Como calcular o calor obtido pelo calorímetro

Em algum momento da sua vida, você provavelmente se perguntou o que um caloria é depois de consultar o rótulo de informação nutricional de um determinado alimento. Além de algo que muitas pessoas gostam de ver números menores associados ao escanear esses rótulos, o que é uma caloria?

E como as "calorias" acrescentam massa aos sistemas vivos, se é de fato o que acontece? E como você pode ter certeza de que o número de calorias listadas para um determinado item - seja este valor reconfortante ou deprimente - foi determinado com precisão?

Aquecer é uma das muitas propriedades do mundo ambiente que você provavelmente pode descrever bem em algumas de suas próprias palavras bem escolhidas, mas tem um significado mais focado nas ciências físicas. A caloria é uma medida de calor, assim como o joule (J) e a unidade térmica britânica (BTU). O estudo da troca de calor é um ramo da ciência física conhecido como calorimetria, que por sua vez depende de dispositivos chamados calorímetros.

Intuitivamente, você pode achar estranho que alimentos resfriados ou congelados, como sorvete e cheesecake, possam embalar muito do que é supostamente quente em uma pequena porção. Além disso, se as calorias de alguma forma se traduzem em calor, os alimentos que fornecem mais calor não deveriam levar ao peso

Essas são boas perguntas e, depois de "queimar" o restante deste artigo, você terá essas respostas e muito mais para levar para o próximo laboratório de calorimetria ou discussão sobre nutrição esportiva.

O calor pode ser pensado principalmente como energia térmica. Como outras formas de energia, possui unidades de joules (ou o equivalente em unidades não SI). O calor é uma quantidade indescritível por ser difícil de medir diretamente. Em vez disso, as mudanças na temperatura sob condições experimentais controladas podem ser usadas para determinar se um sistema ganhou ou perdeu calor.

O fato de o calor ser tratado como energia significa que acompanhá-lo é um exercício matematicamente simples, mesmo se os experimentos às vezes tornam difícil estabelecer condições nas quais nenhuma energia de calor escapa e ilude a medição. Mas por causa de realidades fundamentais como a lei de conservação de energia, a tabulação do calor é bastante simples em princípio.

Os materiais têm diferentes níveis de resistência às mudanças de temperatura quando uma determinada quantidade de calor é adicionada a uma quantidade fixa dessa substância. Ou seja, se você pegasse 1 quilograma da substância A e 1 quilograma da substância B e adicionasse a mesma quantidade de calor a cada um, sem permissão para deixar o calor sistema, a temperatura de A pode aumentar apenas um quinto da temperatura da substância B.

Isso significaria que a substância A tem um calor específico cinco vezes o da substância A, um conceito a ser explorado em detalhes a seguir.

A "caloria" listada nos rótulos nutricionais é na verdade uma quilocaloria, ou kcal. Então, na realidade, uma lata típica de refrigerante com açúcar tem cerca de 120.000 calorias, expressas pela convenção como uma caloria na comunicação cotidiana.

• Calor é a palavra latina para, apropriadamente, calor.

A caloria é equivalente a cerca de 4.184 J, o que significa que a kcal tratada como caloria nos rótulos dos alimentos é igual a 4.184 J ou 4.184 kJ. A taxa de gasto de energia (joules por segundo) nas ciências físicas é chamada de potência, e a unidade do SI é o watt (W), igual a 1 J / s. Uma kcal é, portanto, uma quantidade suficiente de energia para alimentar um sistema funcionando a 0,35 a 0,4 kW (350 J / s) por cerca de 12 segundos:

P = E / t, então t = E / P = 4,186 kJ / (0,35 kJ / s) = 12,0.

• Um atleta de resistência treinado, como um ciclista ou corredor, é capaz de manter essa potência por longos períodos. Em teoria, então, uma bebida energética de 100 "calorias" (100 kcal) poderia manter um ciclista olímpico de estrada ou um corredor de maratona por cerca de 100 vezes 12 segundos ou 20 minutos. Como o sistema humano não é quase 100% mecanicamente eficiente, ele na verdade requer mais de 300 kcal para operar próximo à capacidade aeróbica total por tanto tempo.
  

O caloria é definido como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius. Um problema com isso é que há uma ligeira variação do c da água com a temperatura em toda a faixa de temperaturas em que H₂O é um líquido. O "específico" em "calor específico" se refere não apenas a materiais específicos, mas a uma temperatura específica.

• Os calores específicos da maioria dos materiais são dados em 20

  ° C ou 25 ° C.

Tecnicamente, os termos "capacidade de calor" e "capacidade de calor específica" significam coisas diferentes, embora você possa vê-los usados ​​alternadamente em fontes menos rigorosas.

A capacidade de calor, quando originalmente cunhada, referia-se simplesmente à quantidade de calor necessária para aquecer um objeto inteiro (que pode ser feito de vários materiais) em uma determinada quantidade. A capacidade de calor específico refere-se à quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de um material específico em 1 grau Celsius ou Kelvin (° C ou K).

• Embora as escalas de temperatura Celsius e Kelvin não sejam as mesmas, elas são diferentes por um valor fixo, pois ° C + 273 = K onde K não pode ser negativo. Isso significa que uma dada mudança numérica na temperatura em uma escala produz a mesma magnitude de mudança na outra, ao contrário do caso das interconversões Fahrenheit-Celsius.

Em vez de reduzir "capacidade de calor específica" para "capacidade de calor", use o termo calor específico, como é a convenção em fontes confiáveis.

O propósito de um calorímetro é capturar o calor liberado em algum processo, como uma reação química exotérmica, que de outra forma seria perdido para o meio ambiente. Quando a mudança de temperatura do sistema e a massa e o calor específico do conjunto do calorímetro são conhecidos, a quantidade de calor colocada no sistema pelo processo pode ser determinada. Exemplos são fornecidos em uma seção subsequente.

Um calorímetro pode ser construído a partir de uma série de materiais diferentes, com a condição de que sejam isolantes (ou seja, não permitem a transferência de calor; o termo também é usado no eletromagnetismo para se referir à resistência contra a transferência de carga elétrica).

Uma versão comum pode ser feita de um copo de isopor e uma tampa bem ajustada. Neste calorímetro de xícara de café, a água é geralmente usada como solvente, e um termômetro e (se necessário) uma vareta são encaixados confortavelmente através de pequenos orifícios na tampa da xícara.

A mudança no calor de um sistema fechado (positiva por definição no caso de um calorímetro) é dada pelo produto da massa do sistema, a capacidade de calor do calorímetro e a mudança na temperatura do sistema:

Onde:

• Q = calor evoluído (igual ao calor absorvido - calor liberado) em joules (J)
• m = massa em quilogramas (kg)
• c = capacidade de calor específico em J / kg⋅ ° C (ou J / kg⋅K)
• ∆T = mudança de temperatura em ° C (ou K)

O calor que é liberado de qualquer reação química exotérmica (liberação de calor) que ocorre no calorímetro normalmente se dispersa no ambiente. Esta é uma perda atribuída a uma mudança em uma quantidade termodinâmica conhecida como entalpia que descreve a energia interna do sistema e as mudanças na relação pressão-volume do sistema. Em vez disso, esse calor fica preso entre o solvente e a tampa do copo.
Anteriormente, a ideia de conservação de energia foi introduzida. Porque o calor que entra no calorímetro deve ser igual ao calor liberado pelo sistema dentro do calorímetro que consiste nos reagentes e produtos em si, o sinal da mudança de calor para este sistema é negativo e tem a mesma magnitude que o calor ganho pelo calorímetro.

As declarações acima e outras relacionadas presumem que apenas nenhum calor ou quantidades insignificantes de calor escapam do calorímetro. O calor se move das áreas mais quentes para as mais frias quando o isolamento não está presente, portanto, sem o isolamento adequado, o calor deixará o conjunto de calorímetro para o ambiente, a menos que a temperatura ambiente seja mais quente do que a do calorímetro.

O gráfico a seguir inclui o calor específico em J / kg⋅ ° C de alguns elementos e compostos comumente encontrados.

• H₂O, gelo: 2,108
• H₂O, água: 4.184
• H₂O, vapor de água: 2.062
• Metanol: 2,531
• Etanol: 2.438
• Benzeno: 1.745
• Carbono, grafite: 0,709
• Carbono, diamante: 0,509
• Alumínio: 0,897
• Ferro: 0,449
• Cobre: ​​0,385
• Ouro: 0,129

• Mercúrio: 0,140

• Sal de mesa (NaCl): 0,864

• Quartzo: 0,742
• Calcite: 0,915

Observe que a água tem uma capacidade de calor excepcionalmente grande. Talvez seja contra-intuitivo que um grama de água aqueça menos de um décimo do que um grama de água com a mesma quantidade de calor adicionado, mas isso é importante para a vida ao redor do planeta.

A água representa cerca de três quartos do seu corpo, tornando-o capaz de tolerar grandes variações na temperatura ambiente. De forma mais ampla, os oceanos atuam como reservatórios de calor para ajudar a estabilizar as temperaturas em todo o mundo.

Agora você está pronto para alguns cálculos envolvendo calorímetros.
Exemplo 1: Primeiro, considere o caso simples de um grama de hidróxido de sódio (NaOH) sendo dissolvido em 50 mL de água a 25 ° C. Considere a capacidade de aquecimento da água nesta temperatura de 4,184 J / kg⋅ ° C e considere que 50 mL de água têm uma massa de 50 gramas, ou 0,05 kg. Se a temperatura da solução aumentar para 30,32 ° C, quanto calor é ganho pelo calorímetro?

Você tem Q = mc∆T = (0,05 kg) (4,184 kJ / kg⋅ ° C) (30,32 - 5,32 ° C)

= 1,113 kJ ou 1,113 J.

Exemplo 2: Agora considere o caso de uma unidade de armazenamento de energia solar doméstica, um dispositivo que está se tornando mais popular com o tempo. Suponha que este dispositivo use 400 L de água para armazenar energia térmica.
Em um dia claro de verão, a temperatura inicial da água é de 23,0 ° C. Ao longo do dia, a temperatura da água sobe para 39,0 ° C à medida que circula pela "parede de água" da unidade. Quanta energia foi armazenada na água?

Novamente, suponha que a massa da água seja 400 kg, ou seja, que a densidade da água pode ser considerada exatamente 1,0 dentro desta faixa de temperatura (esta é uma simplificação).

A equação de interesse desta vez é:

Q = mc∆T = (400 kg) (4,184 kJ / kg⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)

= 26.778 J = 26,78 kJ.

Isso é energia suficiente para alimentar um aquecedor de ambiente de 1,5 kW por cerca de 17 segundos:

(26,78 kJ) (kW / (kJ / s) / (1,5 kW) = 17,85 s

Provavelmente, os proprietários têm um uso diferente planejado para ele se morarem em uma casa solar.

Você pode usar calculadoras online que permitem converter facilmente entre unidades de calor específico, incluindo unidades incomuns, mas não completamente extintas, como Btu / lb_m^oF.