O ESTUDO DA CALORIMETRIA E DA ENTALPIA

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Calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor.

Calor significa uma transferência de energia térmica de um sistema para outro, ou seja: podemos dizer que um corpo recebe calor, mas não que ele possui calor.

Calor é a energia térmica que flui de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles. Pode ser adicionado ou removido de uma substância. É medido em calorias ou joules (1 Cal=4,18 J).

Capacidade térmica (C) é a capacidade de um corpo de mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor. Ela é dada como a razão entre a quantidade de calor e a variação de temperatura:

[pic 3]

C = capacidade térmica do corpo (cal/ ºC);

Q = quantidade de calor trocada pelo corpo;

ΔT = variação de temperatura do corpo.

Calor específico (c) é a capacidade específica de uma substância de mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor para cada massa unitária que esta vier a se incluir. Isto quer dizer que a Capacidade Térmica de um corpo é dada pelo Calor Específico da substância que o compõe e sua massa. O calor especifico é definido como:

[pic 4]

Onde C = a capacidade térmica do material, m é a massa do material;

Q = o calor trocado ΔT é a variação de temperatura do corpo.

A unidade usual para determinar o calor específico é cal / g 0 C, no sistema internacional usa-se J/K.kg . E uma caloria (1 cal): é a quantidade de calor necessária para aquecer, sob pressão normal, 1,0 g de água de 14,5°C a 15,5°C.

Princípios da Calorimetria

1. Princípios de transformações inversas: a quantidade de calor que um corpo recebe é igual, em módulo, à quantidade de calor que um corpo cede ao voltar, pelo mesmo processo, à situação inicial.

2. Princípio do Equilíbrio Térmico: quando vários corpos inicialmente a temperaturas diferentes trocam calor entre si, e só entre si, observamos que alguns perdem enquanto outros recebem calor, de tal maneira que decorrido um certo tempo, todos estacionam numa mesma temperatura, chamada temperatura de equilíbrio térmico.

3. Princípio da Igualdade das Trocas de Calor: quando vários corpos trocam calor apenas entre si, a soma das quantidades de calor em que alguns cedem é igual, em módulo, à soma das quantidades de calor que os restantes recebem.

Q1 + Q2 + ... + Qn = 0

Quantidade de Calor Sensível: ocorre mudança de temperatura nas substâncias.

Q= m. c. ΔT

Se Q > 0 (o corpo recebe calor) → 0>ΔT (o corpo se aquece).

Se Q T (o corpo se esfria).

Quantidade de Calor Latente: ocorre mudança de fase (ou estado) nas substâncias.

Q.= m.L

Onde L em kJ/kg ou cal/g é o calor latente da transição de fase (Lf = calor latente de fusão; Lv = calor latente de vaporização; Ls = calor latente de solidificação e Lc = calor latente de condensação).

Observação: durante uma mudança de fase (ou estado) não há variação na temperatura.

Quando o fluxo de calor nas mudanças químicas ocorre à pressão constante, o trabalho só é realizado na forma PV. Essa função termodinâmica recebe o nome de entalpia (H), e sua variação (ΔH) poderá informar se no processo de transferência de energia o sistema absorveu calor da vizinhança (processo endotérmico com ΔH > 0), ou se liberou calor para a vizinhança (processo exotérmico com ΔH

De acordo com Russel (p. 149, 2004), a Lei de Hess afirma que:

“A variação de entalpia para qualquer processo depende somente da natureza dos reagentes e produtos e independe do número de etapas do processo ou da maneira como é realizada a reação. A Lei de Hess simplifica muito o trabalho de tabelar as variações de entalpia das reações, eliminando a necessidade de uma imensa lista de todas as possíveis reações e seus correspondentes valores de H. em vez disso, os valores de somente um tipo de reação, a reação de formação, são tabelados, e estes podem ser utilizados para calcular o valor de ΔH das outras reações. A reação de formação é aquela em que um mol de um único produto é formado a partir de seus elementos (não combinados) ”.

A pressão constante, a variação de calor associada a uma transformação química é conhecida como entalpia de reação (∆Hr) e que por definição, é dada como a diferença entre a quantidade de calor do sistema após a transformação (∆Hf) e quantidade de calor inicial (∆Hi).

∆Hr = ∆Hi + ∆Hr

∆Hi e ∆Hf, são às vezes referenciados como entalpia dos produtos e dos reagentes respectivamente. Uma transformação espontânea ocorra necessariamente e sempre com liberação de energia, que pode se manifestar sob as mais variadas formas. Quando esta transformação absorve energia é chamada de transformação endotérmica (∆Hr > 0), quando ela libera energia, é chamada transformação exotérmica (∆Hr

[pic 5]

A quantidade de calor associada a uma transformação química (∆Hr) depende apenas do estado inicial (∆Hi) e final (∆Hf), não importa a trajetória seguida ou as etapas intermediárias empregadas na transformação (Lei de Hess). A Lei de Hess pode ser aplicada mesmo se as reações intermediárias ou a reação total não possam de fato ser realizadas. (Figuras 3 e 4).

[pic 6]

Assim, de acordo com a Figura 3, em uma transformação A e B, podemos escrever : ∆Hr = ∆Hi + ∆Hx + ∆Hx. Lembrando que qualquer um dos termos da equação pode ter valor maior ou menor que zero.

No experimento realizado, verificou-se a Lei de Hess, tendo NaOH como reagente de referência, conforme esquema abaixo:

[pic 7]

Esquema 1: Demonstração da Lei de Hess.

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