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

O calor transferido é a transferência de energia entre dois corpos a diferentes temperaturas. Aquele com a temperatura mais alta dá calor àquele cuja temperatura é mais baixa. Se um corpo produz ou absorve calor, sua temperatura ou estado físico pode variar dependendo da massa e das características do material de que é feito.

Um bom exemplo é uma xícara de café fumegante. A colher de chá de metal com a qual o açúcar é mexido é aquecida. Se deixada na xícara por tempo suficiente, o café e a colher de chá de metal acabarão correspondendo às suas temperaturas: o café esfriou e deu calor à colher de chá. Algum calor passou para o ambiente, uma vez que o sistema não está isolado.

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

Café e colher de chá ficam em equilíbrio térmico depois de um tempo. Fonte: Pixabay

Quando as temperaturas são equalizadas, o equilíbrio térmico foi alcançado .

Se o mesmo teste fosse feito com uma colher de plástico, você certamente perceberia que não esquenta tão rápido quanto o metal, mas, eventualmente, também ficará equilibrado com o café e tudo o que está ao seu redor.

Isso ocorre porque o metal conduz o calor melhor que o plástico. Por outro lado, o café certamente produz calor a uma taxa diferente do chocolate quente ou de outra bebida. Então, o calor fornecido ou absorvido por cada objeto depende de qual material ou substância é feita.

O que é e fórmulas

O calor sempre se refere ao fluxo ou trânsito de energia entre um objeto e outro, devido à diferença de temperatura.

É por isso que falamos de calor transferido ou absorvido, uma vez que, ao adicionar ou extrair calor ou energia de alguma forma, é possível modificar a temperatura de um elemento.

Normalmente Q é chamado de quantidade de calor que o objeto mais quente produz. Este valor é proporcional à massa do referido objeto. Um corpo com uma massa grande é capaz de fornecer mais calor que outro com uma massa menor.

A diferença de temperatura ΔT

Outro fator importante no cálculo do calor atribuído é a diferença de temperatura experimentada pelo objeto que fornece o calor. Ele é denotado como Δ T e é calculado como:

ΔT = T f – T ou

Finalmente, a quantidade de calor transferida também depende da natureza e das características do objeto, que são quantitativamente resumidas em uma constante chamada calor específico do material , denotado como c .

Então, finalmente, a expressão para o calor transferido é a seguinte:

Q produziu = – mcΔ T

O rendimento é simbolizado com um sinal negativo.

O calor específico e a capacidade térmica de uma substância

Calor específico é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 g de substância em 1 ° C. É uma propriedade intrínseca do material. Suas unidades no Sistema Internacional são: Joule / kg. K (Joule entre quilograma x temperatura em graus Kelvin).

A capacidade térmica C é um conceito vinculado, mas um pouco diferente, pois a massa do objeto intervém. A capacidade de aquecimento é definida da seguinte forma:

C = mc

Suas unidades SI são Joule / K. Portanto, o calor transferido também pode ser expresso de forma equivalente a:

Q = -C. Δ T

Como calcular?

Para calcular o calor fornecido por um objeto, é necessário saber o seguinte:

– O calor específico da substância que produz calor.

– massa da referida substância

– A temperatura final para obter

Valores de calor específicos para muitos materiais foram determinados experimentalmente e estão disponíveis em tabelas.

Calorimetria

No entanto, se esse valor não for conhecido, é possível obtê-lo com a ajuda de um termômetro e água em um recipiente com isolamento térmico: o calorímetro. Um esquema deste dispositivo é mostrado na figura que acompanha o exercício 1.

Uma amostra da substância é imersa a uma certa temperatura em uma quantidade de água que foi previamente medida. A temperatura final é medida e com os valores obtidos é determinado o calor específico do material.

Ao comparar o resultado com os valores tabulados, pode-se saber qual substância é. Este procedimento é chamado de calorimetria.

O balanço de calor é realizado economizando energia:

Q atribuído + Q absorvido = 0

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Um pedaço de cobre de 0,35 kg é introduzido a uma temperatura de 150 ° C em 500 mL de água a uma temperatura de 25 ° C.

a) A temperatura final de equilíbrio

b) Quanto calor flui nesse processo?

Dados

c cobre = 385 J / kg. ºC

c água = 4180 J / kg. ºC

Densidade da água: 1000 kg / m 3

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

Esquema de um calorímetro básico: um recipiente com água isolada e um termômetro para medir as mudanças de temperatura. l Fonte: Dr. Tilahun Tesfaye [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Solução

a) O cobre produz calor enquanto a água o absorve. Como o sistema é considerado fechado, apenas a água e a amostra intervêm no balanço de calor:

Q atribuído = Q absorvido

Por outro lado, é necessário calcular a massa de 500 mL de água:

500 mL = 0,5 L = 0,0005 m 3

Com estes dados, a massa de água é calculada:

= Massa x densidade de volume = 1000 kg / m 3 . 0,0005 m 3 = 0,5 kg

A equação do calor em cada substância é apresentada:

Q produziu = -m cobre . c cobre . AT = -0,35 kg. 385 J / kg. (T f –150 ºC) = -134,75 (T f – 150) J

Q absorvido = m de água . c água . AT = 0,5 kg. 4186 J / kg. ºC. (T f –25 ºC) = 2093 (T f –25) J

Correspondendo aos resultados que você possui:

2093 (T f – 25) = -134,75 (T f – 150)

É uma equação linear com um desconhecido, cuja solução é:

T f = 32,56 ° C

b) A quantidade de calor que flui é o calor transferido ou o calor absorvido:

Q produziu = – 134,75 (32,56 – 150) J = 15823 J

Q absorvido = 2093 (32,56 – 25) J = 15823 J

Exercício 2

Um pedaço de 100 g de cobre é aquecido em um forno à temperatura de T o e depois introduzido em um calorímetro de cobre de 150 g contendo 200 g de água a 16 º C. A temperatura final, uma vez equilibrada, é de 38 º C. Quando o calorímetro e seu conteúdo são pesados, verifica-se que evaporaram 1,2 g de água.Qual foi a temperatura inicial T o ?

Dados: o calor latente da vaporização da água é L v = 2257 kJ / kg

Solução

Esse exercício difere do anterior, pois é necessário considerar que o calorímetro também absorve calor. O calor cedido pela peça de cobre é revertido em todos os seguintes itens:

– Aqueça o calorímetro de água (200 g)

– Aqueça o cobre a partir do qual o calorímetro é produzido (150 g)

– Evapore 1,2 gramas de água (também é necessária energia para uma mudança de fase).

Q produziu = – 100 x 1 x 10 -3 kg. 385 J / kg ºC. (38 – T o ) ºC = – 38,5 . (38 – T ou ) J

Q absorvido pelo calorímetro = Q absorvido pela água + Q vaporização + Q absorvido pelo cobre

0,2 kg 4186 J / kg ºC. (38 – 16 ºC) + 1,2 x 10 -3 kg. 2257000 J / kg +0,150 kg .385 J / kg. ° C (38 – 16 ° C) =

18418,4 +2708,4 + 1270,5 J = 22397,3 J

Portanto:

38,5 . (38 – T o ) = 22397,3

T o = 619,7 ºC

O calor necessário para levar 1,2 g de água até 100 º C também pode ter sido considerado, mas é uma quantidade bastante pequena em comparação.

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 . Ed. Volume 1. 556-553.
  5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentos de Física. 9 na Cengage Learning.

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