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Calor e temperatura

O que o calor significa na termodinâmica e como podemos calcular o calor usando a capacidade térmica.

Principais pontos

Calor, $q$ ‍, é a energia térmica transferida entre dois sistemas em contato, do mais quente para o mais frio.
Temperatura é a medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas do sistema.
A lei zero da termodinâmica afirma que não há nenhuma transferência de calor entre dois objetos em equilíbrio térmico; portanto, eles têm a mesma temperatura.
Podemos calcular o calor liberado ou absorvido usando a capacidade de calor específico $C$ ‍, a massa da substância $m$ ‍, e a mudança de temperatura $Δ T$ ‍ da equação:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

Calor em termodinâmica

O que contém mais calor, uma xícara de café ou um copo de chá gelado? Na aula de química, isso seria uma pegadinha (desculpa!). Em termodinâmica, o calor tem um significado bem específico, que é diferente do que usamos na linguagem cotidiana. Os cientistas definem calor como energia térmica transferida entre dois sistemas com diferentes temperaturas que estiverem em contato. O calor é escrito com o símbolo q ou Q, e sua unidade é o joule (

J

Por vezes, o calor é interpretado como uma função de processos, porque é definido no contexto de um processo por meio do qual a energia pode ser transferida. Não falamos de uma xícara de café que contenha calor, mas podemos falar do calor transferido da xícara de café quente para a nossa mão. O calor também é uma propriedade extensiva, então a carga de temperatura resultante da transferência de calor para um sistema depende de quantas moléculas há no sistema.

Relação entre calor e temperatura

Calor e temperatura são dois conceitos diferentes mas intimamente ligados. Note que eles têm unidades diferentes: a unidade da temperatura é normalmente graus Celsius (

^{\circ} C

) ou Kelvin (

K

), e a unidade do calor é energia, Joules (

J

). Temperatura é a medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas do sistema. As moléculas de água em uma xícara de café quente têm uma energia cinética média maior que as moléculas de água em uma xícara de chá gelado, o que também significa que elas estão se movendo a uma velocidade maior. Temperatura também é uma propriedade intensiva; ou seja, a temperatura não muda, independentemente da quantidade de substância que você tem (desde que ela esteja toda na mesma temperatura!). É por isso que os químicos podem usar o ponto de fusão para ajudá-los a identificar uma substância pura

-

a temperatura na qual a substância se funde é uma propriedade da substância que não depende da massa de uma amostra.

Em um nível atômico, as moléculas de todos os objetos estão em constante movimento e colidindo umas com as outras. Toda vez que moléculas colidem, a energia cinética pode ser transferida. Quando os dois sistemas estão em contato, o calor será transferido do sistema mais quente para o sistema mais frio, por meio de colisões moleculares. A energia térmica vai fluir nessa direção até que os dois objetos tenham a mesma temperatura. Quando os dois sistemas em contato tiverem a mesma temperatura, dizemos que eles estão em equilíbrio térmico.

Lei zero da termodinâmica: Definição de equilíbrio térmico

A lei zero da termodinâmica define equilíbrio térmico dentro de um sistema isolado. A lei zero afirma que quando dois objetos em equilíbrio térmico estão em contato, não há transferência de calor entre os objetos; portanto, eles têm a mesma temperatura. Outra maneira de afirmar a lei Zero é dizer que se dois objetos estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro objeto, então eles estão em equilíbrio térmico um com o outro.

A lei zero nos permite medir a temperatura dos objetos. Sempre que usamos um termômetro, estamos usando a lei zero da termodinâmica. Digamos que estejamos medindo a temperatura de um banho-maria. Para termos certeza de que a medida está correta, normalmente esperamos a medida da temperatura ficar constante. Estamos esperando que o termômetro e a água atinjam o equilíbrio térmico! No equilíbrio térmico, as temperaturas do bulbo do termômetro e do banho-maria serão as mesmas, e não deverá haver nenhuma transferência líquida de calor de um objeto para o outro (pressupondo que não haja nenhuma outra perda de calor para o meio).

Capacidade de calor: Conversão entre calor e mudança de temperatura

Como podemos medir o calor? A seguir, mostraremos algumas coisas que já sabemos sobre o calor:

Quando um sistema absorve ou perde calor, a energia cinética média das moléculas irá mudar. Assim, a transferência de calor resulta em uma mudança na temperatura do sistema desde que o sistema não esteja passando por uma mudança de fase.
A mudança de temperatura resultante da transferência de calor para fora ou para dentro de um sistema depende da quantidade de moléculas existentes neste sistema.

Podemos usar um termômetro para medir a mudança de temperatura de um sistema. Como podemos usar a mudança de temperatura para calcular o calor transferido?

Para descobrir como o calor transferido para um sistema vai mudar a temperatura deste sistema, precisamos saber pelo menos

2

coisas:

O número de moléculas no sistema
A capacidade de calor do sistema

A capacidade de calor nos dá a quantidade de energia necessária para mudar a temperatura de uma determinada substância sem que haja nenhuma mudança de fase. Há duas maneiras principais pelas quais a capacidade de calor é medida. A capacidade específica de calor (também chamada de calor específico), representada pelo símbolo

c

C

, é a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de um grama de uma substância em

1^{\circ} C

1 K

. A unidade da capacidade específica de calor é, normalmente,

\frac{J}{gramas \cdot K}

. A capacidade molar de calor,

C_{m}

C_{mol}

, mede a quantidade de energia térmica necessária para aumentar a temperatura de um mol de substância em

1^{\circ} C

1 K

, e sua unidade geralmente é

\frac{J}{mol \cdot K}

. Por exemplo, a capacidade de calor do chumbo pode ser dada como a capacidade específica de calor,

0,129 \frac{J}{g \cdot K}

, ou como a capacidade molar de calor,

26, 65 \frac{J}{mol \cdot K}

Vamos pensar no que acontece em nível molecular quando acrescentamos energia térmica a algumas moléculas. A energia térmica pode ser armazenada em forma de vibrações e rotações entre átomos dentro de uma molécula, o que não aumenta a temperatura do sistema significativamente. A energia pode também ser usada para interromper interações intermoleculares e aumentar a velocidade da molécula toda, que aumenta a energia cinética transacional da molécula.

Temperatura é principalmente uma medida da energia cinética translacional do sistema. Dependendo da estrutura molecular e das interações intermoleculares, diferentes substâncias podem armazenar diversas quantidades de energia térmica em forma de vibrações e rotações antes que a temperatura aumente.

Cálculo de $q$ ‍ usando a capacidade de calor

Podemos usar a capacidade de calor para determinar o calor liberado ou absorvido por um material usando a seguinte fórmula:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

onde

m

é a massa da substância (em gramas),

C

é a capacidade especifica de calor e

Δ T

é a mudança de temperatura durante a transferência de calor. Note que tanto a massa quanto a capacidade específica de calor podem ter apenas valores positivos, então o sinal de

q

vai depender do sinal de

Δ T

. Podemos calcular

Δ T

usando a seguinte equação:

$Δ T = T_{final} - T_{inicial}$ ‍

onde

T_{final}

T_{inicial}

podem ter unidades de

^{\circ} C

K

. Com base nesta equação, se

q

for positivo (a energia do sistema aumenta), então, a temperatura do nosso sistema aumenta e

T_{final} > T_{inicial}

. Se

q

for negativo (a energia do sistema diminui), então a temperatura do nosso sistema diminui e

T_{final} < T_{inicial}

Exemplo: Esfriando uma xícara de chá

Digamos que temos

250 mL

de chá quente que queremos esfriar antes de beber. A temperatura do chá atualmente é de

370 K

, e gostaríamos de esfriá-lo a

350 K

. Quanta energia térmica precisa ser transferida do chá para o ambiente para que o chá esfrie?

Vamos pressupor que o chá seja, na sua maior parte, feito de água. Então, podemos usar a densidade e a capacidade de calor da água em nossos cálculos. A capacidade específica de calor da água é

4, 18 \frac{J}{g \cdot K}

, e a densidade da água é

1, 00 \frac{g}{mL}

. Podemos calcular a energia transferida no processo de resfriamento do chá usando as seguintes etapas:

1. Calcular a massa da substância

Podemos calcular a massa de chá/água usando o volume e a densidade da água:

$m = 250 mL \times 1, 00 \frac{g}{mL} = 250 g$ ‍

2. Calcular a mudança de temperatura, $Δ T$ ‍

Podemos calcular a mudança de temperatura,

Δ T

, a partir das temperaturas inicial e final:

$\begin{aligned} Δ T & = T_{final} - T_{inicial} \\ = 350 K - 370 K \\ = - 20 K \end{aligned}$ ‍

Como a temperatura do chá está diminuindo e

Δ T

é negativo, espera-se que

q

também seja negativo, pois nosso sistema está perdendo energia térmica.

3. Encontrar o valor de $q$ ‍

Agora, podemos encontrar o valor do calor transferido a partir do chá quente usando a equação de calor:

$\begin{aligned} q & = m \times C \times Δ T \\ = 250 g \times 4, 18 \frac{J}{g \cdot K} \times - 20 K \\ = - 21000 J \end{aligned}$ ‍

Assim, calculamos que o chá vai transferir

21000 J

de energia para o ambiente quando ele esfriar de

370 K

para

350 K

Conclusões

Em termodinâmica, calor e temperatura são conceitos intimamente ligados com definições distintas.

Calor, $q$ ‍, é a energia térmica transferida entre dois sistemas em contato, do mais quente para o mais frio.
Temperatura é a medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas do sistema.
A lei zero da termodinâmica afirma que não há nenhuma transferência de calor entre dois objetos em equilíbrio térmico; portanto, eles têm a mesma temperatura.
Podemos calcular o calor liberado ou absorvido usando a capacidade de calor específico $C$ ‍, a massa da substância $m$ ‍, e a mudança de temperatura $Δ T$ ‍ da seguinte equação:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

Créditos

Este artigo é uma adaptação dos seguintes artigos:

“Introduction to Thermodynamics” de Boundless Chemistry, CC BY-SA 4.0.
"The Zeroth Law of Thermodynamics" de Boundless Physics, CC BY-SA 4.0.
"Heat Capacity" de UC Davis ChemWIki, CC BY-NC-SA 3.0 US.

O artigo adaptado está autorizado sob licença CC-BY-NC-SA 4.0

Outras referências

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Specific Heat Capacity: Heating and Cooling. In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 184-189). Stamford, CT: Cengage Learning.

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antonellamaria431
Publicado há há 7 anos. Link direto para a postagem “qual a temperatura de hoj...” de antonellamaria431
qual a temperatura de hoje mas sem olhar no termometro
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Agnaldo Aun
Publicado há há 5 anos. Link direto para a postagem “Calcule a capacidade term...” de Agnaldo Aun
Calcule a capacidade termica de um solido de Einstein no limite de baixas temperaturas, utilizando o resultado do problema anterio,esboce o resultado obtido em funça da temperatura
Botão para a página de cadastroComentar sobre a postagem “Calcule a capacidade term...” de Agnaldo Aun
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Curso: Biblioteca de Química > Unidade 15

Principais pontos

Calor em termodinâmica

Relação entre calor e temperatura

Lei zero da termodinâmica: Definição de equilíbrio térmico

Capacidade de calor: Conversão entre calor e mudança de temperatura

Cálculo de q‍ usando a capacidade de calor

Exemplo: Esfriando uma xícara de chá

1. Calcular a massa da substância

2. Calcular a mudança de temperatura, ΔT‍

3. Encontrar o valor de q‍

Conclusões

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Cálculo de $q$ ‍ usando a capacidade de calor

2. Calcular a mudança de temperatura, $Δ T$ ‍

3. Encontrar o valor de $q$ ‍