Calorimetria é um ramo da Termologia responsável pelo estudo das trocas de energia térmica entre os corpos. Chamada de calor, essa troca ocorre devido a diferença de temperatura entre os corpos.
Através da calorimetria, é possível identificar qual a temperatura de equilíbrio dos corpos, bem como a quantidade de energia térmica necessária para que eles sofram variações de temperatura ou mudanças de estado físico.
Em calorimetria, o calor corresponde às trocas de energia entre corpos específicos, enquanto a temperatura abarca uma grandeza que está ligada à exaltação das moléculas existentes nos corpos.
Para compreender melhor os conceitos de calorimetria, é necessário entender seus conceitos básicos: calor e temperatura.
Calor
Calor é troca de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes. Essa troca de energia ocorre por meio do contato térmico de modo que, o corpo mais quente tende a transferir energia para o corpo mais frio. A transferência térmica ocorre até que ambos os corpos atinjam temperaturas equivalentes, resultando no equilíbrio térmico.
A unidade utilizada para medir o calor no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule (J), no entanto, a unidade mais utilizada no dia a dia é a caloria (cal). A relação entre a caloria e o joule é dada por:
1 cal = 4,186J
Durante as trocas de energia térmica, é possível encontrar três tipos de calor:
Calor latente – é uma grandeza física que está associada à quantidade de calor que um corpo deve ceder ou receber para mudar de fase, ou seja, para que passe do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa. O calor latente pode assumir valores negativos, quando a substância está perdendo calor; ou valores positivos, quando a substância está recebendo calor.
Durante a mudança de fase apenas o estado de agregação da substância se modifica, porém a sua temperatura não sofre variação.
No SI, o calor latente é medido em J/Kg (Joule/Quilograma), expresso pela fórmula:
Onde:
Q = quantidade de calor
m = massa
l = calor latente
Calor sensível – trata-se do tipo de calor que provoca apenas a variação da temperatura do corpo. Portanto, a quantidade de calor sensível que um corpo recebe é diretamente proporcional ao aumento de sua temperatura.
No Sistema Internacional (SI), o calor sensível é medido em J/K, expresso pela fórmula:
Onde:
Q = quantidade de calor
m = massa
c = calor específico
Δt = variação de temperatura
Calor especifico – trata-se de uma grandeza física que indica a variação térmica da substância à medida em que ela recebe determinada quantidade de calor, ou seja, é a quantidade de calor presente em um corpo em relação a variação de sua temperatura.
O calor específico também é conhecido capacidade térmica mássica. Ele é constante para cada substância em cada estado físico, caracterizando uma substancia em determinado estado físico.
No Sistema Internacional (SI), o calor específico é medido em J/Kg.K (Joule/Quilograma.Kelvin), expresso pela seguinte fórmula:
Onde temos:
Q = quantidade de calor
m = massa
Δt = variação de temperatura
Capacidade Térmica
A capacidade térmica é a quantidade de calor presente em um corpo comparada à variação de temperatura sofrida por ele. Diferentemente do calor específico, o qual depende apenas do material, a capacidade térmica não só dependerá da material, mas também da massa do corpo.
No SI, a C é medida em J/K (Joule/Kelvin). Sua fórmula matemática é descrita da seguinte forma:
Onde:
C = capacidade térmica
Q = quantidade de calor
Δt = variação de temperatura
m = massa
c = calor específico
Temperatura
Em calorimetria, temperatura é uma grandeza física que está ligada diretamente à agitação das moléculas. Isso significa que quanto mais quente for um corpo, maior será a agitação de suas moléculas e maior será a sua energia cinética.
A temperatura pode ser medida no SI em Kelvin (K), Fahrenheit (ºF) e Celsius (ºC).
O cálculo da temperatura corporal apresenta as seguintes escalas:
Tc/5 = Tf – 32/9
Tk = Tc + 273
Onde:
Tc = temperatura Celsius
Tf = temperatura Fahrenheit
Tk = temperatura Kelvin
Calorimetria: formas de propagação de calor
As trocas de calor podem ocorrer de três diferentes formas:
Por condução – Durante a condução térmica, a propagação do calor acontece por meio da agitação térmica das moléculas, ou seja, à medida que a temperatura do corpo aumenta.
A energia cinética, consequentemente, irá aumentar por intermédio do agito de moléculas. A condução tem mais efetividade com os corpos sólidos do que com os fluidos, uma vez que essa transmissão de calor precisa de um meio material para acontecer.
Alguns materiais possibilitam transmissão de calor com mais facilidade. Esses matérias são chamados de condutores de calor. Outras substâncias, no entanto, não conduzem bem o calor. Elas são chamadas de isolantes térmicos.
Exemplos:
- Ao deixar uma colher de metal encostada em uma panela sobre o fogo, a colher também esquentará por meio da condução térmica, pois os metais são bons condutores de calor.
- Em contrapartida, ao deixar uma garrafa de cerveja gelada protegida pela caixa térmica, a sua temperatura se mantém, porém não será conduzida para caixa, pois o isopor é isolante térmico.
Convecção – Esse tipo de propagação ocorre, sobretudo, com os líquidos e os gases. Através da transferência de calor da substância aquecida, em função da diferença da densidade. O aquecimento diminui a densidade da substância, criando a chamada corrente de convecção.
Exemplo:
- Quando as fumaças saem do escapamento dos veículos e das chaminés, elas sobem pois esses gases estão mais quentes do que o ar.
Irradiação – esse tipo de condução térmica ocorre através da transferência de ondas eletromagnéticas. Para que haja a transferência por irradiação não é necessário um meio material entre eles, ou seja, a transferência de calor independe do contato entre corpos.
Exemplo:
- Irradiação do Sol sobre a Terra.
Resumo sobre calorimetria
Calorimetria é o termo utilizado para designar o estudo das trocas de energia térmica entre os corpos. Assim, é possível identificar qual a temperatura de equilíbrio dos corpos, como também a quantidade de energia térmica necessária para que eles sofram variações de temperatura ou mudanças de estado físico.
Para entender melhor a calorimetria, é importante estudar também a diferença entre calor e temperatura.