Calorimetria: o que é, fórmulas e como cai no Enem

Calorimetria é a seção da Física em que se estudam as características e os fenômenos relacionados com o aumento ou redução de temperatura em função de trocas de energia térmica como também suas causas e consequências. 

Calor

Calor é a transferência de energia térmica de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura até que os corpos atinjam a mesma temperatura o que denominamos como equilíbrio térmico. Microscopicamente, calor é energia cinética que passa de uma molécula a outra provocando agitação molecular.

É comum a confusão entre o conceito de calor e energia, mas muito cuidado, energia é possível armazenar por exemplo quando carregamos a bateria do celular nós armazenamos energia elétrica dentro da bateria, já o conceito de calor está relacionado com o movimento da energia térmica, calor é energia térmica em trânsito.

Calor é comumente medido em calorias, mas por tratar-se de uma medida de transferência de energia pode ser expressa também em Joule, usa-se como padrão para a conversão de:

Tipos de calor

No estado sólido, as moléculas estão submetidas a uma força de coesão grande e, por isso, oscilam em torno de uma posição central fixa. Quando cedemos calor ao corpo, as moléculas passam a oscilar com maior velocidade (aumentam sua energia cinética de vibração). 

Quando cedemos calor a um corpo e sua temperatura se eleva, significa que houve aumento na energia interna do sistema e da velocidade de suas moléculas. Esta quantidade de calor que provoca apenas aumento de temperatura, chamamos CALOR SENSÍVEL.

A quantidade de calor sensível é calculado pela equação:

O calor específico representa a quantidade de calor que é necessário fornecer a cada grama de uma determinada substância para variar 1°C. 

Ao continuar a fornecer calor ao corpo, a força de coesão será superada, e as moléculas se desarrumam, podendo rolar umas sobre as outras (fluir); houve então, uma mudança de estado para a fase líquida. Insistindo no fornecimento de calor, as moléculas do líquido, já com força de coesão pequena, acabam por se libertar escapando do líquido e passando à fase gasosa.

Esta quantidade de calor que produz mudança de estado à temperatura constante é chamada calor latente.

A quantidade de calor latente é calculado pela equação:

Observe o gráfico que representa o aquecimento de um cubo de gelo até a total vaporização.

Nos trechos I e III o calor é sensível pois há variação de temperatura enquanto os trechos II e IV são de calor latente pois, apesar do fornecimento de calor, a temperatura não varia. Em II há uma fusão e em IV há uma vaporização.

Capacidade Térmica

A capacidade térmica representa a quantidade de energia que é necessário transferir a um corpo (objeto) para causar uma variação de 1°C em sua temperatura.

Mas enfim, o que é que significa temperatura?

Temperatura

Todos sabemos que a matéria é composta por átomos e moléculas. Essas partículas, ao contrário do que parece, estão em constante movimento, possuem uma energia cinética de vibração. Funciona quase como se as partículas fossem unidas umas às outras, por molas, de tal modo que elas não pudessem sair do lugar, mas pudessem vibrar. 

Neste modelo, o nível de agitação médio das moléculas seria a temperatura. Assim, a temperatura é uma característica macroscópica do comportamento microscópico do material; quanto maior agitação, maior a temperatura.

Para medir a temperatura utiliza-se principalmente três escalas: Celsius, Fahrenheit e Kelvin.

Abaixo temos a relação entre as principais temperaturas, os pontos de fusão e ebulição da água e o zero absoluto de Kelvin, que representa o menor grau de agitação das partículas.

Comparando as escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit e Kelvin temos a seguinte equação de equivalência:

Trocas de calor

A propagação do calor pode ocorrer por três processos:

• Condução: majoritariamente nos sólidos.

• Convecção: fluidos (líquidos e gases).

• Irradiação: através de ondas eletromagnéticas.

Na condução, há o transporte de calor de molécula a molécula, mecanicamente. A energia de vibração vai passando de molécula a molécula, difundindo-se através do material. Curiosamente o gelo é mau condutor de calor. Isso explica o fato de os esquimós construírem abrigos de blocos de neve. (iglus)

Na convecção, a movimentação de energia ocorre pela mudança da densidade do material com a diferença de temperatura. O material mais quente fica menos denso e tende a subir, enquanto o material mais frio é mais denso e tende a descer. Isso explica parcialmente a movimentação de massas de ar na atmosfera, a subida de balões de ar quente e o fato de os condicionadores de ar devem ser instalados em pontos altos.

Por fim, na irradiação o transporte de calor se dá por  ondas eletromagnéticas, principalmente na faixa do infravermelho. Todo objeto é fonte de radiação; quanto mais quente maior a quantidade, isto é, objetos mais quentes emitem mais infravermelho. Esse processo permite que o calor do Sol chegue até nós, pois, no vácuo entre a Terra e o Sol o calor não poderia se propagar por condução ou por convecção.

Fluxo de calor

O fluxo de calor é a razão entre a quantidade de calor que atravessa um corpo em um determinado intervalo de tempo.

A unidade de medida do fluxo de calor pode ser cal/s ou J/s ou W.

O fluxo de calor está relacionado com algumas características do objeto o qual o calor irá atravessar.

A rapidez desse processo depende do tipo de material envolvido: há os bons condutores, como os metais e as cerâmicas e os maus condutores como a madeira, alguns tipos de vidro e o próprio ar, esse comportamento é caracterizado pela condutibilidade térmica, quanto maior o K melhor condutor de calor é o material, quanto menor o K pior condutor de calor esse material é.

Calorimetria no Enem

A calorimetria aparece no ENEM de diversas formas, mas a abordagem mais recorrente é em relação às formas de propagação de calor e fluxo de calor. Podemos conferir na questão abaixo:

ENEM 2016

Num experimento, um professor deixa duas bandejas de mesma massa, uma de plástico e outra de alumínio, sobre a mesa do laboratório. Após algumas horas, ele pede aos alunos que avaliem a temperatura das duas bandejas, usando para isso o tato. Seus alunos afirmam, categoricamente, que a bandeja de alumínio encontra-se numa temperatura mais baixa. Intrigado, ele propõe uma segunda atividade, em que coloca um cubo de gelo sobre cada uma das bandejas, que estão em equilíbrio térmico com o ambiente, e os questiona em qual delas a taxa de derretimento do gelo será maior. O aluno que responder corretamente ao questionamento do professor dirá que o derretimento ocorrerá

A) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem uma maior condutividade térmica que a de plástico.

B) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem inicialmente uma temperatura mais alta que a de alumínio.

C) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem uma maior capacidade térmica que a de alumínio.

D) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem um calor específico menor que a de plástico.

E) com a mesma rapidez nas duas bandejas, pois apresentarão a mesma variação de temperatura.

As bandejas mesmo que apresentem o mesmo tamanho e formato elas são constituídas de materiais diferentes o que implica em terem condutividades térmicas diferentes, a bandeja de alumínio tem uma condutividade térmica maior que a bandeja de plástico o que representa que ela sofrerá um fluxo de calor maior do que na bandeja de plástico que tem uma baixa condutividade térmica, logo o bloco de gelo que está na bandeja de alumínio irá derreter mais rápido do que o gelo que está na bandeja de plástico. O que nos leva ao gabarito A.