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

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

Isso pode resultar em aumento de temperatura ou alteração de estado. Por exemplo, de sólido a líquido, como gelo quando derrete em contato com água ou refrigerante à temperatura ambiente.

Calor absorvido: fórmulas, como calculá-lo e exercícios resolvidos 1

A colher de metal absorve o calor do café quente. Fonte: Pixabay

Graças ao calor, também é possível que os objetos alterem suas dimensões. A expansão térmica é um bom exemplo desse fenômeno. Quando a maioria das substâncias esquenta, elas geralmente experimentam um aumento em suas dimensões.

Uma exceção a isso é a água. A mesma quantidade de água líquida aumenta seu volume esfriando abaixo de 4 ° C. Além disso, as mudanças de temperatura também podem sofrer alterações no nível de sua densidade, algo também muito observável no caso da água.

O que é e fórmulas

No caso da energia em trânsito, as unidades do calor absorvido são os Joules. No entanto, 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 alimentar corresponda a uma quilocaloria de calor.

Calorias

A caloria, abreviada como cal , é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 º C.

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

1 caloria = 4.186 Joules

Nas 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 uma libra de água em 1ºF.

Relacionado:  Movimento de translação da terra: características, consequências

A equivalência entre as unidades é a seguinte:

1 Btu = 252 calorias

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

É por isso que a definição inclui intervalos bem definidos: de 14,5 a 15,5 ° C e 63 a 64 ° F para calorias e Btu, respectivamente.

De que depende a quantidade de calor absorvido?

A quantidade de calor absorvido que um material coleta 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 mais calor para obter uma temperatura mais alta.

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

Q = mcΔ T

Onde m é a massa do objecto, c é uma constante chamada de calor específico, uma propriedade intrínseca da substância e Δ T é a variação de temperatura conseguido por absorção do calor.

ΔT = T f – T ou

Essa diferença tem um sinal positivo, pois ao absorver o calor, espera-se que T f > T o. Isso ocorre a menos que a substância esteja passando por uma mudança de fase, como a água, quando passa do líquido para o vapor. Quando a água ferve, sua temperatura permanece constante a aproximadamente 100 º C, não importa a rapidez com que ferve.

Como calcular?

Ao colocar dois objetos em contato a diferentes temperaturas, após algum tempo, ambos alcançam o equilíbrio térmico. Então, as temperaturas se igualam e a transferência de calor cessa. O mesmo acontece se mais de dois objetos forem contatados. Depois de um certo tempo, todos estarão na mesma temperatura.

Relacionado:  Força elástica: o que é, fórmulas e exercícios

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

Q absorvido = – Q atribuído

Isso representa um balanço energético, semelhante ao dos ingressos e despesas de uma pessoa. É por isso que o calor transferido tem um sinal negativo, pois para o objeto que produz, a temperatura final é mais baixa que a inicial. Portanto:

ΔT = T f – T ou <0

A equação Q absorvida = – Q atribuída é usada sempre que houver dois objetos em contato.

Balanço energético

Para realizar o balanço energético, é necessário distinguir objetos que absorvem calor daqueles que produzem:

K Q k = 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, você precisa conhecer o calor específico de cada substância participante. É a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 g de material em 1 º C. Suas unidades no Sistema Internacional são: Joule / kg. K.

Existem tabelas com o calor específico de inúmeras substâncias, geralmente calculadas usando um calorímetro ou ferramentas semelhantes.

Um exemplo de como calcular o calor específico de um material

São necessárias 250 calorias para aumentar a temperatura de um anel de metal de 20 para 30 ° C. Se o anel tiver uma massa de 90 g. Qual é o calor específico do metal nas unidades SI?

Solução

As unidades são convertidas primeiro:

Q = 250 calorias = 1046,5 J

m = 90 g = 90 x 10 -3 kg

Calor absorvido: fórmulas, como calculá-lo e exercícios resolvidos 2

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.

Relacionado:  Convecção: características, exemplos, aplicações

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

Calor absorvido: fórmulas, como calculá-lo e exercícios resolvidos 3

Diagrama de um calorímetro. Fonte: Solidswiki

Abordagem

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

– Copo de alumínio, agitador de cobre e água absorvem calor.

– A amostra de prata produz calor.

Dados

Os aquecimentos 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 = mcλ T

Solução

Prata

Q produziu = 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

Agua

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

Copo de alumínio

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

Fazendo uso de:

K Q k = 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. 6 th . Ed. Prentice Hall. 400-410.
  2. Kirkpatrick, L. 2007. Física: Um olhar sobre o mundo. 6 ta Abridged Edition. Cengage Learning 156-164.
  3. Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson 309-332.
  4. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14 th . Volume1 556-553.
  5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentos de Física. 9 na Cengage Learning. 362 – 374

Deixe um comentário

Este site usa cookies para lhe proporcionar a melhor experiência de usuário. política de cookies, clique no link para obter mais informações.

ACEPTAR
Aviso de cookies