O Calor específico de uma substância

Calor específico é uma grandeza física que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor. Também é chamado de capacidade térmica mássica. É constante para cada substância em cada estado físico. Pode-se dizer que o calor específico caracteriza uma substância (em determinado estado físico).

A unidade no SI é J/(kg.K) (joule por quilogramas por Kelvin). Uma outra unidade mais usual para calor específico é cal/(g.°C) (caloria por grama por grau celsius).

Calor Específico (c): É a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita trocar para variar sua temperatura em 1ºC. Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.
Obs.: O calor específico depende da substância e não da quantidade da mesma. Diferente da capacidade térmica.
Obs.2:  No gráfico, substâncias diferentes de mesma massa possuirão inclinações diversas. A mais inclinada é a de maior calor específico;

Calor específico

Observe as figuras:

Vamos supor que os blocos B₁ e B₂ representados nas figuras sejam constituídos da mesma substância e tenham massas m₁ e m₂. Verifica-se experimentalmente que, aquecidos durante um mesmo intervalo de tempo, na mesma fonte de calor, o bloco de maior massa sofre menor variação de temperatura e vice-versa.

Assim, se a massa m₁ do bloco B₁ é duas, três ou n vezes maior que a massa m₂ do bloco B₂, a capacidade calorífica C₁ do bloco B₁ é duas três ou n vezes maior do que a capacidade calorífica C₂ do bloco B₂. Em outras palavras, a capacidade calorífica (C) de corpos constituídos da mesma substância é diretamente proporcional à massa (m) de cada corpo. Podemos, portanto escrever:

C = mc

onde c é uma constante de proporcionalidade que depende da substância de que é constituído o corpo. Essa constante é, por definição, chamada de calor específico dessa substância.

O conceito de calor específico permite obter expressões mais abrangentes para a quantidade de calor, pois não nos restringimos mais a corpos determinados, mas a substâncias. Assim, substituindo a relação C = mc na expressão Q = CΔT, podemos obter a expressão:

Q = mcΔT

que permitem determinar a quantidade de calor Q absorvida pelo corpo de massa m, constituído por determinada substância de calor específico c quando sofre acréscimo de temperatura ΔT.

As unidades de calor específico no SI são, portanto, J/kg . °C ou J/ kg . K.

Capacidade térmica de um corpo

Capacidade térmica ou capacidade calorífica é a grandeza física que determina o calor que é necessário fornecer a um corpo para produzir neste determinada temperatura / variação térmica. A unidade usada no SI é J/K (Joule por Kelvin).

A capacidade térmica caracteriza o corpo, e não a substância que o constitui. Dois corpos de massas e de substâncias diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica. Dois corpos de massas diferentes e de mesma substância possuem capacidades térmicas diferentes.

A grandeza que caracteriza uma substância é o calor específico.

A capacidade calorífica está também relacionada com as interacções intermoleculares, a estabilidade de uma fase, a condutividade térmica e a capacidade de armazenar energia.

A água, líquido essencial à nossa sobrevivência, tem propriedades que vão além do poder de hidratação. A água é única em seus aspectos, a começar pela sua capacidade térmica, que é a quantidade de calor que uma substância pode absorver ou liberar para alterar sua temperatura em 1 grau Celsius. Para se ter uma ideia, a capacidade térmica da molécula H₂O é maior que a de metais, como ferro e alumínio.

Colocando na prática seria assim: a água contida nos rios e oceanos absorve grande quantidade de calor, mas nem por isso a Terra fica aquecida, pelo contrário, este fator é responsável por equilibrar a temperatura do planeta.

Outro diferencial da água está em seu alto calor latente de vaporização, a quantidade de energia necessária para converter um grama de líquido em gás. Esta propriedade está presente até mesmo em nosso corpo, quer ver?
Quando transpiramos, a água que expelimos (nosso suor) se evapora graças ao calor latente de evaporação, o que permite que a temperatura corporal seja controlada.

A água é também um solvente universal. A polaridade da molécula H₂O permite que ela reaja com inúmeras substâncias, dissolvendo-as.

As trocas de calor

As trocas de calor acontecem diariamente e a todo instante entre os corpos e objetos que fazem parte do universo. Mas o que vem a ser calor? A definição de calor pode ser dada da seguinte forma:

Calor é energia térmica em trânsito que flui de um corpo para outro em decorrência da diferença de temperatura dos mesmos.

O calor pode ser transferido de um corpo para outro por meio de três diferentes formas que são: condução, convecção e irradiação. A condução  surge do contato entre os materiais com diferença de temperatura. A convecção acontece com os fluidos em geral e ocorre em razão das diferenças de densidade das partes envolvidas. Por último, temos a irradiação. Esse é o tipo de propagação do calor que, ao contrário das outras duas mencionadas anteriormente, não necessita de um meio material para que aconteça, ou seja, pode acontecer no vácuo. É dessa forma que todos os dias o Sol aquece a Terra.

O calor tem grande importância em nossas vidas e muitas vezes é necessário medir a quantidade que é trocado entre os corpos. Para quantificar o calor trocado entre estes, bem como outras grandezas térmicas, utiliza-se um aparelho denominado calorímetro. Esse equipamento é constituído por um recipiente interno que, por sua vez, é envolvido por outro recipiente externo totalmente fechado e de paredes isolantes. Com essa construção reduzem-se ao máximo as perdas de calor para o meio ambiente.

Quando dois ou mais corpos de temperaturas diferentes são colocados em seu interior, acontecem trocas de calor entre os mesmos até que alcancem o equilíbrio térmico. É por meio dessa igualdade de temperaturas que podemos determinar, por exemplo, a capacidade térmica e o calor específico das substâncias em questão.

O calorímetro é um instrumento utilizado para medir a quantidade de calor, fazer análises das trocas de calor que acontecem entre dois corpos localizados em seu interior, e ainda determinar o calor específico de um determinado elemento, que pode ser, por exemplo, o cobre. Esse equipamento é muito utilizado nos laboratórios de ensino quando se deseja realizar as análises citadas anteriormente. Ele pode ser comprado, como também confeccionado. Com materiais simples e do cotidiano dos alunos o professor de física pode instruir os alunos na confecção desse instrumento, a fim de fazer análises das quantidades de calor trocadas neste sistema isolado termicamente, ou seja, livre de trocas de calor com o meio ambiente.

Para construir um calorímetro, proceda da seguinte forma: pegue um recipiente de isopor que possua tampa bem ajustada, ou seja, que não possua folgas entre a tampa e as paredes do recipiente. Dentro deste último coloque outro recipiente de metal e com um algodão preencha os espaços existentes entre os dois recipientes. Na tampa da embalagem de isopor faça dois pequenos furos, um para o termômetro e outro para o agitador (uma pequena haste metálica, por exemplo). Está pronto o calorímetro!

Para medir a quantidade de calor e descobrir o calor especifico de um determinado material como o ferro, por exemplo, coloque uma determinada massa de água a temperatura de 20 °C dentro do calorímetro. Feito isso, pegue um pequeno pedaço de ferro, meça sua massa e depois aqueça-o até que ele atinja uma temperatura de 60°C. Ainda quente coloque-o dentro do calorímetro contendo água, feche bem e com o agitador agite o sistema para que ele entre em equilíbrio térmico. Sabendo a massa, a temperatura inicial e final da água e do ferro e utilizando a equação fundamental e o princípio da calorimetria, podemos fazer as análises das trocas de calor e descobrir qual é o calor específico do material.

Garrafa térmica

Uma garrafa térmica ou, simplificado, termo ou termos^[1], é um recipiente portátil que tem como objetivo evitar a troca de calor entre o conteúdo que está em seu interior e o ambiente, mantendo sua temperatura temporariamente constante. Foi inventada em 1892 pelo físico-químico escocês James Dewar.

A garrafa térmica é construída de forma a dificultar as três formas de tranferência de calor: convecção, condução e irradiação. Portanto, é constituída por uma ampola com duas paredes de vidro (por ser um mau condutor de calor) muito delgado, com a forma do recipiente; entre essas paredes, é formado um ar rarefeito, que se assemelha ao vácuo, o que serve para evitar a convecção e a condução. Essas paredes também são espelhadas tanto no lado de fora quanto no de dentro, por isso consegue retardar a irradiação. Esta ampola é protegida por um invólucro exterior, que pode ser de metal ou plástico, para proteger a ampola e facilitar a sua portabilidade. As ampolas também podem se apresentar confeccionadas em material sintético ou aço inoxidável.

Como funciona a garrafa térmica?

Os objetos espelhados – superfícies de metal, por exemplo – refletem muito bem o calor. Um revestimento metálico permite evitar troca de calor por irradiação.

Cobertores e agasalhos de alumínio são usados para evitar perda de calor corporal, como no caso de atletas que executaram grande esforço físico ou de pessoas que sofreram acidente grave e estão com o corpo mais frio do que o normal. Algumas roupas contra fogo usadas por bombeiros têm um revestimento externo de metal que reflete o calor irradiado pelas chamas.

As garrafas térmicas possuem vários isolamentos, inclusive revestimentos espelhados, para evitar a troca de calor entre interior e exterior. Esses diversos isolamentos, que aparecem na figura acima, permitem conservar os líquidos quentes ou gelados por mais tempo.