Como a física explica o equilíbrio térmico atingido após se misturar em duas amostras de água inicialmente em temperaturas diferentes?

Estes exercícios sobre calorímetro e as trocas de calor testarão seus conhecimentos sobre calorimetria, um dos campos de estudo da Termologia. Publicado por: Joab Silas da Silva Júnior

(FIEB-SP) O copo interno de um calorímetro é feito de alumínio e tem massa de 30 g. Em seu interior, onde há 150 g de água pura à temperatura de 20 ºC, são despejados 200 g de bolinhas de aço que se encontram inicialmente à temperatura de 60 ºC. Sabendo que o calor específico do alumínio é 0,2 cal/g.ºC, o da água, 1 cal/g.ºC, e a temperatura de equilíbrio térmico do conjunto igual a 25 ºC, o calor específico do aço e a quantidade de calor trocada pelas bolinhas de aço com o sistema têm valores, respectivos e aproximadamente, iguais a

a) 0,11 cal/g.ºC e 780 cal, cedidas.

b) 0,11 cal/g.ºC e 780 cal, recebidas.

c) 0,55 cal/g.ºC e 890 cal, cedidas.

d) 0,55 cal/g.ºC e 890 cal, recebidas.

e) 0,88 cal/g.ºC e 780 cal, cedidas.

(UEA-AM) Define-se a capacidade térmica de um corpo (C) como a razão entre a quantidade de calor que ele recebe (Q) e a correspondente variação de temperatura ocorrida (ΔT):

Se um corpo de capacidade térmica 25 cal/ºC recebe calor de uma fonte durante 20 minutos com taxa constante de 50 cal/min, ele sofre uma variação de temperatura, em ºC, igual a

a) 10,0.

b) 40,0.

c) 50,0.

d) 62,5.

e) 84,5.

Em um calorímetro de capacidade térmica desprezível, foram misturados 200 g de água, inicialmente a 20 °C, e 400 g de ouro, inicialmente a 80°C. Sabendo que os calores específicos da água e do ouro são, respectivamente, 1 cal/g°C e 0,03 cal/g°C. Determine a temperatura final aproximada da mistura.

a) 24°C

b) 20°C

c) 30°C

d) 38°C

e) 36°C

A respeito das grandezas e equações da calorimetria, marque o que for correto.

a) A unidade de medida da capacidade térmica, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), é J/°C.

b) O calor específico é a quantidade de calor necessária para que 100 g de uma substância qualquer sofra variação de 1 °C.

c) A unidade de medida do calor específico, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), é cal.g/°C

d) A quantidade de calor latente nunca será levada em consideração na análise das trocas de calor para elementos em um calorímetro.

e) O calorímetro impede as trocas de calor com o meio externo e proporciona o estudo das trocas de calor apenas dos objetos que são estudados.

respostas

Letra A.

A soma das quantidades de calor trocadas no calorímetro é nula. Sendo assim, podemos escrever:

Como houve diminuição da temperatura das bolinhas de aço, elas cederam calor para o sistema.

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Letra B.

Se o corpo recebe 50 cal por minuto de uma fonte térmica qualquer, em 20 min, a quantidade de calor recebida terá sido de 1000 cal.

20 min . 50 cal/min = 1000 cal.

Assim, a partir da equação que define a capacidade térmica, pode-se determinar a variação de temperatura sofrida pelo corpo.

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Letra A.

A soma das quantidades de calor trocadas no calorímetro é nula. Sendo assim, podemos escrever:

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Letra E.

a) Errada. A unidade de medida da capacidade térmica, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), é o J/K.

b) Errada. O calor específico é a quantidade de calor necessária para que 1 g de uma substância qualquer sofra variação de 1 °C.

c) Errada. A unidade de medida do calor específico, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), é J/kg.K

d) Errada. Tanto calor sensível quanto calor latente são considerados em cálculos envolvendo calorímetros.

e) Correta.

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Leia o artigo relacionado a este exercício e esclareça suas dúvidas

O equilíbrio térmico acontece quando dois corpos - inicialmente em temperaturas diferentes - entram em contato e após um processo de transferência de calor, atingem a mesma temperatura.

O calor, nome dado à energia térmica na física, é sempre transferido do corpo mais quente para o corpo mais frio e quando os corpos atingem a mesma temperatura, o fluxo de calor entre eles é suspenso.

Se não houver troca de calor com o ambiente, a quantidade de calor perdida por um corpo é igual a quantidade de calor absorvida pelo outro.

Imagem: ilustração de dois corpos em equilíbrio térmico após contato.

O mesmo pode acontecer com um corpo cujas partes estão em temperaturas diferentes. Quando o corpo todo atingir a mesma temperatura, ele estará em equilíbrio térmico.

Calor

Na linguagem do dia a dia, a palavra calor está relacionada à sensação em nosso corpo quando a temperatura é alta. Na física, o significado de calor é diferente. O calor, nesse caso, é a energia térmica em movimento.

Os corpos são compostos por partículas e o calor é determinado pelo grau de agitação dessas partículas. Ou seja, quanto maior a agitação de suas moléculas maior a energia térmica, ou calor.

O calor é medido em joule (J) ou caloria (cal). Caloria é a quantidade de energia necessária para elevar em 1°C, 1g de água. A relação entre essas unidades de medida é: 1 cal = 4,186 j.

Como acontece o equilíbrio térmico?

Quando dois corpos estão em diferentes temperaturas, suas moléculas estão em diferentes graus de agitação. As moléculas do corpo de maior temperatura estão mais agitadas e o de menor temperatura, menos agitadas.

Ao entrarem em contato, o corpo de maior temperatura irá transferir energia térmica ao outro, até que ambos atinjam a mesma temperatura, o que chamamos de equilíbrio térmico. Para facilitar, vamos pensar em um exemplo:

Para fazer gelatina é preciso misturar o pó na água fervente e depois colocar a mesma quantidade de água em temperatura ambiente. A água que está a 100°C entrará em contato com a água em temperatura ambiente e transferirá calor, até que todo líquido do recipiente tenha a mesma temperatura.

Caso não houvesse troca de calor com o ambiente, a temperatura final seria exatamente a média das duas temperaturas. Veja o exemplo:

Água a 100°C + Água a 25°C = 125°C

Esse valor dividido por 2, seria igual a 62,5°. No entanto, como a mistura perde energia para o ambiente, essa temperatura, na prática, será um pouco menor.

O termômetro

Quando precisamos medir a temperatura corporal, utilizamos um termômetro. Esse aparelho nos indica a temperatura com equilíbrio termodinâmico entre o corpo e o termômetro.

Quando o termômetro atinge a mesma temperatura que nosso corpo ele cessa a transferência de calor e, em alguns casos, apita avisando que o fluxo cessou. E assim, sabemos se estamos com febre ou não.

Saiba mais temperatura.

Formas de transmissão de calor

A energia em forma de calor pode ser transmitida de um corpo a outro de três maneiras: condução, convecção e irradiação.

Condução

A condução ocorre quando a energia é transferida de molécula a molécula. As moléculas em maior agitação entram em contato com moléculas em menor agitação e aumentam a sua velocidade de movimento.

Se você segurar uma colher de metal em uma ponta e encostar sua outra ponta no fogo, em alguns instantes poderá queimar sua mão. Isso porque, as moléculas agitadas pelo fogo provocam a agitação das demais moléculas, levando energia térmica a todo o talher - aumentando sua temperatura.

Convecção

A convecção ocorre com substâncias gasosas ou líquidas, que transferem calor por meio de correntes circulares que se formam em razão da diferença de densidade das partes frias e quentes de uma substância.

É o caso de uma panela esquentando água. A parte da água que está mais próxima ao fogo esquentará antes, como a densidade da água quente é menor, ela subirá na panela e a parte da água mais fria irá para baixo, formando assim uma corrente circular de convecção.

Irradiação

Na irradiação não é necessário que haja contato entre os corpos para a energia se propagar, como ocorre na condução ou convecção. Nesse caso, a energia térmica é propagada de um corpo a outro por ondas eletromagnéticas. O corpo que recebe calor é chamado de receptor e o que emite, chama-se emissor.

É dessa forma que o sol aquece o planeta Terra. Como sabemos, o sol está muito distante da Terra, ou seja, não há contato. O calor que chega à Terra e garante a vida no planeta é transmitido por irradiação, por meio das ondas eletromagnéticas.

Veja também: calor e energia térmica.

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