A Calorimetria é uma das áreas mais importantes da Química, pois se dedica ao estudo das trocas de calor que ocorrem durante as reações químicas. Essas trocas de calor podem ocorrer de diversas formas, como por exemplo, através da variação da temperatura, mudança de estado físico ou liberação de luz.
É através do estudo dessas trocas de calor que os químicos conseguem entender melhor as reações químicas e suas propriedades termodinâmicas.
Neste artigo, vamos explorar o que é a Calorimetria, sua importância na Química e alguns exemplos práticos de como ela é aplicada no estudo das reações químicas.
O que é Calorimetria?
Calorimetria é a área da física que estuda as trocas de calor entre corpos ou sistemas termodinâmicos. Essa área se preocupa com a quantidade de calor envolvida em processos térmicos, bem como a forma como esse calor é transferido entre corpos.
A calorimetria é uma ferramenta importante na química para entender como as reações químicas são afetadas por variações de temperatura e para determinar a quantidade de energia envolvida em uma reação química.
O calor
O calor é uma grandeza física fundamental que está diretamente relacionada com a quantidade de energia envolvida em um processo térmico. O calor é definido como a energia térmica que flui entre dois corpos em diferentes temperaturas, quando colocados em contato.
Calor sensível
O calor sensível pode ser calculado usando-se a equação fundamental da calorimetria, podendo ser usada em diversas situações, como para calcular a quantidade de calor que é transferida de um corpo para outro, para determinar a quantidade de calor que é gerada ou absorvida em uma reação química, ou para calcular a capacidade térmica de um material.
A fórmula utilizada para calcular o calor sensível é dada por:
Q = m • c • ΔT
Onde:
Q é a quantidade de calor em joules ou calorias (J ou cal);
m é a massa do material em quilogramas ou gramas (kg ou g);
c é o calor específico do material em Joules por quilograma por grau Celsius (J/kg.ºC) ou Calorias por grama por grau Celsius (cal/g.ºC);
ΔT é a variação de temperatura em graus Celsius (°C).
Exemplo:
Um bloco de cobre de 200 g é aquecido em uma chama até atingir uma temperatura de 80ºC. Qual é a quantidade de calor absorvida pelo cobre? O calor específico do cobre é 0,39 cal/g.ºC.
Q = m • c • ΔT
Q = 200 g • 0,39 cal/g.ºC • (80ºC - 20ºC)
Q = 200 g • 0,39 cal/g.ºC • 60ºC
Q = 4680 cal ou 4,68 kcal.
Portanto, a quantidade de calor absorvida pelo cobre é de 4680 cal.
Se você quiser encontrar o valor da massa (m) de um material, você precisa rearranjar essa equação para isolar a variável.
Para encontrar a massa m, a equação fica: m = Q / (c • ΔT). {alertSuccess}
Calor latente
Calor latente é a quantidade de calor que é necessário fornecer ou remover de uma substância para que ela mude de fase, mantendo a sua temperatura constante durante o processo. Em outras palavras, é a quantidade de calor por unidade de massa que é absorvida ou liberada por uma substância durante uma mudança de fase.
A fórmula geral para calcular a quantidade de calor envolvida em uma mudança de fase é:
Q = m • L
Onde:
Q é a quantidade de calor envolvida na mudança de fase em (cal ou J);
m é a massa da substância em (g ou Kg);
L é o calor latente de mudança de fase em (cal/g ou J/Kg).
A quantidade de calor envolvida em uma mudança de fase depende do tipo de mudança de fase e do material envolvido. {alertInfo}
Exemplo:
Suponha que temos 500 g de água a 100°C e queremos transformá-la em vapor de água a 100°C. Sabendo que o calor latente de vaporização da água é 540 cal/g, qual a quantidade de calor necessária para realizar essa mudança de fase?
Resolução:
m = 500 g
L = 540 cal/g
Q = m • L
Q = 500 g • 540 cal/g
Q = 270000 cal ou 270 kcal
Logo, são necessárias 270000 cal para transformar 500 g de água a 100°C
Capacidade térmica
A capacidade térmica é uma propriedade de um material que descreve a quantidade de calor que é necessário fornecer ou receber para que haja uma determinada variação de temperatura. Essa propriedade pode ser calculada usando a fórmula:
C = Q / ΔT ou C = m • c
Onde:
C é a capacidade térmica em Joules por grau Celsius (J/°C) ou calorias por grau Celsius (cal/°C);
Q é a quantidade de calor fornecida ou removida em (J ou cal);
ΔT é a variação de temperatura em (°C ou K);
m representa a massa da substância em (kg ou g);
c representa o calor específico da substância em (J/kg.°C ou cal/g.°C).
C = m • c é utilizada quando se conhece a massa (m) da substância e o seu calor específico c. {alertSuccess}
C = Q/ΔT é utilizada quando se sabe a quantidade de calor (Q) transferida para uma substância. {alertSuccess}
Exemplo 1:
Suponha que tenhamos uma amostra de alumínio de 100 gramas e que desejamos determinar sua capacidade térmica. Para isso, utilizamos um calorímetro e transferimos uma quantidade conhecida de calor para a amostra. Medimos a variação de temperatura da amostra e do calorímetro e obtemos os seguintes dados:
Massa da amostra de alumínio: m = 100 g
Variação de temperatura da amostra: ΔT = 20 °C
Calor específico do alumínio: c = 0,902 J/g°C (ou 0,215 cal/g°C)
Podemos utilizar a fórmula C = m • c para determinar a capacidade térmica C da amostra de alumínio:
C = m.c
C = 100 g • 0,902 J/g°C
C = 90,2 J/°C (ou 21,5 cal/°C)
Assim, a capacidade térmica da amostra de alumínio é de 90,2 J/°C (ou 21,5 cal/°C).
Exemplo 2:
Suponhamos que um bloco de ferro de massa 500 g é aquecido em uma chama e sua temperatura sobe de 25°C para 150°C. A quantidade de calor necessário para essa variação de temperatura foi de 500 J. Qual é a capacidade térmica do bloco?
Dados:
m = 500 g
ΔT = 150°C - 25°C = 125°C
Q = 500 J
Resolução:
Utilizando a fórmula C = Q/ΔT, temos:
C = Q/ΔT
C = 500 J / 125°C
C = 4 J/°C
Portanto, a capacidade térmica do bloco é de 4 J/°C.
Trocas de calor
Quando dois ou mais objetos estão em contato térmico e não há isolamento térmico entre eles, a transferência de calor ocorre do objeto com temperatura mais alta para o objeto com temperatura mais baixa. Esse processo continua até que a temperatura dos objetos seja a mesma e o equilíbrio térmico seja alcançado.
Isso ocorre porque as moléculas dos objetos estão em constante movimento e colidem umas com as outras. Essas colisões transferem energia térmica de uma molécula para outra, o que leva ao equilíbrio térmico quando a temperatura se torna uniforme.
Assim, a quantidade de calor transferida será igual à quantidade de calor absorvida. Em outras palavras, a energia total do sistema é conservada.
Este fato pode ser expresso pela seguinte fórmula:
ΣQ = Q1 + Q2 + ... + Qn =
ΣQ: soma total da quantidade de calor do sistema;
Q1,Q2,..,Qn: quantidade de calor cedida ou recebida por cada corpo, sendo que o calor recebido é positivo e o calor cedido é negativo.
Fluxo de calor
A equação do fluxo de calor é muito utilizada para descrever a taxa de transferência de calor entre dois corpos. Essa equação nos permite calcular a quantidade de calor que flui através de um material em um determinado intervalo de tempo.
A fórmula para calcular esse fluxo de calor é:
ϕ = Q/Δt
Onde:
A letra grega phi (ϕ), é a taxa de transferência de calor entre dois corpos em um determinado intervalo de tempo. Em joules por segundo (J/s), ou watts (W);
Q é a quantidade de calor transferida em (J ou cal);
Δt é o intervalo de tempo em que a transferência ocorreu. (geralmente medido em segundos).