Fórmulas absorvidas pelo calor, como calculá -lo e resolver exercícios

Ele calor absorvido É definido como a transferência de energia entre dois corpos em diferentes temperaturas. Aquele com temperatura mais baixa absorve o calor do que em uma temperatura mais alta. Quando isso acontece, a energia térmica da substância que absorve o calor aumenta e as partículas que a compõem vibram mais rapidamente, aumentando sua energia cinética.

Isso pode se traduzir em um aumento de temperatura ou uma mudança de estado. Por exemplo, mova -se de sólido para líquido, como gelo quando derrete em contato com água ou refrigerante à temperatura ambiente.

A colher de chá de metal absorve calor de café quente. Fonte: Pixabay.

Graças ao calor, também é possível que os objetos mudem suas dimensões. A dilatação térmica é um bom exemplo desse fenômeno. Quando a maioria das substâncias é aquecida, elas geralmente experimentam um aumento em suas dimensões.

Uma exceção a isso é água. A mesma quantidade de água líquida aumenta seu volume quando resfriado abaixo de 4 ºC. Além disso, as mudanças de temperatura também podem sofrer mudanças no nível de sua densidade, algo também muito observável no caso da água.

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O que é e fórmulas

No caso de energia em trânsito, as unidades do calor absorvidas são os joules. No entanto, por muito tempo o calor tinha suas próprias unidades: a caloria.

Ainda hoje, esta unidade é usada para quantificar o conteúdo energético dos alimentos, embora, na realidade.

Calorias

A caloria, abreviada como Lima, É a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 º C.

No século XIX, Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) realizou um famoso experimento no qual ele conseguiu transformar o trabalho mecânico em calor, obtendo a seguinte equivalência:

1 caloria = 4.186 Joules

Nas unidades britânicas, a unidade de calor é chamada BTU (Unidade Térmica Britânica), que é definido como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um quilo de água em 1 ºF.

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A equivalência entre unidades é a seguinte:

1 BTU = 252 calorias

O problema com essas unidades antigas é que a quantidade de calor depende da temperatura. Ou seja, não é o mesmo que é necessário para passar de 70 ºC para 75 ° C do que o necessário para aquecer a água de 9 ° C a 10 ºC, por exemplo.

É por isso que a definição contempla intervalos bem definidos: 14.5 a 15.5 ° C e 63 a 64 ° F para calorias e BTU, respectivamente.

O que depende da quantidade de calor absorvida?

A quantidade de calor absorvido que coleta um material depende de vários fatores:

- Massa. Quanto maior a massa, mais calor é capaz de absorver.

- Características da substância. Existem substâncias que, dependendo de sua estrutura molecular ou atômica, são capazes de absorver mais calor do que outros.

- Temperatura. É necessário adicionar mais calor para obter uma temperatura mais alta.

A quantidade de calor, indicada como Q, É proporcional aos fatores descritos. Portanto, você pode escrever como:

Q = m.c.ΔT

Onde m É a massa do objeto, c é uma constante chamada calor específico, uma propriedade intrínseca da substância e δT É a variação de temperatura alcançada absorvendo o calor.

Δt = t_F - T_qualquer

Essa diferença tem um sinal positivo, pois quando absorve o calor T_F > T_qualquer. Isso acontece a menos que a substância esteja experimentando uma mudança de fase, como a água quando o fluido de vapor passa. Quando a água ferve, sua temperatura permanece constante em aproximadamente 100 º C, independentemente da rapidez.

Como calcular?

Entrando em contato com dois objetos a uma temperatura diferente, depois de um tempo ambos atingem o equilíbrio térmico. Portanto, as temperaturas são equalizadas e a transferência de calor cessa. O mesmo acontece se mais de dois objetos estiverem em contato. Depois de um certo tempo, todos estarão na mesma temperatura.

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Supondo que os objetos no contato formem um sistema fechado, do qual o calor não pode escapar, o princípio da conservação de energia é aplicado, portanto, pode -se afirmar que:

Q _absorvido = - q _Bastão

Isso representa um balanço energético, semelhante ao das entradas e despesas de uma pessoa. É por isso que o calor cedido tem um sinal negativo, pois para o objeto que rende, a temperatura final é menor que a inicial. Portanto:

Δt = t_F - T_qualquer < 0

A equação q _absorvido = - q _Bastão É usado sempre que dois objetos estão em contato.

O balanço energético

Para executar o balanço energético, é necessário distinguir os objetos que absorvem o calor daqueles que produzem: então:

Σ q_k= 0

Isto é, a soma dos ganhos e perdas de energia em um sistema fechado deve ser igual a 0.

O calor específico de uma substância

Para calcular a quantidade de calor absorvido, você precisa conhecer o calor específico de cada substância participante. Esta é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 g de material em 1 º C. Suas unidades no sistema internacional são: joule/kg . K.

Existem tabelas com o calor específico de inúmeras substâncias, geralmente calculadas usando um calorímetro ou ferramentas semelhantes.

Um exemplo de como calcular o calor específico de um material

250 calorias são necessárias para elevar a temperatura de um anel de metal de 20 a 30 ºC. Se o anel tiver uma massa de 90 g. Qual é o calor específico de calor nas unidades SI?

Solução

As unidades são convertidas pela primeira vez:

Q = 250 calorias = 1046.5 J

M = 90 g = 90 x 10^-3 kg

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Exercício resolvido

Um copo de alumínio contém 225 g de água e um agitador de cobre de 40 g, tudo a 27 ° C. Uma amostra de 400 g de prata a uma temperatura inicial de 87 ° C é colocada na água.

O agitador é usado para mexer a mistura até atingir sua temperatura final de equilíbrio de 32 ° C. Calcule a massa do copo de alumínio, considerando que não há perdas de calor em direção ao meio ambiente.

Esquema de um calorímetro. Fonte: Solidswiki.

Abordagem

Como afirmado acima, é importante distinguir os objetos que produzem calor daqueles que absorvem:

- Copo de alumínio, cobre e agitador de água absorver calor.

- A amostra de prata produz calor.

Dados

Os aquecimentos específicos de cada substância são fornecidos:

- Prata: C = 234 J/kg. ºC

- Cobre: ​​c = 387 J/kg. ºC

- Alumínio c = 900 j/kg. ºC

- Água C = 4186 J/kg. ºC

O calor absorvido ou atribuído por cada substância é calculado pela equação:

Q = m.c.λT

Solução

Prata

Q _Bastão = 400 x 10 ^-3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J

Agitador de cobre

Q _absorvido = 40 x 10 ^-3 . 387 x (32 - 27) j = 77.4 J

Água

Q _absorvido = 225 x 10 ^-3 . 4186 x (32 - 27) j = 4709.25 J

Copo de alumínio

Q _absorvido = m _alumínio . 900 x (32 - 27) J = 4500 .m _alumínio

Fazendo uso de:

Σ q_k= 0

77.4 + 4709.25 + 4500 .m _alumínio = - (-5148)

Finalmente, a massa de alumínio é liberada:

m _alumínio = 0.0803 kg = 80.3 g

Referências

1. Giancoli, d.  2006. Física: Princípios com aplicações. 6^º. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, l. 2007. Física: uma olhada no mundo. 6^ta Edição abreviada. Cengage Learning. 156 - 164.
3. Rex, a. 2011. Fundamentos da Física. Pearson. 309 - 332.
4. Sears, Zemansky. 2016. Física da Universidade com Física Moderna. 14^º. Volume 1. 556 - 553.
5. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fundamentos da Física. 9^{n / D} Cengage Learning. 362 - 374