Apostila de Calorimetria 2

 

Série / Turma 2ª Ano FÍSICA Bimestre 2º  ALCEU DIAS DIAS DA ANU ANUNCIAÇÃO NCIAÇÃO

Apostila de Calorimetria Disciplina Professor

2017

Aluno (a) CALORIMETRIA CALOR Considere um corpo inicialmente aquecido à temperatura de   e agora exposto ao ambiente, está esfriando, isto é, está diminuindo sua temperatura, procurando atingir a sua temperatura  do ambiente. Lembramoss que a temperatura é a medida do estado de agitação térmica das Lembramo partículas de um corpo, ou da energia de agitação dessas partículas, partículas, ou ainda da energia térmica do corpo. Se o corpo está diminuindo sua temperatura, temperatura, então significa que está reduzindo a energia de agitação de suas partículas, isto é, perdendo energia térmica. térmica. De fato, a energia do corpo se transfere para o ambiente. Denomina-se Denomina -se calor a energia térmica que se transfere transfere.. E, espontaneamente, o calor flui de pontos de maior temperatura para os de menor temperatura. Calor é a energia térmica em trânsito. Calor é Em um esfriamento o corpo estará perdendo calor (energia térmica).

Em um aquecimento o corpo estará ganhando calor (energia térmica).

Calor sensível Calor sensível é sensível é o calor que provoca no corpo uma variação de ttemperatu emperatura. ra.  =  ∙  ∙ ∆  Matematicamente Matematicamen te o calor sensível é representado por: Onde: Q = Quantidade de calor sensível m = massa do corpo c = calor específico do material de que é feito o corpo. ∆ = variação de temperatura Unidades de medida Sendo o calor uma forma de energia, sua unidade de medida é o J(Joule), embora seja mais usual medir o calor utilizando util izando a unidade cal (caloria) A relação entre cal e J é 1 cal = 4,186 J.  

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Exemplos: 01 – Um bloco de ferro de massa 100 g recebe 880 calorias e sofre um aquecimento de 80 °C. Qual é o valor do calor específico? Resp: c = 0,11 cal/g °C Capacidade térmica Capacidade térmica ( ) de um corpo é o quociente entre a quantidade de calor recebido Q e a corresponde correspondente nte variação de temperatur temperaturaa ∆.    =   ou   =  ∙ , então Q =  ∙ ∆  ∆ 02 – Um corpo a 10 °C recebe 500 cal, elevando a temp temperatura eratura até 60 °C. Qual é a capacidade térmica do corpo? Resp: 10 cal/ /C Equivalencia em Água Equivalencia em água (E) de um corpo é corpo é a massa de água que q ue possui a mesma capacidade térmica do corpo. Atenção: Quando a unidade unidade da capacidade térmica é cal/°C e a do equivalente em água é g, podemos afirmar que E e   são numericamente numericamente iguais.  =    03 – 03  – Qual é a equivalencia em água de um corpo cujo capacidade térmica vale 20 cal/°C? 04 – O equivalente em água de um calorimetro é igual a 100 g. Determine sua capacidade 04 – térmica em: a) Cal/°C b) J/°C Dado: 1 cal = 4,2 J. Resp: a) 100 cal/°C b) 420 J/°C Mudança de estado físico da matéria Os estados físicos da matéria são: sólido sólido,, líquido líquido e  e gasoso gasoso.. Uma substância poderá passar de um estado a outro, ao receber ou perder calor. O esquema abaixo indica os nomes dos estados físicos da matéria e os das mudanças entre esses estados.

O esquema mostra que, do estado sólido para o líquido e do estado líquido lí quido para o gasoso, a substância recebe calor, ocorrendo portanto, uma transformação endotérmica. endotérmica. E, no sentido contrário, as transformações transformações são exotérmica, isto é, a substância cede calor. Atenção: A Atenção:  A mudança de estado físico ocorre em uma determinada temperatura, que só depende da substância e da pressão à qual ela está submetida. Calor Latente Calor Latente é Latente é o calor que provoca no corpo uma mudança de estado físico. A constante de proporcionalidade L é chamada de calor específico latente ou, simplesmente,, calor latente L e depende da substância e do tipo de mudança de simplesmente estado.  

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O Calor Latente é Latente é representado matematicamen matematicamente te por:  =  ∙   Atenção: Durante Atenção:  Durante a mudança de estado de uma substância pura a temperatura se mantém constante. Atenção: Se Atenção:  Se o calor latente for positivo (L > 0), a substância recebe calor para que ocorra ocorra a mudança de estado. Se for negativo (L < 0), a substância cede calor. Os calores latentes de mudança de fase da substância água são: latente de f usão: Calor lat usão:    = 80 cal ca /g.  l/g.  Callor latente de va vaporização porização::  = 540 cal/g.  Ca

Calor la lattente de solidif icaçã ação o:  = - 80 cal/g.  condensação ensação::   = - 54 540 0 ca call  Calor latente de cond 05 – Um bloco de 20 2 0 g de gelo em fusão, ao receber calor de uma fonte, derrete completamente. completamen te. Qual é a quantidade de calor fornecida pela fonte? Dado: calor latente de fusão do gelo   = 80 /   Resp: 1600 cal 06 – Um bloco de 50 g de gelo, inicialmente 06 – inicialmente a – 10 °C, recebe calor de um umaa fonte até sua fusão total. a) Qual é a quantidade de calor fornecida no processo? Resp: 4 250 cal b) Esboce um gráfico da temperatura em função da quantidade de calor recebida pelo gelo. Dados: L = 80 cal/g ; (á) = 1 cal/g °C; () = 0,5 cal/g °C 07 – Um corpo de massa 200 g, inicialmente em 07 – estado sólido, recebe calor de uma fonte térmica de potencia constante igual a 100 cal/min. A temperaturaa do corpo varia com o tempo temperatur conforme o gráfico ao lado. Determine: a) o calor específico do corpo sólido; Resp: 0,2 cal/g °C b) o calor específico latente de fusão. Resp: 44 cal/g Sistema termicamente isolado Um sistema é termicamente isolado quando isolado quando os corpos em seu interior não trocam calor com o meio externo. Na realidade, não existe um sistema termicamente isolado ideal, isto é, livre de toda e qualquer influência térmica meio ambiente. Na prática, os corpos c orpos que trocam calor podemdo ser colocados em recipientes denominad denominados os calorímetros e ser considerados, aproximadame aproximadamente, nte, um sistema termicamente isolado. Trocas de calor num sistema termicamente isolado Considere dois corpos A e B termicamente isolados, de temperatura  e  . Postos em contato, fluirá o calor do mais quente, o de maior temperatura, para o mais frio, o de menor temperatura. Assim, o mais quente, perdendo energia térmica, irá esfriando e o mais frio, ganhando energia térmica, irá aquecendo, até o momento em que os dois atinjam a mesma temperatura temperatura , cessando o fluxo de calor. calor. Nesse momento diz-se que os corpos atingiram o equilíbrio térmico. térmico.

 

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Inicialmente ⇒   >    térmico

e

finalmente ⇒    =  = : temperatura fina de equilíbrio

Nesse processo, pela conservação de energia, podemos afirmar que a quantidade de calor cedido   por um corpo representa a quantidade de calor recebido   pelo outro. | | = | calor   =  |  |, Logo podemos afirmar que:   +   =   ⇒ Equação de troca de calor  Atenção: A equação da troca de calor é válida também no caso em que ocorre mudança Atenção: A de estado físico em um ou nos dois corpos em contato. É válido escrever:   +   =   Quando tiver mais de dois corpos em contato, c ontato, inicialmente a temperatura diferentes, ocorrem trocas de calor até at é que eles alcancem o equilíbrio, podemos escrever:  +  +  + ⋯ +   =  

Exercícios 01 – Misturam-se 80 g de água, inicialmente a 20 °C, com 40 g de água a 80 °C. 01 – Determine a temperatura final da mistura. Resp: 40 °C 02 – Um recipiente com capacidade térmica igual a 30 cal/ °C contém 70 g de água a 02 – 10 °C. Nele introduz-se uma esfera de bronze a 200 °C, com 150 g de massa. Determine a temperaturaa final do equilíbrio térmico. temperatur Dados; (á)=1 cal/g°C e () = 0,09 cal/g°C Resp:  = 32,6 °C 03 – Uma moeda de cobre a 150 °C, com 50 g de massa, é posta em contato com um 03 – bloco de gelo a 0 °C. Calcule a massa do gelo que se funde. Dados: () = 0,09 cal/g°C e   =  /. Resp: 8,4 g  04 -Massas de água líquida a 0 °C e gelo a – 10°C são postos em contato. 04 -Massas Dados: (á)=1 cal/g °C; ()=0,5 cal/g °C e   =  / . Determine a razão entre as massas de gelo e água, sabendo que no equilíbrio térmico só  = 16   existe gelo a 0 °C. Resp:   

05 - Um corpo sólido, cuja capacidade térmica é 25 cal/°C, inicialmente 05 inicialmente à ttemperatur emperaturaa t, é colocado em contato contato com 50 gramas de gelo a 0 °C, alcan alcançando çando a mistura a temperatu temperatura ra final de equilíbrio térmico de 20 °C. Dados: (gelo)   =  / e (á)=1 cal/g °C a)  Determine a temperatura inicial do sólido; Resp: 220 °C b)  Esboce um gráfico das tempera temperaturas turas em função das quantidad quantidades es de calor trocadas.

 

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06 – Um calorímetro de equivalência em água água igual a 50 g contém 600 g de água a 20 °C. Introduzindo-se Introduzin do-se 10 g de gelo a 0 °C e um corpo de 200 g à temperatu temperatura ra de 400 °C, o equilíbrio térmico se estabelece a 22 °C. Resp: 0,031 cal/g °C Dados: (gelo)   =  / e (á)=1 cal/g °C 07 – Num calorímetro de capacidade térmica desprezível, misturamos 200 g de água a 07 – 0 °C com 10 g de gelo fundente. Dados: (á)=1 cal/g °C; e   =  /. Determine a temperatura de equilíbrio térmico. 08 - Num calorímetro de capacidade 08 térmica desprezível é colocado um corpo a 200 °C, juntamente com uma mistura de 100 g de água e gelo. O gráfico ao lado representa represen ta essa situação até o equilíbrio térmico. Dados: (gelo)   =  / e (á)=1 cal/g °C. Determine: a) as massa de água e gelo da mistura inicial; Resp: á  =   e   =    b) a temperatura T do equilíbrio térmico; Resp: 40 °C c) a capacidade térmica do corpo. Resp: 30 cal/°C 09 – Pedaços de alumínio, com 100 g cada, são retirados de um forno a 500 °C e 09 – colocados em contato com um bloco de 5 kg de gelo a 0 °C. Quantos pedaços de alumínio serão necessários para derreter totalmente o gelo? Resp: 40 pedaços /°  e   =  /  Dados:    = ,  /° 10 – A temperatur 10 – temperaturaa de ebulição do álc álcool ool é 78,0 °C, sob pressão normal. Determine o calor latente de condensação do álcool sabendo-se que ao passar 100 g de seu vapor a 78,0 °C por uma serpentina de capacidade térmica desprezível, mergulhada mergulhada em 4 kg de água a 20 °C, o vapor se condensou e foi recolhido no estado líquido a 78 °C, sendo que a água elevou-se a 25,1 °C. Resp: L = – 204 cal/g 11 – (FGV-SP) O calor específico do ferro é de aproximadamente 0,1 cal/g°C. Isso significa 11 – que, para se elevar em 12 °C a temperatura de um pedaço de 5 g de ferro, é necessário uma quantidade de calor, em calorias, de: a) 0,50 b) 1,2 c) 6 d) 60 e) 120 12 – (PUC-SP) A água do mar junto à paria não ac 12 – acompanha, ompanha, rapidamen rapidamente, te, a variação de temperaturaa que pode ocorrer na atmosfera. Isso ocorre porque: temperatur a) o volume da água do mar é muito grande. b) o calor especifico da água é grande. c) o calor latente da água é pequeno. d) o calor sensível da água é grande. e) a capacidade térmica da água ág ua é pequena.

 

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13 – (Fuvest-SP) O calor específico de um sólido, sob pressão 13 – constante, varia linearmente com a temperatura, t emperatura, de acordo com o gráfico ao lado. A quantidade de calor, em calorias, necessárias para aquecer aquecer 1 g desse sólido, de 10 °C a 20 °C, está compreendida entre os valores: a) 5 e 6 b) 50 e 60 c) 2 e 5 d) 6 e 10 e) 1 e 2 14 – (Mackenzie-SP) O diagrama representa a quantidade 14 – de calor absorvida por dois corpos A e B, de massas iguais, em função da temperatura. A relação entre os calores específicos específicos dos ccorpos orpos A e B é: a)



  

b)  

c)  

d)  

e)  

15 – (UFBA) O diagrama representa as variações de 15 – temperatura em função do tempo, de 100 g de água inicialmente a 25 °C e de 175 g de uma substância inicialmente a 85 °C, quando colocados em um vaso adiabático. Determine: a) ao quantidade de calor recebida pela substância; b) calor específico da substância. 16 – (Fuvest-SP) Aquecendo-se 30 g de uma 16 – substância à razão constante de 30 cal/min, dentro de um recipiente bem isolado, sua temperatura varia com o tempo de acordo com a figura. A 40 °C ocorre uma transição entre duas fases distintas. a) Qual o calor latente da transmissão? b) Qual o calor específico entre 70 °C e 80 °C? 17 – (CESESP-SP) O diagrama abaixo representa a variação de temperatura de uma substância pura em funçãoéda quantidade de calor que lhe l he fornecida. calor dea partir do vaporização da substância conhecido e vale 4,0 cal/g. As éinformaçõ informações es Oobtidas, diagrama, permite calcular o valor específico da substância antes da vaporização (trecho AB) e sua massa. Os valores encontrado encontradoss para essas grandezas, em cal/g°C e em gramas, são, respectivamente: a) 0,33 e 200 d) 0,84 e 300 b) 0,66 e 500 e) 0,05 e 400. c) 0,03 e 250 18 - Qual a quantidade de calor ab 18 absorvida sorvida para que 1L d' d'água água congelado e à - 20°C vaporize e chegue a temperatura de 130°C. Resp: 744,4 kcal

 

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19 - Um corpo possui massa de 500 gramas e calor específico 0,4 g/cal ºC . Determinar: 19 a) A quantidade de calor que o corpo deve receber para que sua temperatura t emperatura varie de 5 ºC para 35 ºC; Resp: 6000 cal  cal  b) A quantidade de calor que o corpo deve ceder para que sua temperatura t emperatura diminu diminuaa de 15 ºC. Resp:  Q =-3000 cal Resp: 20 - Um bloco de uma mater 20 material ial desconhecido e de mas massa sa 1kg encontraencontra-se se à temperatura de 80°C, ao ser encostado em outro bloco do d o mesmo material, de massa 500g e que está em temperatura ambiente (20°C). Qual a temperatura que os dois alcançam em contato? Considere que os blocos estejam em um calorímetro. Resp: 60 °C 21 - Um bloco de ferro de 10cm³ é rresfriado 21 esfriado de 300°C par paraa 0°C. Quantas calo calorias rias o bloco perde para o ambiente? Resp: – 2 590,5 cal Dados: densidade do ferro=7,85g/c ferro=7,85g/cm³ m³ e calor específico do ferro=0,11cal/g.°C ferro=0,11cal/g.°C 22 - Em uma cozinha, uma chaleira com 1L de água ferve. Para que ela pare, são adicionados 500mL de água à 10°C. Qual a temperatura do equilíbrio do sistema? Resp: 70 °C 23 - (FUVEST) Um ser humano adulto e saudável consome, em média, uma potência de 23 120J/s. Uma “caloria alimentar” (1kcal) corresponde, corresponde, aproximadamente, a 4,0 x 103J. Para nos mantermos saudáveis, quantas “calorias alimentares” devemos utilizar, por dia, a partir dos alimentos que ingerimos? a) 33 b) 120 c) 2,6x 10  d) 4,0 x10   e) 4,8 x10  24 - (MACKEN (MACKENZIE) ZIE) Uma fonte cal calorífica orífica fornece calor continuamente, à razão de 150 cal/s, a uma determinada massa de água. Se a temperatura da água aumenta de 20ºC para 60ºC em 4 minutos, sendo o calor especifico sensível da água 1,0 cal/gºC, pode-se concluir que a massa de água aquecida, em gramas, é: a) 500 b) 600 c) 700 d) 800 e) 900 25 - (UFPR) Durante o eclipse, em uma das cidades na zona de totalidade, Criciúma-SC, ocorreu uma queda de temperatura de 8,0ºC. (Zero Horas – 04/11/1994) Sabendo que o calor específico sensível da água é 1,0 cal/gºC, a quantidade de calor liberada por 1000g de água, ao reduzir sua temperatura de 8,0ºC, em cal, é: a) 8,0 b) 125 c) 4000 d) 8000 e) 64000 26 - (MACKENZIE) Um bloco de cobre (c = 0,094 cal/gºC) de 1,2kg é colocado num forno até atingir o equilíbrio térmico. Nessa situação, o bloco recebeu 12 972 cal. A variação da temperatura sofrida, na escala Fahrenheit, é de: a) 60ºF b) 115ºF c) 207ºF d) 239ºF e) 347ºF 27 - (MACKENZIE (MACKENZIE)) Quando misturamos 1,0kg de água (calor específico sensível = 1,0cal/g°C) a 70° com 2,0kg de água á gua a 10°C, obtemos 3,0kg de água a: a) 10°C b) 20°C c) 30°C d) 40°C e) 50°C 28 - (PUCCAMP) Uma barra de cobre de massa 200g é retirada do interior de um forno, onde estava em equilíbrio térmico, e colocada dentro de um recipiente de capacidade térmica 46 cal/°C que contém 200 g de água a 20°C. A temperatura temperatura final de equilíbrio é de 25°C. Qual a temperatura do forno, em °C, é aproximadamen aproximadamente? te? Dado:  = 0,03 cal/g°C

Resp: 230 °C

 

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