Qual a fórmula que devemos usar para calcular quantidade de calor?

Calor específico é a quantidade de calor necessária para que seja possível variar a temperatura de uma substância ou material em 1 °C. Ele é proporcional à quantidade de calor recebido ou doado pela substância e pode ser calculado por meio de uma fórmula que envolve calor, massa e temperatura.

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Tópicos deste artigo

Resumo sobre calor específico

• Calor específico é a quantidade de calor necessária para que ocorra variação da temperatura de uma substância ou material em 1 °C.

• Alguns fatores que afetam o calor específico são: forças intermoleculares, impurezas nas substâncias, massa molar e graus de liberdade.

• O calor específico pode ser encontrado por meio da relação entre a capacidade térmica e a massa da substância.

• Calor específico molar é a quantidade de calor por mol de substância necessária para variar a temperatura de uma substância em 1 °C.

• Calor latente é aquele necessário para modificar o estado físico de uma substância sem elevar sua temperatura.

• Calor sensível é aquele necessário para variar a temperatura de uma substância sem que haja modificação do seu estado físico.

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O que é calor específico?

Calor específico é a quantidade de energia térmica fornecida a uma substância para que sua temperatura varie 1 °C. Todos os líquidos, sólidos e gases possuem um calor específico para eles que caracteriza o seu comportamento quando estão sujeitos a uma fonte de calor.

Esse calor é proporcional àquele fornecido pela substância, então se aumentarmos o calor específico, a quantidade de calor necessário para que a substância varie sua temperatura também aumentará.

Por exemplo, o calor específico do alumínio é de \(0,215\ cal/g\bullet°C\), já o da água é de \(1\ cal/g\bullet°C\), o que significa dizer que a água precisa receber mais calor do que o alumínio para conseguir aumentar sua temperatura. A água também perderá calor mais facilmente que o alumínio.

Tabela de calor específico

O calor específico indica o calor preciso para que uma substância varie em 1 °C, podendo sofrer um aumento ou diminuição em sua temperatura. Na tabela abaixo, podemos ver os valores de calor específico de diversas substâncias e materiais.

Substância ou material

Calor específico (\({cal}/{g}\bullet°C\))

Aço

0,1

Água doce

1

Água salgada

0,93

Álcool etílico

0,58

Alumínio

0,215

Ar

0,24

Areia

0,2

Carbono

0,12

Chumbo

0,0305

Cobre

0,0923

Etanol

0,58

Ferro

0,11

Gelo (-10°C)

0,53

Granito

0,19

Hidrogênio

3,4

Latão

0,092

Madeira

0,42

Mercúrio

0,033

Nitrogênio

0,25

Ouro

0,03

Oxigênio

0,22

Prata

0,0564

Tungstênio

0,0321

Vidro

0,2

Fórmula do calor específico

Podemos calcular o calor específico por meio da fórmula da quantidade de calor, representada abaixo:

\(c=\frac{Q}{m∙∆T}\)

• c → calor específico, medido em \([J/(kg\bullet K)]\) ou \([cal/g\bullet°C]\).

• Q → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal].

• m → massa, medida em quilograma [kg] ou grama [g].

• \(∆T \) → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

A variação de temperatura pode ser calculada por meio da seguinte fórmula:

\(∆T=T_f-T_i\)

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

• \(T_f \) → temperatura final, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

• \(T_i\) → temperatura inicial, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

Importante: Apesar de as grandezas acima serem medidas em Joule, quilograma e Kelvin no Sistema Internacional de Unidades (SI), é mais comum utilizar caloria, grama e Celsius. É possível converter caloria para Joule, considerando que 1 cal equivale a 4,186 J.

Para transformar grama em quilograma, basta lembrarmos que 1 g equivale a 0,001 kg. Além disso, para transformarmos Celsius em Kelvin, basta somarmos à temperatura de Celsius o valor de 273,15 ou seja, 100 °C = 373,15 K.

Como calcular o calor específico?

O calor específico pode ser calculado por meio da fórmula que o relaciona à quantidade de calor, massa e temperatura da substância ou material.

• Exemplo:

Qual é o calor específico de um objeto com massa de 100 g que recebeu 1000 cal e teve sua temperatura variada 15 °C até atingir 35 °C?

Resolução:

Como todas as unidades de medida estão na sua forma mais comum, não há necessidade de conversão. Utilizaremos a fórmula do calor específico, que envolve calor, massa e temperatura:

\(c=\frac{Q}{m∙∆T}\)

\(c=\frac{Q}{m\bullet(T_f-T_i)}\)

Substituindo os valores dados no enunciado, temos:

\(c=\frac{1000}{100\bullet(35-15)}\)

\(c=\frac{1000}{100\bullet(20)}\)

\(c=\frac{1000}{2000}\)

\(c=0,5\)

Portanto, o calor específico do objeto é de \(0,5\ cal/g\bullet°C\).

Fatores que afetam o calor específico

Há alguns fatores que podem afetar as variações de calor específico. Veja a seguir.

• Forças intermoleculares: O calor específico varia proporcionalmente à força intermolecular da molécula, sendo que quanto maior for a ligação, maior será a energia necessária para rompê-la. Normalmente, moléculas contendo ligações de hidrogênio são as que contêm altos valores de calor específico.

• Impurezas: O calor específico pode variar com a quantidade de impurezas existentes no material, ainda que essas impurezas sejam necessárias para a formação do material.

• Massa molar: O calor específico também pode variar de acordo com a massa molar da substância.

• Graus de liberdade: O calor específico molar, conforme estudamos na Termodinâmica, varia de acordo com os graus de liberdade de uma molécula. Resumidamente, trata-se da liberdade de movimentação de uma molécula, sendo que ela pode ter movimentos de translação, rotação e oscilação.

Calor específico e capacidade térmica

Também chamada de capacidade calorífica, a capacidade térmica é uma constante de proporcionalidade que relaciona o calor recebido ou perdido por um corpo com a sua variação de temperatura. É possível calcular o calor específico por meio da capacidade térmica e da massa da substância ou material com a fórmula:

\(c=\frac{C}{m}\)

• c  → calor específico, medido em \([J/kg\bullet K]\) ou \([cal/g\bullet°C]\).

• C  → capacidade térmica, medida em \( [J/K]\) ou \([cal/°C]\).

• m  → massa, medida em quilograma [kg] ou grama [g].

Saiba também: Dilatação térmica dos sólidos — o fenômeno decorrente do aumento da temperatura de um corpo

Calor específico molar

O calor específico molar expressa a quantidade de calor específico de uma substância em mol, diferentemente do calor específico, em que a quantidade de substância é expressa em quilograma. Já que trabalhamos com moléculas, cujo tamanho é minúsculo, é mais vantajoso expressar a sua quantidade em mol do que em quilograma ou outras unidades.

\(1\ mol=6,02\times{10}^{23}\ unidades\ elementares\ de\ qualquer\ substância\)

Por exemplo, 1 mol de alumínio equivale a \(6,02\times{10}^{23}\) átomos de alumínio.

A fórmula para o cálculo do calor específico molar é a mesma utilizada no cálculo do calor específico, sendo que se diferem na unidade de medida — para o calor específico molar, usa-se \(cal/mol\bullet°C\).

Calor latente e calor sensível

O calor pode ser classificado como latente ou sensível. Veja a seguir.

→ Calor latente

O calor latente é aquele necessário para modificar o estado físico de uma substância sem elevar sua temperatura. Ele pode ser calculado pela fórmula:

\(Q=m\bullet L\)

• Q → quantidade de calor, medida em Joule [J]  ou calorias [cal] .

• m → massa, medida em quilograma [kg]  ou grama [g] .

• L → calor latente, medido em \([J/kg]\) ou \([cal/g]\).

→ Calor sensível

O calor sensível é aquele necessário para variar a temperatura de uma substância sem modificar seu estado físico. Ele pode ser calculado pela fórmula:

\(Q=m\bullet c\bullet∆T\)

• Q → quantidade de calor, medida em Joule [J]  ou calorias [cal] .

• m → massa, medida em quilograma [kg]  ou grama [g].

• c → calor específico, medido em \([J/(kg\bullet K)]\) ou \( [cal/g\bullet°C]\).

• ∆T → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

Exercícios resolvidos sobre calor específico

Questão 1

(UFPR) Para aquecer 500 g de certa substância de 20 °C para 70 °C, foram necessárias 4000 calorias. A capacidade térmica e o calor específico valem, respectivamente:

A) 8 cal/ °C e 0,08 \(\frac{cal}{g\ °C}\)

B) 80 cal/ °C e 0,16 \(\frac{cal}{g\ °C}\)

C) 90 cal/ °C e 0,09 \(\frac{cal}{g\ °C}\)

D) 95 cal/ °C e 0,15 \(\frac{cal}{g\ °C}\)

E) 120 cal/ °C e 0,12 \(\frac{cal}{g\ °C}\)

Resolução:

Alternativa B

Encontraremos o valor da capacidade térmica por meio da fórmula:

\(C=\frac{Q}{∆T}\)

\(C=\frac{4000\ }{70-20}\)

\(C=\frac{4000\ cal}{50}\)

\(C=80\ cal/°C\)

Por fim, calcularemos o valor do calor específico:

\(4000=500\bullet c\bullet50\)

\(4000=25000\bullet c\)

\(\frac{4000}{25000}=c\)

\(0,16\frac{cal}{g °C}=c\)

Questão 2

(PUC-RS) Um corpo A, homogêneo, de massa 200 g, varia sua temperatura de 20 °C para 50 °C ao receber 1200 calorias de uma fonte térmica. Durante todo o aquecimento, o corpo A mantém-se na fase sólida. Um outro corpo B, homogêneo, constituído da mesma substância do corpo A, tem o dobro da sua massa. Qual é, em cal/g°C, o calor específico da substância de B?

A) 0,1

B) 0,2

C) 0,6

D) 0,8

E) 1,6

Resolução:

Alternativa B

Calcularemos o calor específico do material A usando a fórmula do calor sensível:

\(Q=m\bullet c\bullet\mathrm{\Delta T}\)

\(1200=200\bullet c\bullet(50-20)\)

\(1200=200\bullet c\bullet30\)

\(1200=6000\bullet c\)

\(c=\frac{1200}{6000}\)

\(c=0,2\ cal/g°C\)

O calor específico do corpo B terá o mesmo valor do calor específico do corpo A, já que são constituídos pela mesma substância.

Qual a fórmula utilizada para calcular o calor?

Como calcular quantidade de calor Termodinamica?