Termologia: Calorimetria

AS MEDIDAS DO CALOR

Alto verão. Você chega em casa, morto de sede. Mas alguém deixou de colocar as garrafas de refrigerante na geladeira.

Você, então, põe alguns cubos de gelo no copo. E, rapidamente, a bebida está fresca e o gelo, derretido. Esse gesto é tão natural que você provavelmente jamais parou para pensar: por que o gelo baixa a temperatura da bebida? Que tipo de fenômeno é esse?

Quando dois corpos em temperaturas distintas são colocados em contato, ocorre uma transferência de calor do corpo de maior temperatura inicial para o de menor temperatura.

Essa transferência de calor só se interrompe quando os corpos atingem o equilíbrio térmico, ou seja, quando as temperaturas finais dos dois corpos forem iguais.

A forma como dois corpos chegam ao equilíbrio térmico depende de diversas variáveis, como a temperatura inicial, a natureza e a massa de cada um dos corpos envolvidos. Sobre essas variáveis, os físicos construíram três conceitos importantes: calor específico, calor sensível e calor latente.

Calor específico

Calor específico, representado por c, é a quantidade de energia necessária para que 1 grama de determinado material apresente uma variação de temperatura de 1 °C. A unidade de medida mais usual para calor específico é cal/g .oC.

Mas no Sistema Internacional de Unidades (S.I.) essa medida é dada em joule por quilograma e kelvin (J/kg .K).

O calor específico de um corpo é uma grandeza física própria do material que constitui esse corpo – e independe das dimensões ou da massa do corpo. Assim, um bloco de 1 quilo de prata e outro bloco de 100 quilos de prata apresentam o mesmo calor específico. Veja na tabela abaixo o calor específico de alguns materiais.

Calor sensível

É a quantidade de energia envolvida no processo de alteração da temperatura de um corpo, sem que o corpo mude de estado físico (veja o quadro Atenção, ao lado). A quantidade de calor sensível recebida ou cedida por um corpo de massa m e que apresenta uma variação de temperatura Di é dada pela equação fundamental da calorimetria:

Em que:

• Q é o símbolo para quantidade de energia (neste caso, calor sensível);
• m é a massa do corpo;
• c é o calor específico;

É o símbolo de variação da temperatura.

Sempre que um corpo tem a temperatura aumentada, dizemos que ele recebeu certa quantidade de energia, chamada de calor sensível, do meio externo. Analogamente, quando um corpo apresenta uma diminuição de temperatura, dizemos que ele perdeu certa quantidade de energia, ou calor sensível, para o meio externo. Assim, Q pode assumir valores positivos ou
negativos. Em linguagem matemática:

Calor latente

É a energia envolvida no processo de mudança do estado físico (ou fase) de uma substância, e seu valor depende tanto da massa quanto da mudança de estado físico em questão. A quantidade de energia Q necessária para que um corpo de massa m sofra determinada mudança de fase é calculada pela expressão:

Q é a quantidade de energia (ou seja, quantidade de calor latente);
m é a massa do corpo;
L é o calor latente da mudança de fase em questão, medido em cal/g.

A quantidade de calor latente (Q) recebida ou perdida por um corpo não provoca mudança de temperatura. É responsável apenas pela alteração do estado de agregação de suas partículas, ou seja, pela mudança de seu estado físico.

O comportamento de um corpo que é aquecido no estado sólido, passa pelo estado líquido e atinge o estado gasoso pode ser descrito num gráfico que mostre o que ocorre com sua temperatura em função da quantidade de calor trocada entre o corpo e o meio externo. É a chamada curva de aquecimento.

Acima você vê dois gráficos. O primeiro mostra uma curva de aquecimento genérica. Nele, as temperaturas de fusão e ebulição se referem a uma substância qualquer. O segundo, logo abaixo, é a curva de aquecimento de um cubo de gelo.

Trocas de calor

Quando dois corpos são postos em contato dentro de um recipiente termicamente isolado, o corpo mais quente cede calor para o corpo mais frio, até que o equilíbrio térmico seja atingido.

Para estudar a troca de calor entre diferentes materiais, os físicos utilizam o equipamento chamado calorímetro. Um calorímetro ideal é aquele que barra, completamente, a troca de calor entre o meio interno e o meio externo e que tem capacidade térmica desprezível. Na prática, não existem calorímetros perfeitos.

Considere um calorímetro ideal com certa massa de água, à temperatura ambiente. Se mergulharmos na água um bloco de chumbo a uma temperatura elevada, haverá uma transferência espontânea de energia do corpo mais quente (chumbo) para o corpo mais frio (água), até que o sistema água e chumbo atinja o equilíbrio térmico.

Se o calorímetro é ideal, não existe perda de energia para o meio externo. Então, toda a quantidade de calor perdida pelo chumbo é transferida para a água. Se durante a troca de calor entre os corpos o bloco de chumbo perdeu 100 calorias de energia, a água recebeu as mesmas 100 calorias de energia. Isso significa que, num sistema em um calorímetro ideal, a quantidade de energia cedida por um ou mais corpos que constituem o sistema é igual à quantidade de energia recebida pelos demais corpos.

Em linguagem matemática: