Calor sensível: conceito, fórmulas e exercícios resolvidos

O calor sensível é a energia térmica fornecida a um objecto por sua temperatura a subir.É o oposto do calor latente, no qual a energia térmica não aumenta a temperatura, mas promove uma mudança de fase, por exemplo, de sólido para líquido.

Um exemplo esclarece o conceito. Suponha que tenhamos uma panela com água à temperatura ambiente de 20 ° C. Quando colocado no queimador, o calor fornecido aumenta a temperatura da água lentamente até atingir 100 ° C (temperatura de ebulição da água ao nível do mar). O calor fornecido é chamado calor sensível.

Calor sensível: conceito, fórmulas e exercícios resolvidos 1

O calor que aquece as mãos é um calor sensível. Fonte: Pixabay

Quando a água atinge a temperatura de ebulição, o calor fornecido pelo queimador não aumenta mais a temperatura da água, que é mantida a 100 ° C.Nesse caso, a energia térmica fornecida é investida na evaporação da água. O calor fornecido é latente porque não elevou a temperatura, mas causou uma mudança da fase líquida para a fase gasosa.

É um fato experimental que o calor sensível necessário para obter uma certa variação de temperatura é diretamente proporcional a essa variação e à massa do objeto.

Conceito e fórmulas

Observou-se que, além da massa e da diferença de temperatura, o calor sensível também depende do material.Por esse motivo, a constante de proporcionalidade entre o calor sensível e o produto da massa devido à diferença de temperatura é chamada de calor específico.

A quantidade de calor sensível fornecida também depende de como o processo é realizado. Por exemplo, é diferente se o processo for realizado a um volume constante do que a uma pressão constante.

A fórmula para o calor sensível em um processo isobárico , ou seja, a pressão constante, é a seguinte:

Q = cp . m ( Tf Ti )

Na equação acima, Q é o calor sensível fornecido para o objecto de massa m, que tem uma elevada temperatura inicial T i para o final do valor de T f . Além disso verifica-se na equação c p é o calor específico a pressão constante do material de que o processo é realizado desta maneira.

Observe também que o calor sensível é positivo quando absorvido pelo objeto e causa um aumento de temperatura.

Caso o calor seja fornecido a um gás contido em um recipiente rígido, o processo será isocórico, ou seja, a um volume constante; e a fórmula do calor sensível será escrita assim:

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Q = c v. m. ( Tf Ti )

O coeficiente adiabático γ

A relação entre o calor específico sob pressão constante e o calor específico em volume constante para o mesmo material ou substância é chamada coeficiente adiabático , que geralmente é indicado pela letra grega gama γ.

O coeficiente adiabático é maior que a unidade. O calor necessário para elevar a temperatura de um corpo em um grama de massa em um grau é maior em um processo isobárico do que em um processo isocórico.

Isso ocorre porque, no primeiro caso, parte do calor é usada para realizar trabalhos mecânicos.

Além do calor específico, a capacidade de calor de um corpo também é geralmente definida. Essa é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura desse corpo em um grau centígrado.

Capacidade de calor C

A capacidade de aquecimento é indicada com C maiúsculo, enquanto o calor específico com minúsculo c . A relação entre as duas quantidades é:

C = c⋅m

Onde m é a massa corporal.

Também é utilizado o calor molar específico, que é definido como a quantidade de calor sensível necessária para elevar um grau de graus Celsius ou Kelvin de temperatura a um mol de substância.

Calor específico em sólidos, líquidos e gases

O calor molar específico da maioria dos sólidos tem um valor próximo a 3 vezes R , onde R é a constante universal de gás. R = 8,314472 J / (mol ℃) .

Por exemplo, o alumínio possui calor molar específico 24,2 J / (mol ℃ ), cobre 24,5 J / (mol ℃) , ouro 25,4 J / (mol ℃) e ferro doce 25,1 J / (mol ℃) . Observe que esses valores estão próximos de 3R = 24,9 J / (mol ℃) .

Por outro lado, para a maioria dos gases, o calor molar específico é próximo de n (R / 2) , onde n é um número inteiro e R é a constante universal dos gases. O número inteiro n está relacionado ao número de graus de liberdade da molécula que compõe o gás.

Por exemplo, em um gás monoatômico ideal, cuja molécula tem apenas três graus de liberdade de tradução, o calor molar específico em volume constante é 3 (R / 2) . Mas se é um gás diatômico ideal, existem adicionalmente dois graus de rotação, então c v = 5 (R / 2) .

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No gás ideal a seguinte relação entre o calor específico molar a pressão constante e o volume constante é verdade: C P = c v + R .

Menção especial merece água. Em um estado líquido a 25 ℃, a água tem c p = 4,1813 J / (g ℃) , o vapor d’água a 100 graus Celsius tem c p = 2,080 J / (g ℃) e o gelo da água a zero grau celsius tem c p = 2.050 J / (g ℃) .

Diferença com calor latente

A matéria pode ser encontrada em três estados: sólido, líquido e gás. Para alterar o estado da energia é necessária, mas cada substância responde a ela de uma maneira diferente, de acordo com suas características moleculares e atômicas.

Quando um sólido derrete ou um líquido está evaporando, a temperatura do objeto permanece constante até que todas as partículas mudem de estado.

Portanto, é possível que uma substância esteja ao mesmo tempo em equilíbrio em duas fases: sólido – líquido ou líquido – vapor, por exemplo. Uma quantidade da substância pode ser passada de um estado para outro adicionando ou removendo algum calor, enquanto a temperatura permanece fixa.

O calor fornecido a um material faz com que suas partículas vibrem mais rapidamente e aumentem sua energia cinética. Isso se traduz em um aumento de temperatura.

É possível que a energia que eles adquiram seja tão grande que eles não retornem mais à sua posição de equilíbrio e aumentem a separação entre eles. Quando isso acontece, a temperatura não aumenta, mas a substância passa de sólido para líquido ou de líquido para gás.

O calor necessário para que isso aconteça é conhecido como calor latente . Portanto, o calor latente é o calor pelo qual uma substância pode mudar de fase.

Aqui está a diferença com o calor sensível. Uma substância que absorve o calor sensível aumenta sua temperatura e permanece no mesmo estado.

Como calcular o calor latente?

O calor latente é calculado pela equação:

Q = m. L

Onde L pode ser o calor específico de vaporização ou fusão. As unidades de L são energia / massa.

Os cientistas deram vários nomes ao aquecimento, dependendo do tipo de reação em que ele participa. Por exemplo, há o calor da reação, o calor da combustão, o calor da solidificação, o calor da solução, o calor da sublimação e muitos outros.

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Os valores de muitos desses tipos de calor para diferentes substâncias são tabulados.

Exercícios resolvidos

Exemplo 1

Suponha um que tenha um pedaço de alumínio com 3 kg de massa. Inicialmente, está a 20 ° C e é desejável elevar sua temperatura para 100 ° C. Calcule o calor sensível necessário.

Solução

Antes de tudo, precisamos conhecer o calor específico do alumínio

c p = 0,897 J / (g ° C)

Então, a quantidade de calor necessária para aquecer o pedaço de alumínio será

Q = c p m (Tf – Ti) = 0,897 * 3000 * (100 – 20) J

Q = 215280 J

Exemplo 2

Calcule a quantidade de calor necessária para aquecer 1 litro de água de 25 ° C a 100 ° C ao nível do mar. Expresse o resultado também em quilocalorias.

Solução

A primeira coisa a lembrar é que 1 litro de água pesa 1 kg, ou seja, 1000 gramas.

Q = c p m (Tf – Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ – 25 ℃) = 313597,5 J

A caloria é uma unidade de energia que é definida como o calor sensível necessário para elevar um grama de água a um grau Celsius. Portanto, 1 caloria é igual a 4,1813 Joules.

Q = 313597,5 J * (1 cal / 4,1813 J) = 75000 cal = 75 kcal .

Exemplo 3

Um pedaço de 360,16 gramas de material é aquecido de 37 ℃ a 140 ℃. A energia térmica fornecida é 1150 calorias.

Calor sensível: conceito, fórmulas e exercícios resolvidos 2

Aquecendo a amostra. Fonte: elaboração própria.

Encontre o calor específico do material.

Solução

Podemos escrever o calor específico de acordo com o calor sensível, a massa e a variação da temperatura de acordo com a fórmula:

c p = Q / (m ΔT)

Substituindo os dados, temos o seguinte:

c p = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ – 37 ℃)) = 0,0310 cal / (g ℃)

Mas como uma caloria é igual a 4,1813 J, o resultado também pode ser expresso como

c p = 0,130 J / (g ℃)

Referências

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  4. Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson 309-332.
  5. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14 th . Volume1 556-553.
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