Unidade 02: Calorimetria

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Aula 04​ - Calor específico

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1) Aquecendo massas diferentes de uma mesma substância:

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Provavelmente você já deve ter percebido que, quando colocamos uma quantidade de água para ferver, quanto mais água colocarmos, mais tempo demorará para ela ferver. Se tivermos duas porções de água de massas diferentes submetidas a mesma fonte de calor (por exemplo, a mesma boca do fogão), vemos que a porção que tiver menor quantidade se aquecerá primeiro.

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Isso significa que, quanto maior a massa, mais energia em forma de calor temos que oferecer para produzir a mesma variação de temperatura. Logo, a massa é um fator importante.

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2) Aquecendo massas iguais de substâncias diferentes:

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Agora, vamos trabalhar com substâncias diferentes. Se formos aquecer a mesma quantidade de água e óleo, por exemplo, certamente um irá ferver primeiro que o outro. Se colocarmos 1 litro de água para ferver e medirmos o tempo, após isso, colocarmos 1 litro de óleo na mesma boca de fogão, e fôssemos medir o tempo, veríamos que o óleo ferveria mais rápido.

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Isso significa que, substâncias diferentes precisam de quantidades de energia diferentes para produzir a mesma variação de temperatura. Logo, o tipo de substância é um fator importante.

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Mais a frente falaremos novamente como o fator massa é importante, agora vamos focar nessa propriedade que faz com que substâncias diferentes se aqueçam de forma diferente, mesmo quando submetidas à mesma fonte de calor. Essa propriedade recebe o nome de calor específico.

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Calor específico (c)

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Calor específico é definido como uma grandeza física intensiva (que não depende da quantidade de material) que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor. Mas o que isso quer dizer?​

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Basicamente, que cada substância ao receber uma determinada quantidade de calor, varia sua temperatura de maneira diferente, e que o calor específico é essa propriedade que indica o quão difícil ou fácil é variar a temperatura da substância.

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Você pode encontrar outra definição para calor específico:

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Calor específico é a quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC, 1 grama de uma substância. 

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Essa é a definição que comumente é encontrada na maioria dos livros didáticos. Mais saiba que é a mesma coisa que tratamos lá em cima.

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Abaixo, o calor específico de algumas substâncias:

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O calor específico também muda com o estado físico da substância. Por exemplo, precisamos fornecer quantidades diferentes de calor para aquecer um litro de gelo e um litro de água.

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O calor específico também muda com o estado físico da substância. Por exemplo, precisamos fornecer quantidades diferentes de calor para aquecer um litro de gelo e um litro de água.

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A tabela acima nos indica que, se tivermos a mesma quantidade de água e gelo, é mais fácil aquecer gelo do que a água no estado líquido. 

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Modelizando as trocas de calor

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Temos que:

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1) Quanto maior a quantidade de massa, maior a quantidade de energia para variar a temperatura de uma substância. Seja Q a quantidade de calor, temos que Q é proporcional à quantidade de massa (m).

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2) Quanto maior o calor específico, maior a quantidade de energia para variar a temperatura de uma substância. Seja Q a quantidade de calor, temos que Q é proporcional ao calor específico (c).

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3) Quanto maior a variação de temperatura, maior a quantidade de calor que devemos fornecer ou retirar de uma substância. 

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Juntando todos os termos, ficamos com:

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Q = cm∆T

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Vamos fazer alguns exemplos:

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1) Qual a quantidade de calor que se deve fornecer a um corpo de 250g de ferro (c = 0,12 cal/gºC) para que sua temperatura aumente de 20ºC para 220ºC?

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R: Queremos saber o valor da quantidade de calor (Q).

Temos:

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m = 250g

c = 0,12 cal/gºC

Ti = 20ºC (inicial)

Tf = 220ºC (final)

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Aplicando na equação:

Q = cm∆T

Q = (250g)(0,12 cal/gºC)(200ºC)

Q = 6000 cal

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2) Se cada grama de um metal absorve 30 cal para elevar sua temperatura de 24ºC para 624ºC, qual o calor específico desse material?

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R: Queremos saber o valor do calor específico (c).

Temos:

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Q = 30 cal

m = 1g

∆T = 624ºC - 24ºC = 600ºC

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Aplicando na equação:

Q = cm∆T

c = Q/m∆T

c = (30cal) / (1g)(600ºC)

c = 0,05 cal/gºC

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3) A seguir, temos uma curva de aquecimento de um corpo que recebeu calor de uma fonte de potência 100 cal/min. Sabe-se que o calor específico valo 0,20 cal/gºC. Determine a massa desse corpo.

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R: Queremos saber a massa (m).

Temos pelo enunciado do problema:

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Potência da fonte = 100 cal/min

c = 0,20 cal/gºC

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Olhando o gráfico temos que:

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O corpo ficou aquecendo por 25 min.

Ti = 40ºC

Tf = 90ºC

∆T = Tf - Ti = 50ºC

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Para resolvermos o problema precisamo encontrar Q.

Para isso, usamos a potência da fonte x tempo de aquecimento:

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Q = P x t = 100 cal/min x 25 min = 2500 cal

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Usando a equação:

Q = cm∆T

m = Q / c∆T

m = (2500 cal) / (0,20 cal/gºC)(50ºC)

m = (2500 cal) / (10 cal/g)

m = 250g

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