Dilatação térmica e calorimetria - Professor Pinguim

Neste post, vamos falar de dois assuntos que costumam cair bastante nos vestibulares: calorimetria e dilatação térmica. Vem comigo!

Calorimetria

É o campo da Física que estuda os fenômenos relacionados às trocas de energia (calor) entre diferentes corpos. Aqui, temos dois conceitos fundamentais:

Calor: representa a energia térmica que é transferida de um corpo para o outro, sendo determinado pela diferença de temperatura entre dois ou mais corpos.
Temperatura: grandeza que mede o grau de agitação das moléculas de um corpo.

Importante: se os corpos estiverem isolados termicamente do ambiente exterior, a transferência de calor entre eles ocorrerá até que se alcance o equilíbrio térmico, ou seja, ambos os corpos fiquem com temperaturas iguais.

Outro ponto que vale chamar atenção é que um corpo não possui calor, mas, sim, energia interna. Chamamos de calor apenas a energia em trânsito de um corpo para o outro.

Nesse sentido, já emendamos em outros dois conceitos importantes:

Quando a energia em trânsito ocasiona a mudança de estado físico de um corpo, então chamamos de calor latente;
Quando a transferência de energia gera uma mudança na temperatura de um corpo, isso recebe o nome de calor sensível.

Como tantos outros assuntos da Física, a calorimetria tem uma equação própria, que utilizamos para os principais cálculos. A fórmula é a seguinte:

Q: quantidade de calor, medido em joule (J) ou caloria (cal);
m: massa, medido em quilogramas (kg) ou gramas (g);
c: calor específico do material;
Δθ: variação de temperatura de um corpo, ou seja, a temperatura final menos a temperatura inicial.

Calor específico e capacidade térmica

O que costuma pegar em questões envolvendo a equação da calorimetria é justamente o calor específico (c). Essa grandeza representa a quantidade de energia necessária para que 1 grama de uma substância tenha sua temperatura aumentada ou diminuída em 1ºC. Portanto, o calor específico é uma constante de proporcionalidade cujo valor depende do material que constitui o corpo.

Na esteira do calor específico, temos outra grandeza muito importante chamada de capacidade térmica, cujo valor tem relação com quantidade de calor que um corpo recebe e a variação de temperatura.

A capacidade térmica (C) pode ser calculada de duas formas:

C: capacidade térmica do corpo;
Q: quantidade de calor;
Δθ: variação de temperatura;
m: massa;
c: calor específico sensível do material.

Mudança de estado

Existe ainda outro tema fundamental no estudo da calorimetria que é a mudança de estado físico de um material. Trata-se da quantidade de calor que é recebida ou cedida por um corpo para que ele mude de fase. E, como vimos, nesse caso estamos falando de calor latente.

Aqui, também há uma fórmula para o cálculo da quantidade de calor latente durante a mudança de estado física:

Q: quantidade de calor;
m: massa;
L: calor específico latente do material e da mudança de estado.

Trocas de calor

Quando dois ou mais corpos trocam energia entre si, a transferência de calor sempre ocorre do corpo com maior temperatura para o corpo com menor temperatura.

Como comentei, quando os corpos estão isolados termicamente do ambiente exterior, a troca de calor vai acontecer até que todos atinjam o equilíbrio térmico. Nesse caso, a temperatura final será a mesma para todos os corpos, ou seja, a energia total do sistema se conserva, independentemente da quantidade de corpos.

Curva de aquecimento

E dá-lhe conceito! A curva de aquecimento varia de acordo com cada substância e geralmente indica as mudanças de estado físico. Ela aparece na forma de um gráfico, que traz a relação entre a temperatura de um material em função da quantidade de calor recebida ou cedida. O gráfico apresentado também pode trazer a relação entre temperatura e tempo.

Atenção: pessoal, há uma série de aulas e lives sobre calorimetria no meu canal, em que vou mais a fundo nos principais cálculos e resolvo alguns exercícios passo a passo. Confira:

Dilatação térmica

A dilatação térmica é um fenômeno em que ocorre uma variação nas dimensões de um corpo quando ele passa por mudanças de temperatura. De uma maneira geral, tanto sólidos quanto líquidos e gasosos tendem a expandir-se quando têm suas temperaturas aumentadas.

Dilatação térmica dos sólidos

Quando falamos de substâncias no estado sólido, precisamos ter em mente que o aumento da temperatura aumenta o distanciamento entre os átomos de um corpo, fazendo com que suas dimensões também aumentem.

Nesse sentido, existem três classificações para as dilatações dos sólidos:

Linear

Considera o aumento das dimensões de um corpo em apenas um sentido. Para calculá-la, devemos usar a seguinte fórmula:

ΔL: variação de comprimento, medido em metros (m) ou centímetros (cm).
L₀: comprimento inicial.
α: coeficiente de dilatação linear.
Δθ: variação de temperatura.

Superficial

Considera o aumento das dimensões de uma determinada superfície. Nesse caso, a fórmula é a seguinte:

ΔA: variação de área, medida em metros quadrados (m²) ou centímetros quadrados (cm²);
A₀: área inicial;
β: coeficiente de dilatação superficial (=2.);
Δθ: variação de temperatura.

Volumétrica

Considera o aumento do volume total de um corpo. Sua fórmula é a seguinte:

ΔV: variação de volume, medido em metros cúbicos (m³) ou centímetros cúbicos (cm³);
V₀: volume inicial;
γ: coeficiente de dilatação volumétrica (= 3.);
Δθ: variação de temperatura.

Dilatação térmica dos líquidos

Quando sofrem aumento de temperatura, os líquidos também aumentam seu volume. No entanto, como substâncias líquidas não possuem forma definida, o único cálculo possível é o de dilatação volumétrica.

Importante: existe um fenômeno chamado dilatação anômala da água. Trata-se de um comportamento característico da água (e também de alguns outros líquidos) que provoca alterações irregulares no seu volume durante variações de temperatura. Quando aquecida entre 0 °C e 4 °C, a água perde volume (contração) e somente depois de dilata.

Atenção: para se aprofundar nos cálculos que costumam cair nas provas e conferir a resolução de exercícios, assista às aulas:

Espero que você tenha entendido um pouco melhor sobre calorimetria e dilatação térmica. E se quiser ajuda para melhorar seu nível de Física em outras matérias, entre em contato comigo e escolha o curso de Física mais adequado para você!

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