Calorimetria é uma área de estudo da Física que sempre aparece nas provas de vestibular. Por isso, dominar esse assunto é super importante principalmente para quem deseja ser aprovado em uma instituição de ensino superior.
Entenda mais sobre este conceito, aprenda a usar as fórmulas e veja alguns exemplos para compreender essa matéria de forma simples!
O que é Calorimetria?
A calorimetria é a ciência que estuda a quantidade de calor transferida entre os corpos quando há uma diferença de temperatura entre eles.
O principal objetivo desta área de estudo é determinar a quantidade de calor envolvida em uma mudança de temperatura e como ele pode ser aproveitado ou controlado em diversas aplicações.
Conceitos Básicos da Calorimetria
Calor: O calor é a energia térmica em trânsito de um corpo para outro, sempre se movendo do corpo mais quente para o mais frio. Ele pode causar mudanças na temperatura e no estado físico das substâncias.
Capacidade Térmica: A capacidade térmica de um corpo é a quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura em uma unidade. É uma propriedade extensiva que depende da massa e do material do objeto. Ela é dada pela seguinte fórmula:
C = QT ou C = m.c
Q: Quantidade de calor (J ou cal)
m: Massa do corpo (kg ou g)
c: Calor específico (J/kg.K ou cal/gºC)
ΔT: Variação de temperatura (K ou ºC)
Calor Específico: O calor específico de uma substância é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de uma unidade de massa dessa substância em uma unidade de temperatura. Cada material possui o seu próprio, e ele é uma propriedade intensiva.
Transferência de calor
A transferência de calor pode ocorrer de três formas: condução, convecção e radiação.
Condução: É a transferência de calor em meios sólidos. Nesse processo, as partículas mais energéticas das regiões mais quentes transferem sua energia cinética para as partículas adjacentes, até que a temperatura se iguale.
Convecção: Acontece em meios fluidos, como líquidos e gases. O calor é transferido através do movimento do próprio fluido. À medida que o fluido mais quente se expande e se torna menos denso, ele sobe, enquanto o fluido mais frio desce para ocupar seu lugar, criando um movimento em forma de correntes.
Radiação: É a transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, como a luz do Sol. Essas ondas não necessitam de um meio material para se propagarem, podendo transferir calor através do vácuo.
Unidades de medida do calor
A quantidade de calor pode ser medida em diferentes unidades. Duas das mais comuns são a caloria e a joule.
Caloria: É a quantidade de calor necessária para elevar em 1°C a temperatura de 1 grama de água. Uma caloria equivale a aproximadamente 4,18 joules.
Joule: É a unidade padrão do Sistema Internacional de Unidades (SI) para medir energia e calor. 1 joule é a energia transferida quando uma força de 1 newton atua sobre um objeto e o desloca em 1 metro.
Tipos de calor
O calor é uma forma de energia térmica que pode se manifestar de diferentes maneiras: calor sensível e calor latente. Compreender essas duas formas de energia térmica é fundamental para entendermos como a energia é absorvida ou liberada durante processos de aquecimento, ou resfriamento de substâncias, e como isso afeta suas propriedades físicas.
O calor sensível é a forma mais comum de calor que estamos familiarizados em nosso dia a dia. Ele está associado a mudanças de temperatura de uma substância sem que haja mudança de fase.
Quando adicionamos calor a uma substância, sua temperatura aumenta, e quando removemos calor, sua temperatura diminui. Essa mudança de temperatura é proporcional à quantidade de calor adicionada ou removida, e a relação entre elas é governada pela capacidade térmica da substância. Um exemplo cotidiano de calor sensível é aquecer água para ferver.
A equação para calcular o calor sensível é dada por:
Q = m * c * ΔT
Onde:
Q: calor sensível (em joules ou calorias)
m: massa do material (em gramas ou quilogramas)
c: capacidade térmica específica do material (em J/g°C ou cal/g°C)
ΔT: variação de temperatura (em °C)
Calor Latente
Ao contrário do calor sensível, o calor latente está associado a mudanças de fase de uma substância, ou seja, quando ela passa de um estado físico para outro, como sólido para líquido ou líquido para gasoso, sem que sua temperatura se altere.
Durante essas mudanças de fase, a energia térmica é absorvida ou liberada, mas não resulta em mudanças de temperatura. A quantidade de calor latente envolvida nessas mudanças é específica para cada substância e depende do tipo de fase em transição. Um exemplo comum de calor latente é a fusão do gelo, onde a adição de calor transforma o gelo sólido em água líquida, sem que sua temperatura aumente.
O calor latente pode ser calculado pela seguinte equação:
Q = m * L
Onde:
Q: Quantidade de calor (em joules ou calorias)
m: massa do material (em gramas ou quilogramas)
L: Calor latente específico da substância (em J/g ou cal/g)
Mudança de Estado
As mudanças de estado são processos físicos que ocorrem quando uma substância passa de um estado físico para outro, como sólido, líquido ou gasoso. Essas mudanças estão relacionadas ao fornecimento ou remoção de energia térmica, resultando em transformações notáveis nas propriedades da substância.
Fusão
A fusão é a mudança de estado que ocorre quando uma substância passa do estado sólido para o estado líquido. Para que isso aconteça, é necessário fornecer energia térmica suficiente para romper as forças de atração entre as partículas do sólido, permitindo que elas se movam mais livremente no estado líquido.
O ponto em que a fusão ocorre é chamado de ponto de fusão, e é uma propriedade específica de cada substância.
Exemplo:
Aquecer um cubo de gelo, transformando-o em água líquida.
Vaporização
A vaporização é a mudança de estado que ocorre quando uma substância passa do estado líquido para o estado gasoso. Isso pode acontecer em dois processos distintos: evaporação e ebulição.
Na evaporação, as partículas da superfície líquida ganham energia suficiente para escapar do líquido e se tornar vapor. Já a ebulição ocorre quando toda a massa líquida atinge uma temperatura específica, chamada de ponto de ebulição, e entra em ebulição, formando bolhas de vapor em todo o líquido. A vaporização é um processo endotérmico, ou seja, requer o fornecimento de energia térmica.
Exemplo:
Água em uma panela entra em ebulição durante o processo de fervura.
Sublimação
A sublimação é a mudança de estado direta entre os estados sólido e gasoso, sem passar pelo estado líquido intermediário. Isso acontece quando a substância recebe energia térmica suficiente para que as partículas do sólido saltem diretamente para o estado gasoso, ou, inversamente, quando o vapor condensa e se deposita diretamente no sólido.
Exemplo:
Gelo seco (dióxido de carbono sólido), que ao ser exposto ao ar, passa diretamente para o estado gasoso sem derreter.
Fluxo de Calor e Propagação de Calor
Fluxo de calor
O fluxo de calor refere-se à quantidade de energia térmica que é transferida através de um material ou substância em uma direção específica. Ele é regido pela Lei da Condução do Calor e ocorre principalmente em materiais sólidos, líquidos e gases, onde as partículas transferem sua energia térmica para as partículas vizinhas por meio de colisões ou vibrações.
Ele é é influenciado pela condutividade térmica do material, que indica a sua capacidade de conduzir calor. Podemos calcular esse fluxo de calor usando a seguinte fórmula:
ϕ:= Qt
Onde:
ϕ: fluxo de calor (J/s)
Q: quantidade de calor (J ou cal).
Δt: intervalo de tempo (s)
Propagação de calor
A propagação de calor refere-se à dispersão da energia térmica por diferentes meios, como condução, convecção e radiação. Ela pode ocorrer em qualquer meio, incluindo sólidos, líquidos e gases, e até mesmo no vácuo, onde a propagação é principalmente por meio de radiação térmica.
Esse processo permite que o calor se espalhe para áreas mais frias, buscando o equilíbrio térmico. A propagação de calor é essencial para o aquecimento e resfriamento de ambientes, sistemas de aquecimento e ar condicionado, bem como a formação de correntes de convecção em líquidos e gases.
Substância Azeotrópica e Eutética
No estudo da química, encontramos diversos tipos de misturas que podem se comportar de maneira peculiar em relação ao ponto de fusão e ebulição. Duas dessas misturas são conhecidas como substância azeotrópica e eutética.
Substância Azeotrópica
A substância azeotrópica é uma mistura de dois ou mais componentes que possui um ponto de ebulição constante, o que significa que sua composição não se altera durante a vaporização. Isso ocorre porque a mistura possui uma proporção específica entre os componentes que resulta em uma pressão de vapor constante.
Dessa forma, a destilação simples não é capaz de separar os componentes da mistura, uma vez que eles evaporam juntos.
Características:
Ponto de ebulição constante.
Composição constante durante a ebulição.
Não pode ser separada por destilação simples.
Exemplos:
Um exemplo conhecido de substância azeotrópica é a mistura de álcool etílico (etanol) e água. Quando essa mistura possui 95,6% de etanol e 4,4% de água, ela forma um azeótropo que possui um ponto de ebulição de 78,2 °C. Isso significa que, durante a destilação, essa mistura irá evaporar na mesma proporção, não permitindo a separação completa dos componentes.
Substância Eutética
A substância eutética é uma mistura de dois ou mais componentes que possui um ponto de fusão constante, o que significa que sua composição não se altera durante a solidificação. Essa mistura é caracterizada por solidificar a uma temperatura mais baixa do que os pontos de fusão individuais dos componentes isolados.
Características:
Ponto de fusão constante.
Composição constante durante a solidificação.
Solidificação a uma temperatura mais baixa do que os pontos de fusão individuais dos componentes.
Exemplos:
Um exemplo de substância eutética é a mistura de estanho e chumbo conhecida como solda para eletrônica. Essa mistura possui uma composição específica de 63% de estanho e 37% de chumbo, que solidifica a uma temperatura de 183 °C. Nessa proporção, a mistura forma uma liga com ponto de fusão mais baixo do que os pontos de fusão individuais de estanho (231,9 °C) e chumbo (327,5 °C), tornando-a ideal para soldagem.
