As transferências de calor explicam desde fenômenos climáticos até variações de temperatura. Entre seus conceitos fundamentais, destaca-se o calor sensível, que mostra como corpos se aquecem ou resfriam sem mudar de estado físico.
O estudo do calor sensível permite compreender situações práticas, como a eficiência de equipamentos e o equilíbrio térmico do planeta. Além disso, fornece a base para outros tópicos da termologia, ajudando a entender fenômenos complexos.
Neste texto, serão abordados o conceito de calor sensível, os fatores que o influenciam, a fórmula fundamental da calorimetria e aplicações práticas para auxiliar na compreensão do assunto. Acompanhe abaixo.
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Conceito de calor sensível
A quantidade de calor sensível é a energia térmica que um corpo absorve ou cede quando sua temperatura varia, sem que ocorra mudança de estado físico (sólido, líquido ou gasoso). Essa energia depende da capacidade do corpo de armazenar calor e de suas propriedades físicas.
O termo sensível refere-se ao fato de essa energia ser percebida pela variação de temperatura do corpo, ou seja, a mudança é mensurável por um termômetro. Existe outro tipo de calor, o calor latente, que se relaciona à mudança de fase e será tratado separadamente.
Grandezas que determinam o calor sensível
Três grandezas controlam a quantidade de calor necessária para produzir uma dada variação de temperatura:
- Massa (m): quanto maior a massa, maior a energia necessária para a mesma variação de temperatura. Ex.: aquecer muita água demanda mais calor que aquecer pouca água;
- Natureza da substância: diferentes materiais necessitam de quantidades distintas de energia para a mesma variação térmica. Essa propriedade intrínseca é o calor específico; e
- Variação de temperatura (ΔT): quanto maior a diferença entre temperatura final e inicial, maior o calor transferido.
Calor específico (c)
O calor específico (ou calor específico mássico) é a quantidade de calor que 1 unidade de massa da substância precisa para sofrer variação de temperatura de 1 grau (°C ou K). O símbolo geralmente utilizado é o c e unidades comuns são cal/(g⋅°C) e J/(kg⋅°C) (SI).
O calor específico da água é c=1 cal/(g⋅°C) ou 4186 J/(kg⋅°C), valor muito cobrado em vestibulares. Os metais apresentam c significativamente menor. Para o Ensino Médio, considera-se c constante dentro do intervalo de temperaturas estudado.
Substâncias com alto c armazenam muita energia para provocar pequeno aumento de temperatura (como a água), enquanto substâncias com baixo c aquecem ou esfriam rapidamente (como os metais).
Equação fundamental da calorimetria
A partir das proporcionalidades observadas acima(Q ∝ m, Q ∝ c, Q ∝ ΔT) obtém-se a fórmula fundamental:
Onde: Qs é a quantidade de calor sensível (em J ou cal), m é a massa (kg ou g), c o calor específico e ΔT=Tfinal−Tinicial (°C ou K). É importante destacar que ΔT vale o mesmo em °C e em K.
A convenção de sinais adotada é Qs>0 quando o corpo absorve calor (temperatura aumenta) e Qs<0 quando o corpo cede calor (temperatura diminui).
Capacidade térmica (C)
A capacidade térmica de um corpo, C, é a razão entre a quantidade de calor trocada e a variação de temperatura do corpo:
A capacidade térmica geralmente apresenta a unidade J/°C ou cal/°C. Ela Relaciona-se diretamente ao calor específico e à massa por:
Enquanto c é propriedade da substância, C depende do corpo considerado (uma geladeira vazia e a mesma geladeira cheia têm capacidades térmicas diferentes, mesmo sendo feitas do mesmo material).
Reescrevendo a equação fundamental com C:
Interpretação gráfica
Em um gráfico Q versus T (na ausência de mudança de fase), a relação é linear; a inclinação da reta em Q versus T é a capacidade térmica C (ou seja, C=ΔQ/ΔT).
Em termos práticos, uma reta mais inclinada indica que o corpo exige mais calor para a mesma variação térmica.
Estratégia para resolução de problemas
Para a resolução de problemas envolvendo a quantidade de calor sensível, podem ser utilizados os seguintes passos:
- Passo 1: Identificar os dados como a substância, massa, c (ou C), temperaturas inicial e final;
- Passo 2: Escolher a fórmula apropriada (Qs=m.c.ΔT);
- Passo 3: Harmonizar unidades (grama vs quilograma, caloria vs joule), convertendo quando necessário;
- Passo 4: Calcular ΔT como Tf−Ti e verificar o sinal para interpretar absorção/cedência;
- Passo 5: Ao lidar com potências de aquecedores, usar P=Q/Δt; e
- Passo 6: Em trocas entre corpos, aplicar equilíbrio térmico em que a soma algébrica dos calores trocados é zero (∑Q=0).
Exemplo prático
Calcular o calor necessário para aquecer 200 g de água de 20°C para 80°C:
- Dados: m= 200g = 0,200kg (usar SI); cágua= 4186 J/(kg⋅°C); ΔT=80−20= 60°C;
- Aplicar Q=m.c.ΔT: Q= 0,200 × 4186 × 60 = 50 232 J ≈ 5,02×104 J;
- Em calorias: m= 200g, cágua =1 cal/(g.°C), Q=200×1×60= 12 000 cal; e
- Conversão confirma o resultado em joules (12 000 × 4,186 ≈ 50 232 J).
Erros comuns em questões de vestibular
Ao resolver questões de vestibular, é frequente cometer enganos que podem ser evitados com atenção a detalhes de cálculos e unidades. Veja os principais erros em relação ao assunto de calor específico:
- Misturar unidades de medida (grandezas) sem conversão;
- Calcular ΔT incorretamente (usar valor absoluto sem considerar ordem correta Tf−Ti;
- Confundir calor específico c com capacidade térmica C; e
- Esquecer a convenção de sinais ao somar calores em problemas de equilíbrio.
Conexão com calor latente
O calor sensível altera a temperatura de um corpo dentro de um mesmo estado físico, enquanto o calor latente está associado à mudança de fase, ocorrendo a temperatura constante.
Em situações reais, os dois efeitos podem aparecer em sequência: primeiro o calor sensível aquece ou resfria o corpo, e depois o calor latente promove fusão ou evaporação. É importante aplicar as fórmulas corretas para cada etapa.
Questões do vestibular sobre calor específico
Universidade do Estado do Amazonas (UEA) 2023
No estudo da calorimetria, cada elemento possui calor específico próprio que traduz uma proporção entre energia, massa e variação de temperatura. Um exemplo disso é o calor específico do cobre, que tem valor igual a 0,09 cal/(g × ºC). Com relação ao calor específico do cobre, para que a massa de
A) 1 g de cobre passe pelo processo de fusão, é necessário que essa massa de cobre receba 0,09 cal.
B) 0,09 g de cobre tenha sua temperatura aumentada em 1 ºC, é necessário que essa massa de cobre receba 1 cal.
C) 1 g de cobre tenha sua temperatura diminuída em 0,09 ºC, é necessário que essa massa de cobre perca 1 cal.
D) 1 g de cobre tenha sua temperatura aumentada em 1 ºC, é necessário que essa massa de cobre receba 0,09 cal.
E) 0,09 g de cobre tenha sua temperatura diminuída em 1 ºC, é necessário que essa massa de cobre perca 1 cal.
Alternativa Correta:
D
Simulado Unicamp 2022
Um aluno em sua iniciação científica precisa medir a capacidade calorífica de um calorímetro. Para isso, aqueceu o objeto com uma fonte que cedeu 80 𝑐𝑎𝑙 e nele gerou uma variação de temperatura igual a 4,0 °𝐶. Qual foi o valor encontrado pelo jovem cientista?
A) 20 𝑐𝑎𝑙/°𝐶.
B) 32 𝑐𝑎𝑙/°𝐶.
C) 40 𝑐𝑎𝑙/°𝐶.
D) 80 𝑐𝑎𝑙/°𝐶.
Resposta:
Pela equação fundamental da calorimetria, temos:
𝑄=𝑚⋅𝑐⋅Δ𝑇
Podemos definir o produto entre massa e calor específico como a capacidade calorífica:
𝑄=𝑚⋅𝑐⋅Δ𝑇
𝑄=𝐶⋅Δ𝑇
80=𝐶⋅4
𝐶=20 𝑐𝑎𝑙/°𝐶
Alternativa correta:
A
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