Calor específico: o que é, como é calculado e exemplos

O calor específico é a quantidade de energia a ser absorvido um grama de uma substância para aumentar a sua temperatura de um grau Celsius. É uma propriedade física intensiva, pois não depende da massa, pois é expressa apenas para um grama de substância; no entanto, está relacionado ao número de partículas e sua massa molar, bem como às forças intermoleculares que as ligam.

A quantidade de energia absorvida pela substância é expressa em unidades de joule (J) e, menos comumente, em calorias (Cal). Geralmente, supõe-se que a energia seja absorvida pelo calor; No entanto, a energia pode vir de outra fonte, como o trabalho realizado na substância (agitação rigorosa, por exemplo).

Calor específico: o que é, como é calculado e exemplos 1

Água fervendo. Fonte: Pixabay

A imagem acima mostra um bule de chá a partir do qual os vapores de água gerados pelo seu aquecimento são liberados. Para aquecer a água, ele deve absorver o calor da chama localizada sob a chaleira. Assim, com o passar do tempo, e dependendo da intensidade do fogo, a água ferverá quando atingir o ponto de ebulição.

O calor específico estabelece quanta energia a água consome para cada grau ºC que aumenta sua temperatura. Este valor é constante se diferentes volumes de água são aquecidos na mesma chaleira, pois, como declarado no início, é uma propriedade intensiva.

O que varia é a quantidade total de energia absorvida por cada massa de água aquecida, também conhecida como capacidade de calor . Quanto maior a massa de água a ser aquecida (2, 4, 10, 20 litros), maior sua capacidade de aquecimento; mas seu calor específico permanece o mesmo.

Esta propriedade depende da pressão, temperatura e volume; no entanto, para fins de um entendimento simples, suas variações correspondentes são omitidas.

Qual é o calor específico?

O que o calor específico significava para uma determinada substância foi definido. No entanto, seu verdadeiro significado é melhor expresso com sua fórmula, que deixa claro por meio de suas unidades quais são as folgas envolvidas na análise das variáveis ​​das quais depende. Sua fórmula é:

Ce = Q / ΔT · m

Onde Q é o calor absorvido, ΔT muda a temperatura e m é a massa da substância; que de acordo com a definição corresponde a um grama. Fazendo uma análise de suas unidades, você tem:

Ce = J / ºC · g

O que também pode ser expresso das seguintes maneiras:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ºC · Kg

O primeiro é o mais simples e é com isso que os exemplos serão abordados nas seções a seguir.

A fórmula indica explicitamente a quantidade de energia absorvida (J) por um grama de substância em um grau ºC. Se você deseja limpar essa quantidade de energia, deixe a equação J de lado:

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J = Ce · ºC · g

Isso expresso de forma mais apropriada e consistente com as variáveis ​​seria:

Q = Ce · ΔT · m

Como o calor específico é calculado?

Água como referência

Na fórmula anterior, ‘m’ não representa um grama de substância, porque já está implicitamente encontrado em Ce. Essa fórmula é muito útil para calcular as resistências específicas de várias substâncias por calorimetria.

Como Usando a definição de calorias, que é a quantidade de energia necessária para aquecer um grama de água de 14,5 a 15,5 ° C; isso é igual a 4.184 J.

O calor específico da água é anormalmente alto e essa propriedade é usada para medir os aquecimentos específicos de outras substâncias que conhecem o valor de 4.184 J.

O que significa que um calor específico é alto? Isso se opõe a uma resistência considerável para aumentar sua temperatura, por isso deve absorver mais energia; isto é, a água precisa ser aquecida por muito mais tempo em comparação com outras substâncias, que nas proximidades de uma fonte de calor são aquecidas quase imediatamente.

Por esse motivo, a água é usada em medições calorimétricas, uma vez que não experimenta mudanças repentinas de temperatura absorvendo energia de reações químicas; ou, nesse caso, de contato com outro material mais quente.

Equilíbrio térmico

Como a água precisa absorver muito calor para aumentar sua temperatura, o calor pode vir de um metal quente, por exemplo. Levando em consideração as massas de água e metal, uma troca de calor entre os dois ocorrerá até que o que é chamado de equilíbrio térmico seja alcançado.

Quando isso ocorre, as temperaturas da água e do metal se igualam. O calor liberado pelo metal quente é igual ao absorvido pela água.

Desenvolvimento matemático

Sabendo disso, e com a última fórmula para Q descrita, você tem:

Q Água = -Q Metal

O sinal negativo indica que o calor é liberado do corpo mais quente (metal) para o corpo mais frio (água). Cada substância tem seu próprio calor específico Ce e sua massa, portanto, essa expressão deve ser desenvolvida da seguinte maneira:

Q Água = Ce Água · ΔT Água · m Água = – (Ce Metal · ΔT Metal · m Metal )

O desconhecido é Ce Metal , pois no equilíbrio térmico a temperatura final para a água e o metal é a mesma; Além disso, as temperaturas iniciais da água e do metal são conhecidas antes do contato, assim como suas massas. Portanto, o Ce Metal deve ser limpo :

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Ce Metal = (Ce Água · ΔT Água · m Água ) / (-ΔT Metal · m Metal )

Não esquecendo que Ce Agua é de 4,184 J / ºC · g. Se ΔT Water e ΔT Metal forem desenvolvidos , eles terão (T f – T Water ) e (T f – T Metal ), respectivamente. A água é aquecida, enquanto o metal esfria e, portanto, o sinal negativo se multiplica para o ΔT Metal restante (T Metal – T f ). Caso contrário, ΔT Metal teria um valor negativo porque Tf é menor (mais frio) que T Metal .

A equação é então finalmente expressa desta maneira:

Ce Metal = Ce Água · (T f – T Água ) · m Água / (T Metal – T f ) · m Metal

E com ele são calculadas as baterias específicas.

Exemplo de cálculo

Possui uma esfera de um metal estranho que pesa 130g e com temperatura de 90ºC. É imerso em um recipiente de 100g de água a 25ºC, dentro de um calorímetro. Ao atingir o equilíbrio térmico, a temperatura do recipiente se torna 40 ° C. Calcular o metal Ce.

A temperatura final, T f , é de 40 ° C. Conhecendo os outros dados, você pode determinar o Ce diretamente:

Ce Metal = (4.184 J / ºC · g · (40 – 25) ºC · 100g) / (90 – 40) ºC · 130g

Ce Metal = 0,965 J / ºC · g

Observe que o calor específico da água é cerca de quatro vezes o do metal (4.184 / 0,965).

Quando Ce é muito pequeno, sua tendência a se aquecer será maior; que está relacionado à sua condutividade térmica e difusão. Um metal com um Ce mais alto tenderá a liberar ou perder mais calor quando entrar em contato com outro material, comparado a outro metal com um Ce mais baixo.

Exemplos

Aquecimentos específicos para diferentes substâncias são mostrados abaixo.

Agua

O calor específico da água, como dito, é de 4,184 J / ° C · g.

Graças a esse valor, pode haver muito sol no oceano e a água evapora pouco a um grau considerável. Isso resulta em uma diferença térmica que não afeta a vida marinha. Por exemplo, quando você vai nadar na praia, mesmo que faça muito sol lá fora, a água sente uma temperatura mais baixa e fria.

A água quente também precisa liberar muita energia para esfriar. No processo, aquece as massas de ar circulantes, aumentando ligeiramente as temperaturas (temperadas) nas regiões costeiras durante os invernos.

Outro exemplo interessante é que, se não fôssemos formados pela água, um dia ao sol poderia ser mortal, porque as temperaturas do nosso corpo aumentariam rapidamente.

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Esse valor único de Ce é devido a ligações intermoleculares de hidrogênio . Eles absorvem o calor para quebrar e armazenam energia. Até que quebrem, as moléculas de água não podem vibrar aumentando a energia cinética média, que se reflete em um aumento de temperatura.

Gelo

O calor específico do gelo é de 2.090 J / ° C · g. Como a água, tem um valor incomumente alto. Isso significa que um iceberg, por exemplo, precisaria absorver uma quantidade enorme de calor para aumentar sua temperatura. No entanto, alguns icebergs de hoje até absorveram o calor necessário para derreter (calor latente de fusão).

Alumínio

O calor específico do alumínio é de 0,900 J / ºC · g. É um pouco menor que o metal da esfera (0,965 J / ºC · g). Aqui o calor é absorvido para vibrar os átomos de metal do alumínio em suas estruturas cristalinas, e não as moléculas individuais unidas por forças intermoleculares.

Ferro

O calor específico do ferro é de 0,444 J / ° C · g. Sendo menor que o do alumínio, significa que ele se opõe a menos resistência quando aquecido; isto é, antes do fogo, um pedaço de ferro fica vermelho muito antes de um pedaço de alumínio.

O alumínio, ao contrário de aquecer mais, mantém os alimentos quentes por mais tempo quando a famosa folha é usada para embrulhar lanches.

Ar

O calor específico do ar é de aproximadamente 1.003 J / ° C · g. Este valor está muito sujeito a pressões e temperaturas porque consiste em uma mistura de gás. Aqui o calor é absorvido para vibrar as moléculas de nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio etc.

Prata

Finalmente, o calor específico da prata é de 0,244 J / ° C · g. De todas as substâncias mencionadas, possui o menor valor de Ce. Isso significa que, antes do ferro e do alumínio, um pedaço de prata esquentaria muito mais ao mesmo tempo que os outros dois metais. De fato, ele se harmoniza com sua alta condutividade térmica.

Referências

  1. Serway e Jewett. (2008). Física: para ciência e engenharia. (Sétima edição), volume 1, Cengage Learning.
  2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Química (Oitava edição). Cengage Learning
  3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 de novembro de 2018). Capacidade Específica de Calor em Química. Recuperado de: thoughtco.com
  4. Eric W. Weisstein (2007). Calor específico Recuperado de: scienceworld.wolfram.com
  5. R Navio. (2016). Calor específico Universidade Estadual da Geórgia. Recuperado de: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  6. Wikipedia (2019). Calor específico Recuperado de: en.wikipedia.org

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