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O calor e os fenômenos térmicos
Quantidade de calor sensível, calor específico e capacidade térmica
Alfredo Sotto
Vamos fazer um exercício mental?
Pense em colocar uma panela vazia sobre a chama de um fogão. O que acontece?
Agora pense em colocar uma panela com água sobre a chama do fogão. O que acontece?
Falei em exercício mental pois uma panela vazia sobre a chama tende soltar fumaça, ficar quente demais, derreter cabo de panela, isto é, trazer problemas à toa. Já a panela com água é uma coisa comum e todos já viram isso.
Mas qual o motivo da diferença?
Quando o calor começou a ser estudado percebeu-se que dando calor a uma substância a sua temperatura aumentava (isso não acontece sempre, você consegue ver quando?). Assim pensou-se em uma relação direta de proporcionalidade.
A quantidade de calor (Q) cedida a uma corpo é diretamente proporcional à variação de temperatura da substância (Δθ). Em termos matemáticos
Para tirar o sinal de proporcional colocar um de igual é preciso colocar uma constante (C).
Q = C. Δθ
Essa constante C foi chamada de Capacidade Térmica.
Obs.: O nome capacidade nos passa uma ideia de volume, pois o nome vem da ideia de fluido que existia à época (flogístico/ calórico). O calor era uma espécie de líquido passado para os corpos.
Mas a capacidade térmica mostrou-se insuficiente para relacionar os aquecimentos. O metal esquenta mais rápido do que a água? Ou depende da quantidade de metal e água? O que esquenta primeiro 1 tonelada de alumínio ou 1 gota de água?
Assim, ficou claro que a capacidade térmica dependia da quantidade de matéria que se deseja aquecer.
Então, a capacidade térmica (C) ficou sendo o produto da massa (m) pelo calor específico da substância (c).
C = m . c
A quantidade final ficou sendo a quantidade de calor sensível da substância. A quantidade de calorias para aquecer a substância depende, então, da relação:
Q = C. Δθ ou Q = m . c . Δθ
O calor específico acaba sendo uma grandeza fundamental para o estudo do calor. Ele depende do estado físico da substância e no estudo dos gases há uma complexidade maior.
Mas o que queremos falar aqui é: o calor específico é que diz como a substância vai absorver a energia térmica que recebe.
O calor específico do alumínio é cerca de 0,2 cal/go C. Isso quer dizer que para que 1 grama de alumínio fique 1o C mais quente é preciso dar a ele 0,2 cal.
O calor específico da água é 1 cal/go C. Isso quer dizer que para que 1 grama de água fique 1o C mais quente é preciso dar a ela 1 cal.
Assim, a panela de alumínio (ou outro metal) aquece depressa, pois apresenta calor específico baixo.
A água demora a esquentar, pois possui calor específico alto.
Lembre-se: A ÁGUA POSSUI UM ALTO CALOR ESPECÍFICO
A frase acima é resposta para muitas coisas.
Por que sinto frio quando saio da água da praia?
Porque a água tem um alto calor específico. Para a água evaporar ela retira calor do ambiente e de você, como precisa de muito calor para evaporar, você sente a perda de calor (frio). Se estiver no sol, sente menos frio, pois o calor do sol ajuda evaporar mais rápido, mas na sombra...
Por que a Terra tem uma temperatura média razoável?
Porque a água tem um alto calor específico. Como a Terra tem muita água está menos sujeita a grandes variações de temperatura.
Por que o corpo humano tem uma temperatura constante?
Porque a água tem um alto calor específico. Como o corpo humano tem muita água é mais difícil de mudar de temperatura.
Por que a água é um bom refrigerante para motores?
Porque a água tem um alto calor específico. Motores usam água para absorver o calor gerado em seu uso e ela consegue absorver bastante calor com pouca variação de temperatura.
Por que na praia a areia é quente e a água é fria?
Porque a água tem um alto calor específico. O calor específico da areia é baixo (cerca de 0,12 cal/goC) assim esquenta rápido. A água demora mais a esquentar, começa a esquentar ao final do dia após receber uma grande quantidade de calor do sol. Só que aí a areia já esfriou...
Vamos ver duas questões:
(Enem 2009) O Sol representa uma fonte limpa e inesgotável de energia para o nosso planeta. Essa energia pode ser captada por aquecedores solares, armazenada e convertida posteriormente em trabalho útil. Considere determinada região cuja insolação — potência solar incidente na superfície da Terra — seja de 800 watts/m2.
Uma usina termossolar utiliza concentradores solares parabólicos que chegam a dezenas de quilômetros de extensão. Nesses coletores solares parabólicos, a luz refletida pela superfície parabólica espelhada é focalizada em um receptor em forma de cano e aquece o óleo contido em seu interior a 400 °C. O calor desse óleo é transferido para a água, vaporizando-a em uma caldeira. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica.
Considerando que a distância entre a borda inferior e a borda superior da superfície refletora tenha 6 m de largura e que focaliza no receptor os 800 watts/m2 de radiação provenientes do Sol, e que o calor específico da água é 1 cal. g-1. ºC-1 = 4.200 J. kg-1. ºC-1, então o comprimento linear do refletor parabólico necessário para elevar a temperatura de 1 m3 (equivalente a 1 t) de água de 20 °C para 100 °C, em uma hora, estará entre
a) 15 m e 21 m.
b) 22 m e 30 m.
c) 105 m e 125 m.
d) 680 m e 710 m.
e) 6.700 m e 7.150 m.
Vamos ver outro:
(Enem cancelado 2009) Em grandes metrópoles, devido a mudanças na superfície terrestre — asfalto e concreto em excesso, por exemplo — formam-se ilhas de calor. A resposta da atmosfera a esse fenômeno é a precipitação convectiva.
Isso explica a violência das chuvas em São Paulo, onde as ilhas de calor chegam a ter 2 a 3 graus centígrados de diferença em relação ao seu entorno.
Revista Terra da Gente. Ano 5, nº 60, Abril 2009 (adaptado).
As características físicas, tanto do material como da estrutura projetada de uma edificação, são a base para compreensão de resposta daquela tecnologia construtiva em termos de conforto ambiental. Nas mesmas condições ambientais (temperatura, umidade e pressão), uma quadra terá melhor conforto térmico se
a) pavimentada com material de baixo calor específico, pois quanto menor o calor específico de determinado material, menor será a variação térmica sofrida pelo mesmo ao receber determinada quantidade de calor.
b) pavimentada com material de baixa capacidade térmica, pois quanto menor a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor.
c) pavimentada com material de alta capacidade térmica, pois quanto maior a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor
d) possuir um sistema de vaporização, pois ambientes mais úmidos permitem uma mudança de temperatura lenta, já que o vapor d'água possui a capacidade de armazenar calor sem grandes alterações térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madeira, por exemplo).
e) possuir um sistema de sucção do vapor d'água, pois ambientes mais secos permitem uma mudança de temperatura lenta, já que o vapor d'água possui a capacidade de armazenar calor sem grandes alterações térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madeira, por exemplo).