Calorimetria é a área de estudo da física relacionada à transferência de energia térmica entre corpos. Calor é o nome que se dá à energia térmica transferida entre corpos de diferentes temperaturas. Além disso, existem basicamente duas formas de calor: calor sensível e calor latente, responsáveis por variações de temperatura e mudanças de estado físico, respectivamente.
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O que é calorimetria
A calorimetria permite-nos calcular a quantidade de energia transferida entre corpos de diferentes temperaturas, mas ela vai além disso. Usando os cálculos de calorimetria, é possível determinar-se a temperatura de equilíbrio térmico ou, ainda, descobrir-se quanto gelo é necessário para resfriar uma porção de chá até uma determinada temperatura, entre outras aplicações.
Quando um corpo absorve calor, ele pode sofrer variações em seu tamanho, como no caso da dilatação térmica, das mudanças de temperatura ou, ainda, das mudanças de estado físico. Nos dois primeiros casos, a energia térmica transferida entre os corpos é chamada de calor sensível, no último caso, de calor latente.
Calor sensível
O calor sensível pode ser calculado usando-se a equação fundamental da calorimetria, ilustrada na figura a seguir:
Q – calor
m – massa
c – calor específico
ΔT – variação de temperatura
Ao utilizar a fórmula anterior, é importante prestar bastante atenção nas unidades de medida. Geralmente é possível descobri-las checando o calor específico, caso seja fornecido no enunciado da questão. Por exemplo, se o enunciado do exercício afirma que o calor específico de determinada substância é igual a 0,8 cal/gºC, é possível saber que a unidade de medida de calor é a caloria (cal), a unidade de medida é o grama (g), e a unidade de medida da temperatura é o ºC.
Além desse conjunto de unidades, é possível que o exercício utilize o sistema internacional de unidades, nesse caso, o calor específico será informado na unidade J/kg.K ou J/kg.K, uma vez que a variação de temperatura em celsius é igual à variação de temperatura em kelvin. Vale lembrar que a equivalência entre joules e calorias é tal que 1 cal é igual a 4,184 J.
Calor latente
Calor latente é toda a quantidade de energia térmica que um corpo troca com suas vizinhanças enquanto ele se encontrar numa temperatura em que ocorra uma mudança de estado físico. As mudanças de estado físico são transformações isotérmicas (nas substâncias puras), portanto, o calor absorvido ou cedido durante essas transformações não muda a temperatura da substância, mas somente o estado de agregação de suas moléculas. A fórmula usada para calcular-se o calor latente é mostrada na figura a seguir, confira:
Q – calor latente
m – massa
L – calor latente específico
Trocas de calor e equilíbrio térmico
Quando estiver resolvendo exercícios que envolvam trocas de calor e equilíbrio térmico, é importante lembrar que, em um sistema fechado, a soma dos calores cedidos e absorvidos pelos corpos é sempre nula, isso quer dizer que nenhum calor escapa de um sistema fechado.
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Fórmulas de calorimetria
Vamos conferir as fórmulas mais importantes da calorimetria?
Fórmula do calor sensível, usada quando ocorrem mudanças de temperatura.
Fórmula do calor latente, usada quando ocorrem mudanças de estado físico.
Em um sistema fechado, a soma do calor recebido com o calor absorvido é nula.
Calorimetria no Enem
Questão 1) (Enem) Em 1962, um jingle (vinheta musical) criado por Heitor Carillo fez tanto sucesso que extrapolou as fronteiras do rádio e chegou à televisão ilustrado por um desenho animado. Nele, uma pessoa respondia ao fantasma que batia em sua porta, personificando o “frio”, que não o deixaria entrar, pois não abriria a porta e compraria lãs e cobertores para aquecer sua casa. Apesar de memorável, tal comercial televisivo continha incorreções a respeito de conceitos físicos relativos à calorimetria.
DUARTE, M. Jingle é a alma do negócio: livro revela os bastidores das músicas de propagandas. Disponível em: https://guiadoscuriosos.uol.com.br. Acesso em: 24 abr. 2019 adaptado).
Para solucionar essas incorreções, deve-se associar à porta e aos cobertores, respectivamente, as funções de:
a) Aquecer a casa e os corpos.
b) Evitar a entrada do frio na casa e nos corpos.
c) Minimizar a perda de calor pela casa e pelos corpos.
d) Diminuir a entrada do frio na casa e aquecer os corpos.
e) Aquecer a casa e reduzir a perda de calor pelos corpos.
Gabarito: Letra C
Resolução:
Os cobertores não emitem calor, mas minimizam as perdas de calor pelo corpo, portanto, a alternativa correta é a letra C.
Questão 2) (Enem) Num experimento, um professor deixa duas bandejas de mesma massa, uma de plástico e outra de alumínio, sobre a mesa do laboratório. Após algumas horas, ele pede aos alunos que avaliem a temperatura das duas bandejas, usando para isso o tato. Seus alunos afirmam, categoricamente, que a bandeja de alumínio encontra-se numa temperatura mais baixa. Intrigado, ele propõe uma segunda atividade, em que coloca um cubo de gelo sobre cada uma das bandejas, que estão em equilíbrio térmico com o ambiente, e os questiona em qual delas a taxa de derretimento do gelo será maior.
O aluno que responder corretamente ao questionamento do professor dirá que o derretimento ocorrerá:
a) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem uma maior condutividade térmica que a de plástico.
b) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem inicialmente uma temperatura mais alta que a de alumínio.
c) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem uma maior capacidade térmica que a de alumínio.
d) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem um calor específico menor que a de plástico.
e) com a mesma rapidez nas duas bandejas, pois apresentarão a mesma variação de temperatura.
Gabarito: Letra A
Resolução:
A bandeja de alumínio faz com que o gelo derreta mais rapidamente por conta de sua alta condutividade térmica, portanto, a resposta correta é a letra A.
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Exercícios sobre calorimetria
Questão 1) Em um copo que contém 150 g de água a 25 ºC, despeja-se 50 g de água a 10 ºC. A temperatura de equilíbrio do sistema será, aproximadamente, de:
a) 22,5 ºC
b) 21,3 ºC
c) 18,5 ºC
d) 15,4 ºC
Gabarito: Letra B
Resolução:
Para resolver o exercício, somaremos as quantidades de calor cedida e absorvida com as diferentes porções de água e igualaremos o resultado a zero, confira:
O exercício envolveu o cálculo da temperatura de equilíbrio térmico, que resultou em 21,3 ºC, portanto, a resposta correta é a letra B.
Questão 2) Calcule a mínima quantidade de calor necessária para derreter-se 20 g de gelo que se encontram em uma temperatura de 0 ºC. Dados: LF = 80 cal/g.
a) 40 cal
b) 400 cal
c) 4 cal
d) 1600 cal
Gabarito: Letra D
Resolução:
Uma vez que a porção de gelo já está na temperatura de fusão, ela só precisa receber calor latente para fundir, portanto, se fizermos o cálculo do calor latente, obteremos o seguinte resultado:
Com base no resultado obtido, a resposta correta é a letra D.