Essa constante, denominada calor latente (L), é definida pela razão

L = Q/m

logo:

Q = mL

O valor da constante L, cuja unidade no SI é J/kg, depende da substância e da correspondente mudança de fase: o calor latente de fusão ou solidificação da água é 3,33 . 105 J/kg, enquanto o calor latente de condensação ou vaporização é                 2,26 . 106 J/kg.

Bibliografia:
GASPAR, Alberto. Física - Volume Único. Editora Ática.