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
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
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