Calor absorvido: fórmulas, como calculá-lo e exercícios resolvidos - Ciência - 2023

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Calor absorvido: fórmulas, como calculá-lo e exercícios resolvidos - Ciência
Calor absorvido: fórmulas, como calculá-lo e exercícios resolvidos - Ciência

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o calor absorvido É definido como a transferência de energia entre dois corpos em temperaturas diferentes. Aquele com temperatura mais baixa absorve o calor daquele com temperatura mais alta. Quando isso acontece, a energia térmica da substância que absorve calor aumenta, e as partículas que a compõem vibram mais rapidamente, elevando sua energia cinética.

Isso pode levar a um aumento da temperatura ou a uma mudança de estado. Por exemplo, passe de sólido a líquido, como o gelo, quando derrete em contato com água ou refrigerante em temperatura ambiente.

Graças ao calor, também é possível que os objetos mudem suas dimensões. A expansão térmica é um bom exemplo desse fenômeno. Quando a maioria das substâncias é aquecida, elas tendem a aumentar de tamanho.


Uma exceção a isso é a água. A mesma quantidade de água líquida aumenta seu volume quando esfria abaixo de 4ºC. Além disso, mudanças na temperatura também podem sofrer mudanças em sua densidade, algo também muito observável no caso da água.

Em que consiste e fórmulas

No caso da energia em trânsito, as unidades de calor absorvido são Joules. Porém, durante muito tempo, o calor teve suas próprias unidades: a caloria.

Ainda hoje esta unidade é usada para quantificar o conteúdo energético dos alimentos, embora na realidade uma caloria dietética corresponda a uma quilocaloria de calor.

Calorias

A caloria, abreviada como Lima, é a quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de 1 grama de água.

No século XIX, Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) realizou um famoso experimento no qual conseguiu transformar o trabalho mecânico em calor, obtendo a seguinte equivalência:


1 caloria = 4,186 Joules

Em unidades britânicas, a unidade de calor é chamada Btu (Unidade Térmica Britânica), que é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de meio quilo de água em 1 ° F.

A equivalência entre as unidades é a seguinte:

1 Btu = 252 calorias

O problema com essas unidades mais antigas é que a quantidade de calor depende da temperatura. Ou seja, o necessário para ir de 70ºC a 75ºC não é o mesmo que o necessário para aquecer a água de 9ºC a 10ºC, por exemplo.

Por esse motivo, a definição contempla faixas bem definidas: de 14,5 a 15,5 ° C e 63 a 64 ° F para a caloria e Btu respectivamente.

De que depende a quantidade de calor absorvida?

A quantidade de calor absorvido que um material capta depende de vários fatores:

- Massa. Quanto maior a massa, mais calor é capaz de absorver.

- Características da substância. Existem substâncias que, dependendo de sua estrutura molecular ou atômica, são capazes de absorver mais calor do que outras.


- Temperatura. É necessário adicionar mais calor para obter uma temperatura mais alta.

A quantidade de calor, denotada como Q, é proporcional aos fatores descritos. Portanto, pode ser escrito como:

Q = m.c.ΔT

Onde m é a massa do objeto, c é uma chamada constante calor específico, uma propriedade intrínseca da substância e ΔTé a variação de temperatura obtida pela absorção de calor.

ΔT = TF - Tou

Essa diferença tem sinal positivo, pois ao absorver calor espera-se que TF > Tou. Isso ocorre a menos que a substância esteja passando por uma mudança de fase, como a água passando de líquido para vapor. Quando a água ferve, sua temperatura permanece constante em torno de 100ºC, por mais rápido que ferve.

Como calcular?

Ao colocar dois objetos em contato com temperaturas diferentes, depois de um tempo, ambos alcançam o equilíbrio térmico. As temperaturas então se igualam e a transferência de calor cessa. O mesmo acontece se mais de dois objetos entrarem em contato. Depois de um certo tempo, eles estarão todos na mesma temperatura.

Supondo que os objetos em contato formem um sistema fechado, do qual o calor não pode escapar, aplica-se o princípio da conservação de energia, podendo-se afirmar que:

Q absorvido = - Q rendeu

Isso representa um equilíbrio de energia, semelhante ao das receitas e despesas de uma pessoa. Por esse motivo, o calor transferido tem sinal negativo, pois para o objeto que cede a temperatura final é menor que a inicial. Portanto:

ΔT = TF - Tou < 0

A equação Q absorvido = - Q rendeu é usado sempre que dois objetos estão em contato.

Equilíbrio energético

Para realizar o balanço de energia é necessário distinguir os objetos que absorvem calor daqueles que produzem, então:

Σ Qk=0

Ou seja, a soma dos ganhos e perdas de energia em um sistema fechado deve ser igual a 0.

O calor específico de uma substância

Para calcular a quantidade de calor absorvido é necessário conhecer o calor específico de cada substância participante. Essa é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 g de material em 1ºC. Suas unidades no Sistema Internacional são: Joule / kg. K.

Existem tabelas com o calor específico de muitas substâncias, geralmente calculado com um calorímetro ou ferramentas semelhantes.

Um exemplo de como calcular o calor específico de um material

São necessárias 250 calorias para elevar a temperatura de um anel de metal de 20 para 30 ºC. Se o anel tiver massa de 90 g. Qual é o calor específico do metal em unidades SI?

Solução

As unidades são convertidas primeiro:

Q = 250 calorias = 1046,5 J

m = 90 g = 90 x 10-3 kg

Exercício resolvido

Um copo de alumínio contém 225 g de água e um agitador de cobre de 40 g, tudo a 27 ° C. Uma amostra de 400 g de prata a uma temperatura inicial de 87 ° C é colocada na água.

O agitador é usado para agitar a mistura até atingir sua temperatura de equilíbrio final de 32 ° C. Calcule a massa do copo de alumínio, considerando que não há perda de calor para o ambiente.

Aproximação

Como afirmado anteriormente, é importante distinguir entre objetos que liberam calor daqueles que absorvem:

- O copo de alumínio, o agitador de cobre e a água absorvem o calor.

- A amostra de prata produz calor.

Dados

Os calores específicos de cada substância são fornecidos:

- Prata: c = 234 J / kg. ºC

- Cobre: ​​c = 387 J / kg. ºC

- Alumínio c = 900 J / kg. ºC

- Água c = 4186 J / kg. ºC

O calor absorvido ou transferido por cada substância é calculado usando a equação:

Q = m.c.λT

Solução

Prata

Q rendeu = 400 x 10 -3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J

Agitador de cobre

Q absorvido = 40 x 10 -3 . 387 x (32 - 27) J = 77,4 J

Água

Q absorvido = 225 x 10 -3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J

Caneca de alumínio

Q absorvido = m alumínio . 900 x (32 - 27) J = 4500 .m alumínio

Fazendo uso de:

Σ Qk=0

77,4 + 4709,25 + 4500 .m alumínio = – (-5148)

Finalmente, a massa do alumínio é eliminada:

m alumínio = 0,0803 kg = 80,3 g

Referências

  1. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
  2. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6ta Edição reduzida. Cengage Learning. 156-164.
  3. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
  4. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14º. Volume 1. 556-553.
  5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9n / D Cengage Learning. 362 - 374