Teoria

O que é calor?

Quando dois ou mais corpos de temperaturas distintas são colocados em contato entre si, calor é transferido do corpo com maior temperatura para aquele com menor temperatura.

Só há calor se houver diferença de temperatura e ele continuará até que as temperaturas se igualem, ou seja, até que atinjam o equilíbrio térmico.

Tipos de calor

Duas coisas podem acontecer quando um objeto absorve calor: ou ele aumenta de temperatura (calor sensível), ou ele muda de estado físico (calor latente).

Calor sensível é o calor que faz a temperatura de um objeto variar sem alterar seu estado físico. Um exemplo seria aquecer uma água de 20 ° C   a 79 ° C .

Calor latente é o calor que faz com que o estado físico do objeto se altere, mas sem que a temperatura varie. Um exemplo é o calor necessário para derreter um cubo de gelo. Do início ao final desse processo, a água vai estar a 0 ° C , pois essa é sua temperatura de fusão.

A unidade no S . I da quantidade de calor é o joules J , mas existe uma outra unidade muito comum para calor que é a caloria ( c a l ) :

1   c a l = 4,1868   J

Mas como podemos calcular essas transferências de calor? É o que vamos descobrir agora!

Como calcular calor sensível?

O calor sensível cedido ou absorvido por um corpo é dado por:

Q = m   . c   . Δ T

onde:

Q é a quantidade de calor cedida ou recebida, em joules ou calorias;

m é a massa do corpo;

c é o calor específico do corpo (propriedade do material). Geralmente a sua unidade é c a l / g . K , ou J / K g . K .

Δ T = T f - T i é a diferença entre as temperaturas final e inicial.

Obs: A unidade de temperatura no SI é Kelvin, mas na nossa equação o que entra é a variação de temperatura. O que acontece é que a variação de temperatura em Celsius é igualzinha à variação de temperatura em Kelvin!!! Assim se o exercício te dá temperaturas inicial e final em Celsius, você não precisa converter pra Kelvin se for fazer a variação! Ufa! Menos um trabalho! ^^

Pelo sinal de Δ T , podemos saber se esse calor está sendo cedido ou absorvido.

Se Δ T > 0 , então Q é positivo e o corpo está recebendo calor, pois sua temperatura aumenta.

Se Δ T < 0 , então Q é negativo e o corpo está perdendo calor, pois sua temperatura diminui.

Calor latente

O calor latente é dado pela fórmula:

Q = m L

onde:

Q é a quantidade de calor cedida ou recebida;

m é a massa do corpo;

L é o calor latente da mudança de estado físico.

Não tem muito mistério, é só isso mesmo.

Mas como que eu sei se o calor está sendo cedido ou recebido?

É só lembrar, por exemplo, que o gelo precisa de calor para virar água e a água, por sua vez, também precisa receber calor para virar vapor.

De maneira contrária, o vapor precisa ceder calor para virar água e a água precisa ceder calor também para virar gelo.

Capacidade térmica

Capacidade térmica é definida como o produto entre a massa de um material e o calor específico desse material:

C = m   . c

Ou seja:

Q = C   . Δ T

Há a possibilidade de o problema trabalhar com o termo calor específico molar, que é o calor específico que já conhecemos por unidade de massa molar. Assim a fórmula que usaremos será:

Q = n . c ¯ . Δ T

Onde n é o número de mols e c ¯ é o calor específico molar.

Obs: o mol é uma unidade que representa 6,02.10 23 e pode ser calculado da seguinte forma:

n = m M

Onde m é a massa da substância e M é a massa molar dessa substância.

Troca de calor com sistemas

Algumas questões podem chegar e falar que o corpo está trocando calor com um sistema ou com a vizinhança.

What? Sistema? Vizinhança?

Pois bem...

  • Sistema: é aquilo que queremos analisar. Exemplo: copo com água e gelo.
  • Vizinhança: é o que atua no sistema e o modifica. Exemplo: o mesmo copo com água e gelo é colocado sobre uma chama. A chama atua no sistema e o modifica.
  • Reservatório térmico: um corpo de grande dimensões que não sofre mudanças de temperatura relevantes, mas funciona como um doador ou receptor de calor. Exemplo: um lago. Se você jogar água fervente no lago, o lago, como um todo, não altera sua temperatura média, mas ele recebe o calor da água fervente, fazendo com que ela diminua de temperatura.

Termômetros

O mecanismo de funcionamento dos termômetros é totalmente baseado no equilíbrio térmico, o termômetro é posto em contato com um objeto e ao entrar em equilíbrio térmico com o objeto, podemos garantir que ambos têm a mesma temperatura.

Lei zero da Termodinâmica

A Lei Zero enuncia o seguinte:

Suponha que dois corpos A e B estão em equilíbrio térmico (beleza, então eles tem a mesma temperatura).

E suponha também que os corpos A e C estão em equilíbrio térmico (tá, mesma coisa).

Então a Lei Zero diz que os corpos B e C necessariamente também estão em equilíbrio térmico.

Faz sentido, pois, se T A = T B e T A = T C , então T B = T C .

Conservação de energia

Sabemos que calor é uma forma de energia e que a energia pode se conservar.

Então, em um sistema isolado, tudo o que um corpo perde, o outro ganha, de modo que a soma de calores cedidos e absorvidos seja zero:

Σ Q = 0

Na prática, soma tudo e iguala a zero.

Nesse caso, nos Δ T s do calor sensível, temos que levar em conta o sinal. Q < 0 para quem esfria e Q > 0 para quem esquenta.

Em sistemas não isolados, ou seja, quando há um acréscimo ou perda de calor no sistema, a equação fica assim:

Σ Q = Q e n t / s a í d a

onde Q e n t / s a í d a é o calor fornecido ao sistema ou retirado dele.

Mil e uma coisas pra aprender... Vamos fixar nos exercícios?

Como calcular calor sensível?

Calor latente

Capacidade térmica

Troca de calor com sistemas

Termômetros

Lei zero da Termodinâmica

Conservação de energia

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