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.

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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.

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.

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

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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 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.

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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

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