Conceito de calor sensível, fórmulas e exercícios resolvidos

Ele Calor sensível É a energia térmica fornecida a um objeto que faz com que sua temperatura aumente. 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 temperatura da água de 20 ° C. Quando o colocamos na buzina, o calor fornecido aumenta a temperatura da água lentamente para 100 ° C (temperatura de ebulição da água no nível do mar). O calor fornecido é chamado de calor sensível.

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

Uma vez que a água atinge a temperatura de ebulição, o calor fornecido pelo Hornilla não aumenta mais a temperatura da água, o que permanece a 100 ° C.  Nesse caso, a energia térmica fornecida é investida na evaporação da água. O calor fornecido é latente porque não aumentou a temperatura, mas causou uma mudança da fase líquida na fase gasosa.

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

[TOC]

Conceito e fórmulas

Foi observado que, além da diferença de massa e temperatura, o calor sensível também depende do material. Por esse motivo, a constante de proporcionalidade entre o calor sensível e o produto da massa pela diferença de temperatura é chamado de calor específico.

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

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

Q = cp . m (tF - TYo)

Na equação anterior Q É o calor sensível fornecido ao objeto de massa m, que aumentou sua temperatura inicial T_Yo Até o valor final Tf. Na equação anterior, também aparece cp, que é o calor específico do material a pressão constante, porque o processo foi realizado dessa maneira.

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

No caso de um gás fechado em um recipiente rígido é fornecido, o processo será isocórico, isto é, em volume constante; E a fórmula de calor sensível será escrita assim:

Pode servir a você: movimento ondulado: características, tipos de ondas, exemplos

Q = cv. m . (TF - TYo)

O coeficiente adiabático γ γ

A razão entre o calor específico à pressão constante e o calor específico em volume constante para o mesmo material ou substância é chamado Coeficiente adiabático, que geralmente é denotado com a letra Gamma Gamma γ.

Ele Coeficiente adiabático é maior que a unidade. O calor necessário para elevar a temperatura de um corpo de um grama de massa para uma nota é maior em um processo isobárico do que em um isocórico.

Isso ocorre porque, no primeiro caso, parte do calor é usada para fazer trabalho mecânico.

Além do calor específico, a capacidade de calor de um corpo é geralmente definida. Esta é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura daquele corpo a um grau centígrado.

Capacidade de calor c

A capacidade de calor é denotada com C maiúsculas, enquanto o calor específico com c minúscula. A relação entre ambos os valores é:

C = C⋅ m

Onde m É a massa do corpo.

O calor específico do molar também é usado, o que é definido como a quantidade de calor sensível necessário para aumentar para uma temperatura Celsius ou Kelvin.

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 gases. R = 8,314472 J/(mol ℃).

Por exemplo, o alumínio tem calor molar específico 24.2 J/(mol ℃), o cobre 24.5 J/(mol ℃), o 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 específico está próximo de N (R/2), onde é n um número inteiro e R É a constante universal de gases. O número inteiro n está relacionado ao número de graus de liberdade de molécula que forma o gás.

Por exemplo, em um gás monoatômico ideal, cuja molécula só tem os três graus de liberdade, o calor molar específico para o volume constante é 3 (R/2). Mas se for um gás diatômico ideal, dois graus de rotação são adicionais, então cv = 5 (R/2).

Pode servir a você: semicírculo: como calcular o perímetro, área, centróide, exercícios

Nos gases ideais, a seguinte relação entre o calor molar de calor específica e o volume constante é cumprido: cp = cv + R.

Menção lateral merece água. Em estado líquido aos 25 ℃ a água tem cp = 4.1813 J/(g ℃), Vapor de água a 100 graus Celsius tem cp = 2.080 J/(g ℃) E gelo de água para zero grau Celsius tem cp = 2.050 J/(g ℃).

Diferença com calor latente

A matéria pode ser encontrada em três estados: sólido, líquido e gasoso. Para mudar o estado, a energia é necessária, mas cada substância responde a ele 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 tenham mudado de status.

Portanto, é possível que uma substância seja ao mesmo tempo em equilíbrio em duas fases: sólido - líquido ou vapor, por exemplo. Uma quantidade de substância pode passar de um estado para outro adicionando ou removendo um pouco de 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 não retornem mais à sua posição de equilíbrio e aumentam a separação entre eles. Quando isso acontece, a temperatura não aumenta, mas a substância passa de sólido para líquido ou fluido a gás.

No calor necessário para que isso aconteça, é conhecido como calor latente. Portanto, o calor latente é o calor pelo qual uma substância pode mudar a fase.

Aqui está a diferença com 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 . eu

Onde eu Pode ser o calor específico da vaporização ou fusão. As unidades de eu Eles são energia/massa.

Os cientistas deram inúmeras denominações de calor, dependendo do tipo de reação em que ele participa. Assim, por exemplo, existe o calor da reação, o calor da combustão, o calor da solidificação, o calor da solução, o calor da sublimação e muitos outros.

Pode servir a você: energia cinética: características, tipos, exemplos, exercícios

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

Exercícios resolvidos

Exemplo 1

Suponha um que tenha 3 kg de alumínio em massa. Inicialmente é a 20 ° C e você deseja aumentar sua temperatura até 100 ° C. Calcule o calor sensível necessário.

Solução

Primeiro, precisamos conhecer o calor específico do alumínio

cp = 0,897 J / (g ° C)

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

Q = cp 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 no nível do mar. Expressar o resultado também em quilocalorias.

Solução

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

Q = cp m (tf - Ti) = 4.1813 J/(g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 j

Caloria é uma unidade de energia definida como o calor sensível necessário para levantar um grama de água para um Celsius. Portanto, 1 caloria é equivalente a 4.1813 Joules.

Q = 313597.5 J * (1 Cal / 4.1813 J) = 75000 limão = 75 kcal.

Exemplo 3

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

Aquecendo a amostra. Fonte: Self feito.

Encontre o calor específico do material.

Solução

Podemos escrever o calor específico com base em calor, massa e variação de temperatura sensíveis de acordo com a fórmula:

cp = Q /(M ΔT)  

Substituindo os dados que temos o seguinte:

cp = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0.0310 Cal / (g ℃)

Mas como uma caloria é equivalente a 4.1813 J, o resultado também pode ser expresso como

cp = 0,130 J / (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. Tiptens, p. 2011. Física: conceitos e aplicações. 7º. Edição revisada. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, a. 2011. Fundamentos da Física. Pearson. 309 - 332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Física da Universidade com Física Moderna. 14^º. Volume 1. 556 - 553.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fundamentos da Física. 9^{n / D} Cengage Learning. 362 - 374.