CALORIMETRIA E TERMOLOGIA

CALORIMETRIA

Calor

É a transferência de energia de um corpo

para outro, decorrente da diferença de

temperatura entre eles.

quente frio

Fluxo de calor

Unidades de calor

1 cal = 4,187 J (no SI)

1 kcal = 1000 cal

1 kcal = 3,9683 BTU

BTU = British Thermal Unit

CALORIMETRIA

Potência ou Fluxo de Calor

Se medirmos o intervalo de tempo durante o qual uma

fonte térmica (fogão a gás) fornece determinada fonte de

calor, definimos potência como:

Unidades de Potência: J/s = watt (W) (no SI) ou cal/min, cal/s, BTU/h, etc.

OBS:

1 W = 3,412 BTU/h

10000 BTU/h = 2,931 kW

t

QQ

CALORIMETRIA:

Calor específico (cp)

É a quantidade de calor necessária para variar a

temperatura de 1g de determinada substância, de

1oC. Essa variação depende de cada substância,

por exemplo:

O calor específico do ferro é aproximadamente

0,11cal/g.oC, isto significa que 1g de ferro

necessita de 0,11 cal para elevar sua temperatura

de 20oC para 21oC, ou seja, aumentar 1oC.

CALORIMETRIA:

Calor específico (cp)

Água

Equação fundamental

da calorimetria

quente frio

Fluxo de calor Q

ti tf

m m

Q = m.cp.(tf - ti)

ou

Q = m.cp.t

onde:

m = massa do corpo;

cp = calor específico;

t = tf - ti = variação da

temperatura.

Observações:

• Se tf > ti o corpo recebe calor, isto é, Q > 0.

• Se tf < ti o corpo cede calor, isto é, Q < 0.

•A capacidade térmica do corpo é: C = m.cp

Indefinido Indefinida Alta grande fracas Gasosa

Definido Variável Média Moderada Moderadas Líquida

Definido Definida Baixa Pequena Fortes Sólida

Volume Forma Temperatura

Energia

devido às

vibrações

Força de

atração

entre os

átomos

Fases

Fases da matéria

Sólido Líquido Gasoso

sublimação

fusão vaporização

sublimação

condensação solidificação

Mudanças de fase

Endotérmicas – absorvem calor. Exotérmicas – cedem calor.

Endotérmicas

Exotérmicas

Evaporação: É um processo lento que se verifica apenas na

superfície do líquido, seja qual for sua temperatura.

Ex: Pote de barro, álcool na pele, etc.

Tipos de Vaporização

Ebulição: É um processo tumultuoso que ocorre na temperatura de

ebulição e que se verifica em toda massa líquida. Depende da

pressão.

Ex: água fervendo.

Calefação: É um processo rápido que ocorre numa temperatura

superior a de ebulição.

Ex: jogar água numa chapa de fogão bem aquecida (acima de 100oC).

Sensível: É o calor que quando fornecido a uma substância ou

cedido por ela, provoca apenas variação na sua temperatura.

Q = m.cp.T

Latente: É o calor que quando fornecido a uma substância ou cedido

por ela, provoca uma mudança no seu estado físico (mudança de

fase) sem que varie a sua temperatura.

Q = m.L

específicolatentecalorL

substânciadamassam

trocadalatentecalordequantidadeQ

Calor sensível e calor latente

substânciadaespecíficocalorcp

atemperaturdeiaçãovarTTT

substânciadamassam

trocadasensívelcalordequantidadeQ

if

Calor sensível e calor latente

Figura 1: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança na

sua temperatura (calor sensível).

Figura 2: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança no

estado físico, sem que haja variação na temperatura (calor latente).

Figura 3: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança na

sua temperatura (calor sensível).

Figura 4: Há fornecimento de calor, porém só ocorre mudança no

estado físico, sem que haja variação na temperatura (calor latente).

Curvas de aquecimento e

resfriamento

Vamos supor que tenhamos, num recipiente, certa massa de

gelo inicialmente a -20°C, sob pressão atm. Se levarmos esse

sistema ao fogo (figura abaixo), acompanhando como varia a

temperatura no decorrer do tempo, veremos que o processo

todo pode ser dividido em cinco etapas distintas:

- aquecimento do gelo de -20°C a 0°C

- fusão do gelo a 0°C

- aquecimento da água líquida de 0°C a

100°C

Vaporização da água

líquida da 100°C

aquecimento do

vapor acima de

100°C (supondo-

o confinado a

um recipiente)

- resfriamento do vapor de 110°C a 100°C

- condensação do vapor a 100°C

- resfriamento da água

líquida de 100°C a 0°C

solidificação da água a 0°C

resfriamento do gelo abaixo de 0°C

TERMOLOGIA:

Temperatura

É a medida da agitação das moléculas de

um corpo. É uma descrição quantitativa

para verificar se um corpo é quente ou frio.

Corpo quente:

maior agitação

Corpo frio:

menor agitação

TERMOLOGIA:

Equilíbrio Térmico

TA

TB

T

TA > T > TB

A temperatura de

equilíbrio é menor que

TA e maior que TB.

TERMOLOGIA:

Escalas termométricas

Celsius(ºC)

100ºC

Fahrenheit(oF)

212ºF Kelvin(K)

373,15 K

- 273,15ºC - 459,67ºF 0 K

Ponto de

fusão do gelo

Rankine(R)

671,67 R

0R

0ºC 32ºF 273,15 K 491,67 R

Zero

Absoluto

Ponto de

ebulição da água

Relação entre as escalas

0oC 32oF 273,15 K

Celsius(oC)

100oC

Fahrenheit(oF)

212oF

Kelvin(K)

373,15 K

Temperatura

qualquer

TC TF TK

491,67 R

Rankine(R)

671,67 R

TR

TC

5

TK 273.15

5

TF 32

9

TR 491.67

9

TC 0

100 0

TK 273.15

373.15 273.15

TF 32

212 32

TR 491.67

671.67 491.67

Dividindo-se o

denominador

por 20:

1. (F.M.Pouso Alegre-MG) O termômetro Celsius marca 0 na

temperatura do gelo fundente e 100 na temperatura de ebulição da

água, sob pressão atmosférica. O termômetro Fahrenheit marca 32 e

212, respectivamente, nessas temperaturas. Quando o termômetro

Celsius marcar 40°C, o Fahrenheit marcará:

a)8,0 b) 72 c) 104 d) 132 e) 140

2. (Unimep-SP) Numa das regiões mais frias do mundo, o termômetro

indica -76°F. Qual será o valor dessa temperatura na escala Kelvin?

a) -333,15 b) 213,15 c) -213,15 d) -103 e) 333,15

3. (U.F. Uberlândia – MG) A temperatura normal do corpo humano é,

em média, de 36ºC. Se uma pessoa está com 39ºC, qual a sua variação

de temperatura na escala Kelvin?

a) 36K b) 312K c) 234K d) 39K e) 3K

EXERCÍCIOS

4. Numa cidade baiana o termômetro marca 30ºC. Em graus Rankine

essa temperatura vale, aproximadamente:

a) 303 b) 86 c) 546 d) 492 e) 446

5. Na escala Rankine, considerando a pressão atmosférica, quanto

vale 0 K?

a) 491,67R b) -100R c) 212R d) 0R e) 671,67R

EXERCÍCIOS

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

1. Convecção:

No processo de convecção quando

resfriamos uma parte do fluido, ele

diminui de volume, torna-se mais

denso e desce.

Ao mesmo tempo, seu lugar vai

sendo ocupado pelas camadas

menos densas, ou seja, mais

quentes, que estão abaixo dela.

Assim na convecção existe

transferência de calor e de massa.

Convecção

ar frio

1.1. A lei de resfriamento de Newton Considerando a transferência de calor que ocorre no contato de

um fluido em movimento e uma superfície de área A, quando os

dois se encontram a temperaturas diferentes, a equação que

descreve a taxa de transferência de calor convectiva é conhecida

como a lei do resfriamento de Newton e é dada por:

fluidoT

erfícieTAhsup

onde:

•Φ – fluxo de calor convectivo, W;

•h – coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m2.K;

•onde:

•A – área, m2.

Convecção

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2. Condução:

Na condução o processo de

transferência de energia se

dá através da vibração das

moléculas.

Essa vibração ocorre sem

deslocamento das mesmas.

Uma molécula transmite

vibração para outra, na

medida que são submetidas

à variação de temperatura.

Assim na condução só existe

transferência de calor.

O ferro é bom condutor: o calor se

propaga rapidamente da extremidade B a

extremidade A.

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1. Lei da Condução:

A quantidade de calor que atravessa

uma superfície pelo intervalo de

tempo depende da área da parede

A, da espessura e, da diferença de

temperatura (T2 – T1) e da natureza

do material que constitui a parede.

Para um dado material, a taxa de

transferência de calor é tanto maior

quanto maior a área A, quanto maior

a diferença de temperatura ∆T, e

quanto menor a espessura e.

O fluxo é diretamente proporcional

à área A e à diferença de

temperatura ∆T, e inversamente

proporcional à espessura e.

e

TTA12

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Lei de Fourier da Condução:

onde:

•Φ – fluxo de calor condutivo, W;

•k – constante de proporcionalidade e depende da natureza do

material, sendo denominada coeficiente de condutividade

térmica. Seu valor é elevado para os bons condutores como os

metais, e baixo para os isolantes térmicos. Unidade: W/m.K;

•A – área em m2;

•e – espessura da parede, em m.

e

TTAk 12

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

3. Radiação: A radiação térmica é a energia

emitida por toda matéria que se

encontra a uma temperatura

não-nula.

A radiação é transportada por

meio de ondas

eletromagnéticas.

Enquanto a transferência de

calor por condução ou

convecção necessita de um

meio material, a radiação não

necessita dele. Se propaga com

mais eficiência no vácuo.

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

3. Radiação:

A taxa pela qual a energia radiante é emitida por

uma superfície (corpo negro) é chamada por

poder emissivo (E), que é expresso pela lei de

Stefan-Boltzmann:

Radiação

4sup

TE onde:

•E – poder emissivo,W/m2;

•T – temperatura absoluta do corpo, K;

4281067,5

Km

W

(constante de proporcionalidade

de Stefan-Boltzmann)

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

3. Radiação:

O fluxo de calor emitido por um corpo real é

menor do que aquele emitido por um corpo

negro e é dado por:

Radiação

4sup

TE onde:

•ɛ – emissividade do corpo e pode ter valores entre

0 e 1. Essa propriedade fornece uma medida da

capacidade de emissão de energia de uma

superfície com relação ao corpo negro. Depende

do material da superfície e de seu acabamento.

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

3.1. Irradiação:

É a taxa em que todas as radiações (do sol, de

outras superfícies da vizinhança) incidem sobre

uma área unitária da superfície.

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

FIM