Calorimetria: entenda os conceitos fundamentais

A calorimetria é a parte da termologia que estuda os processos de transmissão de calor. É na calorimetria que aprendemos de quais maneiras o calor pode ser transmitido e como podemos realizar cálculos com essas quantidades de calor.

A seguir, você confere os tópicos mais quentes sobre o tema, aprendendo os principais conceitos, cálculos e como o assunto é cobrado pelo Enem e outros vestibulares!

Calor x temperatura: quais as diferenças?

Os dois conceitos têm relação, mas não são a mesma coisa: temperatura é uma grandeza associada à energia cinética média ("grau de agitação") das partículas de um corpo. Por outro lado, calor é a energia térmica em trânsito entre dois corpos.

Veja que, por ser energia térmica em trânsito, não é correto falar que um corpo "possui" ou "armazena" calor. Outra confusão comum é achar que calor envolve apenas temperaturas altas, o que não é verdade, já que é possível haver trocas de calor em baixas temperaturas.

No Sistema Internacional (SI), a unidade de temperatura é o kelvin (K) e a de calor é o joule (J), já que calor é uma forma de energia. No entanto, é comum trabalharmos com outras unidades em calorimetria, como o grau Celsius (ºC) para temperatura e a caloria (cal) para calor.

Quer saber mais? Confira nossa videoaula sobre as diferenças entre temperatura e calor:

Como converter caloria em joule

1 cal corresponde a aproximadamente 4,186 J (algumas questões podem ainda arredondar para 4,2 ou até para 4). Logo, para converter caloria em joule, basta multiplicar por 4,186. Para converter joule em caloria, basta dividir por 4,186.

👉 Leia também:

Temperatura e calor: entenda a diferença

Conheça os tipos de calor

Quando um corpo recebe ou cede calor, uma dessas coisas acontecerá com ele:

• variação de temperatura
• mudança de estado físico

Quando o calor provoca variação de temperatura em um corpo, o chamamos de quantidade de calor sensível. Já quando o efeito é a mudança de estado físico do corpo, o calor recebe o nome de quantidade de calor latente. Costumamos utilizar a letra Q para representar uma quantidade de calor.

Convenção de sinais

A quantidade de calor pode ser positiva ou negativa, dependendo da situação. Independentemente de ser uma quantidade de calor sensível ou latente, usamos a seguinte convenção:

• se o corpo recebe calor, Q é positivo (Q > 0)
• se o corpo cede calor, Q é negativo (Q < 0)

Se o corpo não recebe nem cede calor, então Q = 0.

Quantidade de calor sensível

Quando um corpo sofre variação de temperatura, a quantidade de calor responsável por esse efeito depende de três fatores: massa, variação de temperatura e substância da qual o corpo é feito.

Calor específico

Se você já teve a oportunidade de ir à praia em um dia quente e ensolarado, deve ter percebido que a areia estava muito mais quente do que a água. Por que isso acontece? Afinal, ambas foram submetidas à mesma quantidade de calor fornecida pelo Sol!

A resposta é que diferentes substâncias esquentam ou esfriam de maneiras diferentes. Algumas variam a temperatura mais facilmente do que outras, que é o caso da areia.

Nesse sentido, existe uma grandeza física que nos indica se é fácil ou não esquentar ou esfriar uma substância: o calor específico.

O calor específico indica a quantidade de calor que uma unidade de massa de um corpo precisa receber ou ceder para variar em uma unidade a sua temperatura. A unidade de medida de calor específico no SI é o J/kg · K, mas uma unidade comum é a cal/g · ºC.

Cada substância tem seu calor específico. O calor específico da água, por exemplo, vale aproximadamente 1 cal/g · ºC. Ou seja, para fazer 1 g de água esquentar ou esfriar sua temperatura em 1 ºC, é preciso fornecer ou retirar dela uma quantidade de calor equivalente a 1 cal.

Quanto maior for o calor específico de uma substância, mais calor ela precisará para variar sua temperatura. Em outras palavras: é mais difícil esquentá-la ou esfriá-la. O calor específico da areia é muito menor do que o da água, por isso ela esquenta mais rapidamente (e também esfria!).

Capacidade térmica

Vimos que o calor específico é uma característica da substância. Isso quer dizer que um copo de água e uma piscina olímpica de água terão o mesmo calor específico. Porém, você deve imaginar que é muito mais fácil esquentar ou esfriar a água do copo do que a da piscina, certo?

Se sim, você tem razão! E isso é explicado pela capacidade térmica, uma grandeza que indica a quantidade de calor que um corpo deve receber ou ceder para variar em uma unidade a sua temperatura.

Perceba a diferença sutil entre calor específico e capacidade térmica: o calor específico se refere à substância, enquanto a capacidade térmica se refere ao corpo. A capacidade térmica da água da piscina olímpica é muito maior do que a capacidade térmica da água do copo, mesmo que os calores específicos sejam idênticos.

Isso nos leva à seguinte conclusão: a capacidade térmica depende da massa do corpo, enquanto o calor específico não. No SI, a unidade de capacidade térmica é o J/K, mas é muito comum trabalharmos com cal/ºC.

Mas capacidade térmica não tem um termo de massa em sua unidade, já o calor específico, sim! No SI, capacidade térmica é medida em J/K e calor específico em J/kg · K. Então, como o calor específico não depende da massa, sendo que é ele que tem um "kg" em sua unidade?

Bom, precisamos lembrar que J significa kg · m²/s², assim, se "abrirmos" o J na unidade do calor específico, o kg em kg · m²/s² vai simplificar com o kg no denominador. Em contrapartida, a unidade da capacidade térmica não tem kg além do que está embutido no J.

Relação entre capacidade térmica e calor específico

A partir da definição de capacidade térmica (C), podemos relacioná-la com a quantidade de calor sensível (Q) e com a variação de temperatura (Δθ) pela fórmula

Note que não tem massa na fórmula porque a capacidade térmica já considera o corpo como um todo. Se considerarmos a capacidade térmica por unidade de massa, estamos falando do calor específico (c). Podemos relacionar C e c através da seguinte fórmula:

Ou seja, a capacidade térmica de um corpo é o produto de sua massa pelo calor específico da substância que o compõe.

Equação fundamental da calorimetria

Na fórmula da capacidade térmica que vimos anteriormente, podemos isolar Q, obtendo

Como C = m · c, podemos substituir C por m · c. O resultado é conhecido como equação fundamental da calorimetria:

Mudanças de estado

A partir dos conceitos de calor específico e de capacidade térmica, estudamos a quantidade de calor sensível, que provoca variações de temperatura. Vimos que outra possibilidade é a mudança de estado físico (ou fase) do corpo.

Na natureza, existem diversos estados físicos, como sólido, líquido, gasoso, plasma e o condensado de Bose-Einsten. No entanto, para o estudo da calorimetria, os três primeiros são suficientes. O tipo de mudança de estado vai depender se o corpo recebeu ou cedeu calor, ou seja, se o processo é endotérmico ou exotérmico.

Processos endotérmicos

Primeiramente, vamos ver os processos de mudança de estado que envolvem recebimento de calor (Q > 0), os processos endotérmicos.

Fusão: é a mudança do estado sólido para o líquido. Ocorre, por exemplo, quando uma porção de gelo recebe calor e derrete, se transformando em água líquida.

Vaporização: processo de passagem do estado líquido para o gasoso. No caso da água, podemos pensar na vaporização quando a água recebe calor e se torna vapor de água.

Além disso, podemos classificar a vaporização em três tipos: evaporação (um processo lento, que não depende de uma temperatura específica); ebulição (que ocorre a uma temperatura específica, chamada temperatura de ebulição); e calefação (presente nas temperaturas superiores à temperatura de ebulição).

Ao nível do mar, a temperatura de ebulição da água é de 100 ºC. No entanto, ela não precisa atingir essa temperatura para vaporizar. Quando deixamos as roupas sob o sol, no varal, elas secam por evaporação, sem precisar atingir a temperatura de ebulição. Ainda bem, né?

Sublimação: é a mudança direta do estado sólido para o estado gasoso, sem passar pelo estado líquido. Isso acontece com o gelo seco, que é uma forma sólida do dióxido de carbono e libera fumaça proveniente da sublimação.

Processos exotérmicos

Aprendemos sobre os processos endotérmicos, em que os corpos recebem calor. Agora, vamos conhecer os processos exotérmicos, em que os corpos cedem calor.

Liquefação (ou condensação): é a mudança do estado gasoso para o estado líquido e ocorre porque a substância em estado gasoso perde energia na forma de calor.

Já reparou que, quando você tira uma garrafa de água da geladeira, ela fica molhada depois de um tempo, mesmo que estivesse inicialmente seca? Da onde vem essa água na parte de fora da garrafa?

Ela vem da umidade do ar, que, ao entrar em contato com a garrafa gelada, perde calor para ela. Esse calor cedido à garrafa é suficiente para liquefazer o vapor de água.

Solidificação: ocorre quando uma substância passa do estado líquido para o sólido. É o caso da água se transformando em gelo na forma que colocamos no congelador.

Sublimação: é o nome dado à mudança do estado gasoso diretamente para o sólido, sem passar pelo estado líquido. Perceba que é o mesmo nome do processo inverso (do estado sólido para o gasoso). Alguns autores chamam essa mudança de ressublimação.

A ilustração abaixo mostra todos os processos de mudanças de fase que aprendemos até aqui:

👉 Leia também:

Diagrama de fases: o que é e exemplos

Quantidade de calor latente

Como vimos, a quantidade de calor responsável por fazer um corpo mudar de estado físico é chamada quantidade de calor latente. Para substâncias puras, as mudanças de estado ocorrem em temperaturas específicas, para um determinado valor de pressão. Durante a mudança de estado de uma substância pura, sua temperatura não varia.

A quantidade de calor que um corpo precisa receber ou ceder para mudar de fase depende da sua massa e do tipo de substância que o compõe.

Calor latente

Assim como a quantidade de calor sensível, a quantidade de calor latente tem uma fórmula:

O termo m representa a massa do corpo e L é o calor latente, uma grandeza que indica a quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa da substância mude de estado físico.

Cada substância, para uma dada pressão, tem valores específicos de calor latente para cada processo de mudança de fase. No entanto, o calor latente é o mesmo para um processo e para o seu processo inverso.

Por exemplo: o calor latente de fusão da água vale 80 cal/g, que é igual ao seu calor latente de solidificação. Isso significa que 1 g de gelo precisa receber 80 cal (Q positivo) para derreter. Da mesma forma, 1 g de água precisa ceder 80 cal (Q negativo) para congelar.

Potência térmica

Sabemos que potência é uma grandeza que indica a rapidez com que alguma forma de energia é transformada, consumida ou convertida. Corresponde à razão entre essa energia e o intervalo de tempo em que ela é transformada. Na Física, trabalhamos com vários tipos de potência, como mecânica, elétrica e térmica. A fórmula para calcular potência é:

Na potência térmica, a energia transformada é o calor, ou seja, é a razão entre o calor cedido ou recebido e o intervalo de tempo em que isso ocorreu. A fórmula para calcular potência térmica é:

Essa quantidade de calor Q pode ser sensível ou latente.

No SI, a unidade de potência é o watt (W), que é a mesma coisa que joule por segundo (J/s). Na calorimetria, é comum aparecer também a unidade caloria por segundo (cal/s).

Trocas de calor

Imagine a seguinte situação: dois corpos de temperaturas diferentes são colocados em um mesmo sistema físico, de maneira que possam trocar calor entre si. Pode ser, por exemplo, leite gelado e café quente dentro de uma xícara.

Por estar a uma temperatura maior, o café vai fornecer calor ao leite, que vai esquentar, ao passo que o café vai esfriar. Além disso, haverá trocas de calor com a xícara e com o próprio ambiente.

Sistema termicamente isolado

Para entendermos melhor o que está acontecendo, vamos considerar um sistema termicamente isolado, ou seja, em que apenas os elementos em seu interior trocam calor entre si. Dessa forma, se colocarmos o café com leite dentro de um sistema termicamente isolado, eles só vão trocar calor entre si, não mais com o meio externo.

Você pode pensar em uma garrafa térmica como exemplo de um sistema termicamente isolado: a função dela é reduzir ao máximo as trocas de calor entre o meio externo e o seu conteúdo.

Em outras palavras: se colocarmos uma bebida gelada, a garrafa evita que ela receba calor do meio externo. Se colocarmos uma bebida quente, a garrafa evita que ela ceda calor ao meio externo. A consequência disso é conservar a temperatura do que está dentro dela.

Na prática, um sistema termicamente isolado perfeito não existe, pois essa é uma idealização. Até mesmo uma garrafa térmica de excelente qualidade não conseguirá manter para sempre a temperatura da bebida em seu interior, mas ela com certeza vai preservá-la por bastante tempo!

Trocas de calor em um sistema termicamente isolado

Todo o calor cedido pelo café é recebido pelo leite. Não tem como o café fornecer uma quantidade de calor diferente daquela recebida pelo leite. Afinal, de acordo com o princípio de conservação da energia, a energia não é perdida e nem criada: ela se conserva.

Como o café e o leite estão isolados termicamente do meio externo (e desprezamos as trocas de calor com a garrafa), eles só podem trocar calor entre si. Se o café fornece 25 kcal, essas mesmas 25 kcal são recebidas pelo leite. Nenhuma quantidade de calor é criada ou perdida.

Pela convenção dos sinais, a quantidade de calor fornecida pelo café vale Q = -25 kcal, já a quantidade de calor recebida pelo leite vale Q = 25 kcal.

De maneira geral, podemos dizer que a soma das quantidades de calor trocadas entre corpos de um sistema termicamente isolado é igual a zero:

Outra maneira de dizer isso é que a quantidade de calor cedido + a quantidade de calor recebido é igual a zero, pois ambas são iguais em módulo, mas com sinais diferentes:

Quando os corpos param de trocar calor, dizemos que atingiram o equilíbrio térmico. Isso acontece quando eles estão com a mesma temperatura, chamada temperatura de equilíbrio.

As quantidades de calor envolvidas podem ser sensíveis, latentes ou até mesmo ambas!

Se misturarmos, por exemplo, uma porção de água quente e gelo, caso o calor fornecido pela água seja suficiente para derreter completamente o gelo, haverão dois termos de calor recebido: uma quantidade de calor latente (para derreter o gelo) e uma de calor sensível (para fazer o gelo derretido, ou seja, água, chegar à temperatura de equilíbrio).

Resumo: calorimetria

Vamos conferir um resumo sobre os tópicos mais importantes sobre calorimetria.

• Temperatura: é uma grandeza associada à energia cinética média ("grau de agitação") das partículas de um corpo. Algumas unidades: kelvin (K) e grau Celsius (ºC).
• Calor: é a energia térmica em trânsito entre dois corpos. Algumas unidades: joule (J) e caloria (cal).
• Conversão entre caloria e joule: 1 cal ≅ 4,186 J.
• Calor positivo (+): recebido por um corpo.
• Calor negativo (-): cedido por um corpo.
• Quantidade de calor sensível: provoca variação de temperatura. A fórmula é Q = m · c · ΔT.
• Quantidade de calor latente: provoca mudança de estado físico. A fórmula é Q = m · L.

Como a calorimetria cai no Enem e nos vestibulares

Veja dois exercícios sobre calorimetria:

Exemplo 1 - Quantidade de calor sensível

(Fuvest 2022) Um bom café deve ser preparado a uma temperatura pouco acima de 80 °C. Para evitar queimaduras na boca, deve ser consumido a uma temperatura mais baixa. Uma xícara contém 60 mL de café a uma temperatura de 80 °C. Qual a quantidade de leite gelado (a uma temperatura de 5 °C) deve ser misturada ao café para que a temperatura final do café com leite seja de 65 °C?

Note e adote: considere que o calor específico e a densidade do café e do leite sejam idênticos.

a) 5 mL

b) 10 mL

c) 15 mL

d) 20 mL

e) 25 mL

Resposta: [C]
Por estar a uma temperatura maior, o café fornecerá calor, que será recebido pelo leite. Logo:
Q_cedido + Q_recebido = 0
m_café · c · ΔT_café + m_leite · c · ΔT_leite = 0
Podemos simplificar os termos "c", já que o enunciado diz para considerar idênticos os calores específicos:
m_café · ΔT_café + m_leite · ΔT_leite = 0
Como densidade é a razão entre massa e volume, então m = d · V:
d · V_café · ΔT_café + d · V_leite · ΔT_leite = 0
Assim como para os calores específicos, o enunciado diz para considerar idênticas as densidades, logo:
V_café · ΔT_café + V_leite · ΔT_leite = 0
Substituindo os valores:
60 · (65 - 80) + V_leite · (65 - 5) = 0
60 · (-15) + V_leite · 60 = 0
-900 + 60 · V_leite = 0
60 · V_leite = 900
V_leite = 900/60
V_leite = 15 mL

Exemplo 2 - Quantidade de calor latente

(Enem 2ª aplicação 2016) Num dia em que a temperatura ambiente é de 37ºC, uma pessoa, com essa mesma temperatura corporal, repousa à sombra. Para regular sua temperatura corporal e mantê-la constante, a pessoa libera calor através da evaporação do suor. Considere que a potência necessária para manter seu metabolismo é 120 W e que, nessas condições, 20% dessa energia é dissipada pelo suor, cujo calor de vaporização é igual ao da água (540 cal/g). Utilize 1 cal igual a 4 J. Após duas horas nessa situação, que quantidade de água essa pessoa deve ingerir para repor a perda pela transpiração?

a) 0,08 g

b) 0,44 g

c) 1,30 g

d) 1,80 g

e) 80,0 g

Resposta: [E]
De acordo com o enunciado, a potência dissipada pelo suor (P_D) corresponde a 20% da potência total, que vale 120 W. Logo, P_D = 0,2 · 120 = 24 W.
O calor latente de vaporização foi dado em cal/g, mas a potência está em W (que corresponde a J/s), então vamos converter o calor latente para J/g, usando a relação 1 cal = 4 J, dada pelo enunciado:
L = 540 · 4 = 2.160 J/g.
Sabemos que a potência térmica é dada por P = Q/Δt. Por se tratar de uma quantidade de calor latente, então:
P = m · L/Δt
m · L = P · Δt
m = (P · Δt)/L
Repare também que a potência está em W (J/s), mas o tempo está em horas. Como 1 h tem 60 min e 1 min tem 60 s, então 2 h = 2 · 60 · 60 = 7.200 s.
Substituindo os valores:
m = (24 · 7.200)/2.160
m = 80,0 g