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

Contente

• Em que consiste e fórmulas
• Diferença de temperaturaΔT
• Calor específico e capacidade de calor de uma substância
• Como calcular?
• Calorimetria
• Exercícios resolvidos
• Exercício 1
• Dados
• Solução
• Exercício 2
• Solução
• Referências

o calor transferido é a transferência de energia entre dois corpos em temperaturas diferentes. Aquele com a temperatura mais alta cede o calor para aquele cuja temperatura é mais baixa. Quer um corpo ceda ou absorva calor, sua temperatura ou seu estado físico podem variar dependendo da massa e das características do material do qual é feito.

Um bom exemplo é uma xícara de café fumegante. A colher de metal com a qual o açúcar é mexido aquece. Se ficar na xícara por tempo suficiente, o café e uma colher de metal acabam equalizando suas temperaturas: o café terá esfriado e o calor terá sido transferido para a colher. Algum calor terá passado para o ambiente, uma vez que o sistema não é isolado.

À medida que as temperaturas se tornam iguais, oEquilíbrio térmico.

Se você fizesse o mesmo teste com uma colher de chá de plástico, certamente notaria que ela não aquece tão rapidamente quanto a de metal, mas eventualmente também entrará em equilíbrio com o café e tudo ao seu redor.

Isso ocorre porque o metal conduz o calor melhor do que o plástico. Por outro lado, certamente o café produz calor em uma taxa diferente do chocolate quente ou outra bebida. Portanto, o calor fornecido ou absorvido por cada objeto depende do material ou substância de que ele é feito.

Em que consiste e fórmulas

O calor sempre se refere ao fluxo ou trânsito de energia entre um objeto e outro, devido à diferença de temperatura.

É por isso que falamos em calor transferido ou calor absorvido, pois ao adicionar ou extrair calor ou energia de alguma forma, é possível modificar a temperatura de um elemento.

A quantidade de calor que o objeto mais quente emite é geralmente chamada de Q. Este valor é proporcional à massa desse objeto. Um corpo com grande massa é capaz de liberar mais calor do que outro com massa menor.

Diferença de temperaturaΔT

Outro fator importante no cálculo da transferência de calor é a diferença de temperatura experimentada pelo objeto que transfere calor. É denotado como ΔT e é calculado assim:

ΔT = T_F - T_ou

Por fim, a quantidade de calor transferida também depende da natureza e das características do objeto, que se resumem quantitativamente em uma constante chamada calor específico do material, denotado como c.

Então, finalmente, a expressão para o calor transferido é a seguinte:

Q_rendeu = - m.c.ΔT

O ato de ceder é simbolizado por um sinal negativo.

Calor específico e capacidade de calor de uma substância

Calor específico é a quantidade de calor necessária para elevar em 1 ºC a temperatura de 1 g da substância. É uma propriedade intrínseca do material. Suas unidades no Sistema Internacional são: Joule / kg. K (Joule entre quilograma x temperatura em graus Kelvin).

A capacidade térmica C é um conceito vinculado, mas um pouco diferente, uma vez que a massa do objeto está envolvida. A capacidade de calor é definida da seguinte forma:

C = mc

Suas unidades em S.I. eles são Joule / K. Portanto, o calor liberado também pode ser expresso de forma equivalente como:

Q = -C. ΔT

Como calcular?

Para calcular o calor transferido por um objeto, é necessário saber o seguinte:

- O calor específico da substância que libera calor.

- A massa da referida substância

- A temperatura final a ser obtida

Os valores de calor específicos para muitos materiais foram determinados experimentalmente e estão disponíveis em tabelas.

Calorimetria

Agora, se esse valor não for conhecido, é possível obtê-lo com o auxílio de um termômetro e água em um recipiente termicamente isolado: o calorímetro. Um diagrama deste dispositivo é mostrado na figura que acompanha o exercício 1.

Uma amostra da substância é imersa a uma determinada temperatura em uma quantidade de água previamente medida. A temperatura final é medida e o calor específico do material é determinado com os valores obtidos.

Ao comparar o resultado com os valores tabulados, pode-se saber de que substância se trata. Este procedimento é chamado calorimetria.

O equilíbrio térmico é realizado pela conservação de energia:

Q _rendeu + Q _{absorvido = 0}

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Um pedaço de cobre de 0,35 kg é introduzido a uma temperatura de 150ºC em 500 mL de água a uma temperatura de 25ºC. Encontre:

a) A temperatura final de equilíbrio

b) Quanto calor flui neste processo?

Dados

c_cobre = 385 J / kg. ºC

c_{água =} 4180 J / kg. ºC

Densidade da água: 1000 kg / m³

Solução

a) O cobre libera o calor enquanto a água o absorve. Como o sistema é considerado fechado, apenas a água e a amostra estão envolvidas no balanço térmico:

Q _rendeu = Q _absorvido

Por outro lado, é necessário calcular a massa de 500 mL de água:

500 mL = 0,5 L = 0,0005 m³

Com esses dados, a massa da água é calculada:

massa = densidade x volume = 1000 kg / m³ . 0,0005 m³ = 0,5 kg

A equação para o calor em cada substância é levantada:

Q_rendeu = -m_cobre . c_cobre. ΔT = -0,35 kg. 385 J / kg. ° C (T_F –150 ºC) = -134,75 (T_F - 150) J

Q_absorvido = m_Água . c_Água. ΔT = 0,5 kg. 4186 J / kg. ºC. (T_F –25 ºC) = 2093 (T_F –25) J

Equacionando os resultados, temos:

2093 (T_F - 25) = -134,75 (T_F – 150)

É uma equação linear com uma incógnita, cuja solução é:

 T_F = 32,56 ºC

b) A quantidade de calor que flui é o calor transferido ou o calor absorvido:

Q _rendeu = - 134,75 (32,56 - 150) J = 15823 J

Q _absorvido = 2093 (32,56 - 25) J = 15823 J

Exercício 2

Um pedaço de cobre de 100 g é aquecido em um forno a uma temperatura T_ou e então é introduzido em um calorímetro de cobre 150 g contendo 200 g de água a 16ºC. A temperatura final uma vez em equilíbrio é de 38ºC. Quando o calorímetro e seu conteúdo são pesados, verifica-se que eles têm evaporou 1,2 g de água Qual era a temperatura inicial T_ou?

Dados: o calor latente de vaporização da água é L_v = 2257 kJ / kg

Solução

Este exercício difere do anterior, pois deve-se considerar que o calorímetro também absorve calor. O calor liberado pelo pedaço de cobre é investido em todos os seguintes:

- Aqueça a água no calorímetro (200 g)

- Aqueça o cobre do qual o calorímetro é feito (150 g)

- Evapore 1,2 gramas de água (energia também é necessária para uma mudança de fase).

Q_rendeu = –100 x 1 x 10 ^-3 kg. 385 J / kg. ºC. (38 - T_ou ) ºC = –38.5. (38 - T_ou) J

Q _{absorvido porcalorímetro} = Q _{absorvido pela água} + Q_{vaporização} + Q _{absorvido por cobre}

0,2 kg .4186 J / kg ºC. (38 - 16 ºC) + 1,2 x 10^-3 kg. 2257000 J / kg +0,150 kg .385 J / kg .ºC. (38 - 16 ºC) =

18418,4 +2708,4 + 1270,5 J = 22397,3 J

Portanto:

–38.5. (38 - T_ou)= 22397.3

 T_ou = 619,7 ºC

O calor necessário para levar 1,2 g de água até 100ºC também poderia ter sido considerado, mas é uma quantidade bastante pequena em comparação.

Referências

1. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6^º. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6^ta 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. 14^º. Ed. Volume 1. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9^{n / D} Cengage Learning.