Unidade 02: Calorimetria

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Aula 07​ - Calor latente

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Até o momento, estávamos falando sobre quantidades de calor que apenas alteravam a temperatura de um corpo ou substância. No entanto, temos situações onde há mudança de fase, e nesse momento, o calor fornecido não produzirá alteração de temperatura, mas a própria mudança de fase.

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Em calorimetria, cada uma dessas situações está relacionada com um tipo diferente de calor: calor sensível e calor latente. Ambos são energia transferida entre corpos, no entanto, enquanto uma está relacionada com mudança no grau de movimentação das moléculas (energia cinética), o outro está relacionado com mudança de posição das moléculas dentro do sistema (energia potencial). Vamos ver melhor a diferença entre eles:

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1. Calor sensível

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Forma de energia associada a uma variação de temperatura. ​Quando aquecemos ou resfriamos uma substância, estamos fornecendo ou retirando energia dessa, e isso modifica sua temperatura.

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Quando uma substância ganha esse tipo de calor, suas moléculas vibram de maneira mais intensa, o que representa um aumento de temperatura. O contrário, quando retiramos esse tipo de calor de uma substância, suas moléculas vibram menos, logo, sua temperatura diminui.

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Já conhecemos a expressão matemática que relaciona a quantidade de calor sensível com a variação de temperatura:

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Q = c.m.∆T

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Onde:

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Q = quantidade de calor (unidade em J ou cal)

c = calor específico do material (unidade em J/kg.K ou cal/g.ºC)

m = massa (unidade em kg ou g)

∆T = variação da temperatura (unidade em K ou ºC)

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2. Calor latente

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Forma de energia associada a mudança de fase. O termo latente vem do latim latēns, que significa oculto. Esse termo foi usado pela primeira por Joseph Black, um físico e químico escocês que descobriu o dióxido de carbono. 

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Em 1761 Black observou que, ao oferecer calor a uma amostra de gelo (quando essa já estava no ponto de fusão), isso não gerava uma variação de sua temperatura, mas um aumento de água que provinha do derretimento da amostra de gelo. Observou também, que, quando oferecia calor a uma amostra de água que estava na temperatura de ebulição, esse calor não gerava aumento da temperatura da amostra, mas um aumento da quantidade de vapor. 

 

Black concluiu que o calor oferecido deveria de alguma forma se combinar com as moléculas, isto é, essa energia iria para as moléculas de gelo ou de água de uma maneira diferente, de forma a não ser observada diretamente através da varição de temperatura. A teoria de Black do calor latente é a sua contribuição cientifica mais importante, e onde repousa sua fama cientifica. Ele também demonstrou que diferentes substancias tem diferentes calores específicos.

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Logo, temos que: ao oferecermos ou retiramos calor a uma substância que está a ponto de mudar de fase, essa energia não será distribuída para aumentar ou diminuir a agitação das moléculas, mas para mudar sua configuração estrutural. Isso quer dizer que, o calor latente modifica a interação entre as moléculas, afastando-as ou aproximando-as, e isso está ligado com a energia potencial do sistema. Definimos, então:

 

Calor latente é uma grandeza física relacionada com a quantidade de calor necessária por unidade de massa, que uma substância precisa ganhar ou perder para mudar de fase.

 

L = Q / m

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Onde:

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L = calor latente (unidade em J/kg ou cal/g)

Q = quantidade de calor (unidade em J ou cal)

m = massa (unidade em kg ou g)

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Dessa forma, podemos calcular a quantidade de calor que uma substância deve ganhar ou perder para mudar de fase, reorganizando a expressão acima:

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Q = m.L

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É importante ressaltar que:

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Quando o sistema está mudando de fase, a quantidade de calor oferecida ou retirada não produzirá alteração de temperatura até que toda substância tenha mudado completamente de fase.

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2.1 Diferentes calores latente

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Como temos diversas mudanças de fase, a cada mudança temos um calor latente diferente.

Quando a substância passa do estado sólido para o líquido (fusão), temos o calor latente de fusão. Quando a substância passa do estado líquido para o gasoso (ebulição ou vaporização), temos o calor latente de vaporização. E para os processos contrários, também há calores latentes. Observe:

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LF = calor latente de fusão

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LS = calor latente de solidificação

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LV = calor latente de vaporização

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LL = calor latente de liquefação

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Entre os processos contrários de mudança de fase, há a seguinte relação:

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LF = - LS

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LV = - LL

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Exemplo:

Para a água, o calor latente de fusão é ​LF = 80 cal/g. Já o calor latente de solidificação é LS = - 80 cal/g.

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3. Análise gráfica

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Podemos representar graficamente a variação de temperatura e a mudança de fase de uma substância. Podemos encontrar gráficos que relacionem variação de temperatura com a quantidade de calor ou gráficos que relacionem variação de temperatura com o tempo. Observe abaixo:

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Curvas de aquecimento:

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Ambos os gráficos tem as mesmas características. Regiões onde a reta está subindo, há um aumento de temperatura. Já as mudanças de fase estão nas retas paralelas ao eixo horizontal, e pode ser observado que não há mudança de temperatura nesses momentos. 

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Curvas de resfriamento:

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Novamente, podemos ver que, nas regiões onde há uma reta decrescente, há uma queda na temperatura, no entanto, quando há mudança de fase, a temperatura permanece constante.

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3.1 Relação entre gráfico e calor sensível e latente:

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Vamos pegar uma curva de aquecimento para dar um exemplo:

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Observe o primeiro trecho, onde a substância está no estado sólido. Conforme a quantidade de calor cresce (indo para direita), sua temperatura aumenta. Isso significa que estamos tratando de calor sensível. Se tivermos que usar uma expressão matemática, para relacionar o calor com a variação de temperatura, usaremos:

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Q = c.m.∆T

(aquecimento no estado sólido)

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Na sequência, temos uma mudança de fase (fusão), e nesse momento, há uma coexistência de dois estados físicos, pois a substância está passando do estado sólido para o líquido e isso não acontece de maneira instantânea. Logo, como há mudança de estado físico, estamos tratando de calor latente de fusão. Logo, matematicamente estaremos trabalhando com a expressão:

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Q = m.LF

(passagem do estado sólido para o líquido)

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Após passar completamente do estado sólido para o líquido, há um novo aumento de temperatura até que a substancia atinga uma temperatura para mudar de fase novamente. Nesse trecho onde há aumento de temperatura, trabalhamos com o calor sensível novamente.

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Q = c.m.∆T

(aquecimento no estado líquido)

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Quando a substância atinge a temperatura necessária para passar do estado líquido para o gasoso, vamos ter uma mudança de fase e estaremos tratando de calor latente de vaporização:

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Q = m.LV

(passagem do estado líquido para o gasoso)

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Finalmente, após passar completamente para o estado gasoso, haverá um aumento de temperatura e, estaremos tratando novamente de calor sensível.

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Q = c.m.∆T

(aquecimento no estado gasoso)

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Atente para o seguinte detalhe: em cada estado físico diferente, uma mesma substância poderá ter valores diferentes para seu calor específico (c).

 

Por exemplo:

A água no estado sólido tem calor específico igual a 0,50 cal/g.ºC, já no estado líquido, vale 1,0 cal/g.ºC.

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