Calorimetria

Guia de estudo · Revisado em 16/09/2026

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Um chuveiro de 5 400 W dá água morna quando a torneira está toda aberta; o termômetro num copo de suco cheio de gelo marca 0 °C e só volta a subir quando o último cubo some; 250 kcal de chocolate levariam dois litros e meio de água da geladeira à fervura. Quanto calor custa aquecer um corpo, quanto custa derretê-lo ou evaporá-lo, e como se descobre a temperatura final quando dois corpos a temperaturas diferentes se encontram?

O que você vai aprender

  • Definir calor como energia em trânsito entre corpos a temperaturas diferentes e converter entre joule, caloria e quilocaloria (1 cal = 4,186 J; 1 kcal = 1 000 cal), inclusive a Caloria dos alimentos e a potência média do corpo humano (≈ 100 W).
  • Aplicar Q = mcΔT ao calor sensível, ler o calor específico como o preço de aquecer 1 g em 1 °C, usar a tabela de c (água 1 cal/g·°C = 4 186 J/kg·K; gelo 0,5; ferro 0,11) e explicar pelo c da água o clima ameno do litoral e a brisa marítima.
  • Distinguir capacidade térmica (C = mc, do corpo) de calor específico (da substância), resolver itens em que Q e ΔT são iguais e as massas diferem, e reconhecer que a sensação térmica depende da condutividade, não da capacidade térmica.
  • Relacionar potência e calor por Q = PΔt para calcular tempos de aquecimento (chaleira, aquecedor solar) e a variação de temperatura de um fluxo (chuveiro: ΔT = P/(ṁc)), estimando ordens de grandeza de banho, chaleira e aparelhos domésticos.
  • Montar o balanço ΣQ = 0 em sistemas isolados com o sinal saindo de T_f − T_i, prever que a temperatura final fica entre as iniciais, ponderada pelas capacidades térmicas, e usar o calorímetro para obter um calor específico desconhecido.
  • Aplicar Q = mL ao calor latente de fusão (80 cal/g) e de vaporização (540 cal/g) da água, explicar por que gelo a 0 °C resfria mais que água a 0 °C e por que a evaporação (suor, climatizador) retira calor do corpo ou do ambiente.
  • Ler curvas de aquecimento T × Q e T × t: rampa como calor sensível com inclinação 1/(mc), patamar como mudança de fase com largura mL e coexistência de fases, comparando calores específicos e latentes pela forma do gráfico.
  • Resolver misturas com mudança de fase (gelo na água) pelo roteiro 'o gelo derrete todo?', obtendo a temperatura final positiva ou o estado a 0 °C com gelo sobrando, e encadear sensível + latente em itens de escala doméstica (bomba de água) e industrial (caldeira, hidrelétrica).
  • Evitar os erros que a banca planta: limiar em unidade trocada (cal × kcal, J × MJ), litro no lugar de grama, ΔT em K 'diferente' de °C, patamar esquecido, calor específico alto lido como 'esquenta rápido', sinal do Q no balanço.

Um chuveiro elétrico de 5 400 W está entre os aparelhos mais potentes da casa, e mesmo assim a água sai morna quando a torneira está muito aberta. O termômetro espetado num copo de refresco cheio de gelo marca 0 °C e não sai daí, ainda que o copo passe a tarde ao sol: só volta a subir quando o último cubo some. Quem põe o leite para esquentar no micro-ondas sabe que uma xícara fica pronta em um minuto e a caneca grande pede dois. A embalagem do chocolate diz “250 kcal”, e essa energia seria suficiente para levar dois litros e meio de água da geladeira até a fervura. As quatro cenas se resolvem com uma única ideia: calor é energia em trânsito, e existe uma conta para quanto dela é preciso para aquecer, uma conta para quanto é preciso para derreter ou evaporar, e uma regra para o que acontece quando dois corpos a temperaturas diferentes se encontram. Essa contabilidade é a calorimetria.

A conta do aquecimento é Q=m c ΔTQ = m\,c\,\Delta T: a energia é proporcional à massa, à variação de temperatura e a um número que depende do material, o calor específico, o “preço” de aquecer um grama em um grau. A conta da mudança de fase é Q=mLQ = mL: a temperatura fica parada e o custo depende só da massa. E, num recipiente isolado, a energia que sai de um corpo entra inteira nos outros, de modo que a soma de todos os calores trocados é nula: ∑Q=0\sum Q = 0. Com essas três linhas se decide a temperatura da mistura, o tempo do banho, o tamanho do patamar no gráfico e a razão de o suor esfriar. É a conta que a 2.ª etapa do PAS mais repete, quase sempre com uma unidade trocada de propósito no meio do caminho. O que temperatura é, como se mede e por que uma variação vale o mesmo em °C e em K está na página vizinha temperatura e calor; a razão de a ebulição depender da pressão, o diagrama de fases e a panela de pressão estão em mudanças de estado físico. Aqui essas ideias entram só pelo nome.

Calor tem preço, e o preço vem em joule ou em caloria

Um reservatório não “tem” vazão guardada em algum lugar: o que ele guarda é água, e vazão é a água que atravessa o cano enquanto há desnível entre dois tanques. Com a energia térmica é igual. O que um corpo armazena é energia interna (a agitação das suas partículas); calor é o nome da parcela dessa energia que atravessa a fronteira entre dois corpos enquanto houver diferença de temperatura entre eles. O sentido espontâneo é um só, do mais quente para o mais frio, e a travessia termina sozinha quando as duas temperaturas coincidem: a esse estado final dá-se o nome de equilíbrio térmico. Por ser energia, o calor se mede em joule (J), a unidade do SI. Mas a calorimetria nasceu antes de se saber que calor era energia, e herdou uma unidade própria, a caloria.

Caloria, joule e a quilocaloria dos alimentos

1 caloria (cal) é a quantidade de calor que eleva em 1 °C a temperatura de 1 g de água. A ponte com o joule é o equivalente mecânico do calor, medido por Joule na década de 1840:

1 cal=4,186 J≈4,2 J.1\ \text{cal} = 4{,}186\ \text{J} \approx 4{,}2\ \text{J}.

A prova dá o valor que quer usar (4,2; 4,18; 4,186): use o do enunciado. A quilocaloria (kcal) vale 1 000 cal e é a “Caloria” das embalagens de alimento (às vezes escrita Cal, com maiúscula). Um adulto consome cerca de 2 000 kcal por dia, ou 2 000×4 186≈8,4×1062\,000 \times 4\,186 \approx 8{,}4 \times 10^{6} J: dividido por 86 400 s, isso dá cerca de 100 W, a potência de uma lâmpada antiga. Você é um aquecedor de 100 W ligado o dia inteiro.

de para multiplique por
cal J 4,186 (ou o valor dado)
kcal cal 1 000
kcal kJ 4,186
kWh J 3,6×1063{,}6 \times 10^{6}
W J/s 1 (é a mesma coisa)

Exemplo resolvido (a barra de chocolate). Uma barra de 50 g tem 250 kcal. Em joules: 250×4 186=1,05×106250 \times 4\,186 = 1{,}05 \times 10^{6} J, um megajoule. Quanta água isso aqueceria da geladeira (5 °C) até a fervura (100 °C)? Cada grama de água precisa de 1 cal por grau, logo 95 cal; 250 000/95=2 630250\,000/95 = 2\,630 g, dois litros e meio. Conferência de ordem de grandeza: o chuveiro de 5 400 W entregaria esse megajoule em 1,05×106/5 400=1941{,}05 \times 10^{6}/5\,400 = 194 s, pouco mais de três minutos de banho. Comida é energia concentrada.

Quente não é sinônimo de "cheio de calor"

A frase “o corpo mais quente contém mais calor” tropeça em dois lugares. Primeiro, no verbo: calor é o que atravessa, não o que fica guardado; o que fica guardado chama-se energia interna. Segundo, na comparação: temperatura mais alta quer dizer partículas mais agitadas, não mais energia no total. Uma piscina a 20 °C acumula milhares de vezes mais energia interna que um bule de chá a 90 °C, simplesmente porque tem milhares de vezes mais partículas; mesmo assim é o chá que esquenta a mão, porque a direção do fluxo depende da temperatura, não do estoque. Na prova, repare nos verbos: um corpo que “guarda”, “possui” ou “acumula” calor é sinal de item construído para errar. A distinção completa entre temperatura (agitação) e calor (energia em trânsito) é o assunto de temperatura e calor.

Calor sensível: Q = m c ΔT, e o calor específico é o preço por grama e por grau

Chama-se calor sensível o calor que muda a temperatura de um corpo sem mudar sua fase. Três coisas o fazem crescer: mais massa, mais graus e um material mais “caro” de aquecer. A primeira e a segunda são proporcionais; a terceira é uma propriedade da substância.

Calor sensível e calor específico

Q=m c ΔT,ΔT=Tfinal−Tinicial.Q = m\,c\,\Delta T, \qquad \Delta T = T_{\text{final}} - T_{\text{inicial}}.

cc é o calor específico: a quantidade de calor necessária para elevar em 1 °C a temperatura de 1 g (ou de 1 kg) da substância. Unidades: cal/(g·°C) ou J/(kg·K); a conversão é 1 cal/(g⋅°C)=4 186 J/(kg⋅K)1\ \text{cal/(g·°C)} = 4\,186\ \text{J/(kg·K)}, porque 1 cal=4,1861\ \text{cal} = 4{,}186 J e 1 kg=1 0001\ \text{kg} = 1\,000 g. A variação ΔT\Delta T vale o mesmo em °C e em K: kelvin e Celsius têm o mesmo degrau, só o zero muda de lugar.

substância cc (cal/g·°C) cc (J/kg·K)
água líquida 1,00 4 186
gelo 0,50 2 090
vapor de água 0,48 2 010
álcool etílico 0,58 2 430
óleo de cozinha ≈ 0,50 ≈ 2 000
ar 0,24 1 005
alumínio 0,22 900
areia, vidro, concreto ≈ 0,20 ≈ 800
ferro 0,11 450
cobre 0,093 385
chumbo 0,031 130

Leia a tabela como uma lista de preços. Aquecer 1 g de água em 1 °C custa 1 cal; aquecer 1 g de ferro no mesmo grau custa 0,11 cal, nove vezes menos. A recíproca é a que importa no dia a dia: com a mesma energia, o ferro esquenta nove vezes mais que a água. É por isso que a panela de ferro fica pelando enquanto a água dentro dela ainda está tépida, e por isso que a areia da praia queima o pé ao meio-dia enquanto o mar continua fresco.

Cinco copos com um grama de material cada um: água, óleo, alumínio, areia e ferro. Cada copo recebe a mesma quantidade de calor, um bloco de dez calorias, e um termômetro ao lado mostra quanto a temperatura sobe: dez graus na água, vinte no óleo, quarenta e cinco no alumínio, cinquenta na areia e noventa e um no ferro. Abaixo de cada copo, o calor específico do material em calorias por grama e grau.
A mesma energia, 10 cal por grama, produz aquecimentos muito diferentes: a água sobe 10 °C, o ferro sobe 91 °C. Calor específico **alto** significa que o material aquece **devagar** e esfria devagar; é um reservatório. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (o ebulidor do escritório). Um ebulidor de 1 800 W é mergulhado em 1,5 L de água da torneira a 15 °C; quanto tempo até ferver? Primeiro, volume vira massa pela densidade: 1,5 L de água são 1 500 g. Depois, a variação: ΔT=100−15=85\Delta T = 100 - 15 = 85 °C. Calor: Q=1 500×1×85=127 500Q = 1\,500 \times 1 \times 85 = 127\,500 cal =127,5= 127{,}5 kcal; em joules, 127 500×4,2≈535 000127\,500 \times 4{,}2 \approx 535\,000 J. Por fim, o tempo: o aparelho entrega 1 800 J a cada segundo, logo 535 000/1 800≈297535\,000/1\,800 \approx 297 s, cinco minutos cravados, um valor que qualquer copa de escritório confirma. Repare no primeiro passo, que a prova sempre exige: litro virou grama. Um litro de água tem 1 000 g; um litro de óleo de densidade 0,9 tem 900 g; um litro de terebintina de densidade 0,87 tem 870 g (a banca cobrou exatamente essa conversão em 2020).

Por que o litoral tem clima ameno

A água tem um dos maiores calores específicos que existem, cinco vezes o da areia e da rocha. Durante o dia, a mesma radiação solar que aquece a terra em vários graus mal muda a temperatura do mar; à noite, a terra devolve depressa o pouco que recebeu e o mar devolve devagar o muito que guardou. Resultado: no interior do continente, dias quentes e noites frias (em Brasília, a amplitude diária passa de 15 °C na seca); no litoral, a diferença entre o dia e a noite e entre o verão e o inverno é pequena. A mesma diferença de calor específico move a brisa marítima: de dia a areia esquenta mais, o ar sobre ela sobe e o ar do mar escoa para o continente; de noite, o sentido se inverte. O mecanismo do movimento do ar, a convecção, é assunto de propagação de calor; a calorimetria entra na causa, o cc da água.

"Calor específico alto = esquenta rápido"

É o inverso. cc alto significa que é preciso muita energia para pouca variação de temperatura: o material esquenta devagar, esfria devagar, e por isso serve de reservatório de calor. Foi a inversão que a 2.ª etapa de 2012 plantou num bloco sobre uma usina solar: o item dizia que o sal líquido, “devido a seu elevado calor específico”, era um bom fluido de armazenamento “pois requer pouca energia absorvida na forma de calor, para produzir grande variação de temperatura”. A conclusão (o sal é um bom reservatório) é verdadeira; a justificativa é o contrário da definição. Errado. Repare na montagem: a frase começa e termina com algo correto, e o erro mora na oração do meio, a que explica o “porquê”. Quem lê só o início e o fim assina embaixo; quem julga a justificativa pega a troca.

Capacidade térmica não é calor específico

O calor específico é do material; a capacidade térmica é do corpo. Uma piscina e um copo têm água com o mesmo cc, mas a piscina exige milhões de vezes mais calor para subir um grau.

Capacidade térmica

C=QΔT=m c(unidade: cal/°C ou J/K).C = \frac{Q}{\Delta T} = m\,c \qquad \text{(unidade: cal/°C ou J/K).}

CC é quanto calor o corpo inteiro precisa para variar 1 °C. Dobrar a massa dobra CC e não muda cc. Dois corpos de materiais diferentes podem ter a mesma capacidade térmica: 500 g de água (C=500C = 500 cal/°C) e 4,5 kg de ferro (4 500×0,11=4954\,500 \times 0{,}11 = 495 cal/°C) esquentam quase o mesmo número de graus ao receber o mesmo calor. Com CC a conta do calor sensível fica Q=C ΔTQ = C\,\Delta T.

Dois painéis. No painel da esquerda, um copo com cem gramas de água e um balde com mil gramas de água recebem o mesmo bloco de mil calorias: o copo sobe dez graus e o balde sobe um grau; o calor específico é o mesmo, um, mas as capacidades térmicas são cem e mil calorias por grau. No painel da direita, cem gramas de água e cem gramas de ferro recebem as mesmas mil calorias: a água sobe dez graus e o ferro sobe noventa e um; as massas são iguais, mas os calores específicos são um e onze centésimos.
À esquerda, o mesmo material em massas diferentes: cc igual, CC diferente. À direita, a mesma massa de materiais diferentes: o que muda é cc. Capacidade térmica é do corpo; calor específico é da substância. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (mesmo Q, mesmo ΔT, massas diferentes). A 2.ª etapa de 2011, num bloco cujo texto-base descrevia latas de alumínio reaproveitadas como coletor solar, afirmou: “Se duas latas metálicas de massas mam_a e mbm_b, com ma>mbm_a > m_b, ao sofrerem a mesma variação de temperatura, absorverem a mesma quantidade de calor, é correto concluir que elas têm o mesmo calor específico.” Isole cc: c=Q/(m ΔT)c = Q/(m\,\Delta T). Mesmo QQ, mesmo ΔT\Delta T, massas diferentes: ca=Q/(maΔT)<Q/(mbΔT)=cbc_a = Q/(m_a \Delta T) < Q/(m_b \Delta T) = c_b. A lata mais leve tem o calor específico maior; o que as duas têm igual é a capacidade térmica (C=Q/ΔTC = Q/\Delta T). Errado. O item troca as duas grandezas de propósito.

A sensação térmica não é capacidade térmica

Encoste a mão no corrimão de alumínio de uma varanda e, logo depois, no parapeito de madeira ao lado, num fim de madrugada de inverno: o alumínio parece gelado, a madeira parece neutra. Os dois passaram a noite inteira ao mesmo ar e estão à mesma temperatura; o que difere é a condutividade térmica. O metal retira calor da pele num ritmo alto, e é essa retirada rápida que o cérebro traduz como “frio”; a madeira retira o mesmo calor tão devagar que a pele quase não percebe. A 2.ª etapa de 2016 afirmou que “o metal parece mais frio que o concreto” porque “a capacidade térmica do metal é maior que a do concreto”: observação certa, causa errada, gabarito E. Capacidade térmica diz quanto calor um corpo precisa para variar de temperatura; não diz nada sobre a rapidez com que ele troca calor com a sua pele. O mecanismo é o da propagação de calor.

Potência e tempo: quem aquece é o aparelho

Chuveiro, chaleira, fogão, aquecedor solar: em todos, o calor chega a uma certa taxa. Potência é energia por segundo, e o calor entregue num intervalo Δt\Delta t é

Potência térmica

Q=P Δt(P em W=J/s, Δt em s, Q em J).Q = P\,\Delta t \qquad (P \text{ em W} = \text{J/s},\ \Delta t \text{ em s},\ Q \text{ em J}).

Juntando com o calor sensível, P Δt=m c ΔTP\,\Delta t = m\,c\,\Delta T. Duas leituras da mesma equação:

  • Tempo de aquecimento de uma massa parada: Δt=m c ΔT/P\Delta t = m\,c\,\Delta T / P. Dobrar a massa dobra o tempo; dobrar a potência divide o tempo por dois.
  • Aquecimento de um fluxo (o chuveiro): a cada segundo passa uma massa m˙\dot m (a vazão em g/s ou kg/s) que recebe PP joules, logo P=m˙ c ΔTP = \dot m\,c\,\Delta T e

ΔT=Pm˙ c.\Delta T = \frac{P}{\dot m\,c}.

Torneira mais aberta, mais massa por segundo dividindo a mesma potência: água mais fria. É por isso que o chuveiro “quente” pede vazão menor.

Um chuveiro elétrico de cinco mil e quatrocentos watts visto em corte, com a água entrando fria a vinte e cinco graus e saindo aquecida. Três situações lado a lado: vazão de dois litros por minuto, saída a sessenta e quatro graus; três litros por minuto, saída a cinquenta e um graus; seis litros por minuto, saída a trinta e oito graus. Abaixo, a equação potência igual a vazão vezes calor específico vezes variação de temperatura e um gráfico da variação de temperatura contra a vazão, uma hipérbole decrescente.
A mesma potência dividida por mais massa por segundo: ΔT=P/(m˙ c)\Delta T = P/(\dot m\,c). Com 5 400 W e 3 L/min (50 g/s), a água ganha 5 400/(50×4,2)≈265\,400/(50 \times 4{,}2) \approx 26 °C; com a torneira toda aberta, 6 L/min, só 13 °C. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (o chuveiro e a vazão). Um chuveiro de 5 400 W recebe água a 25 °C com vazão de 3 L/min. Em massa por segundo: 3 000 g em 60 s são 50 g/s. Cada segundo, 5 400 J aquecem 50 g de água (c=4,2c = 4{,}2 J/g·°C): ΔT=5 400/(50×4,2)=25,7\Delta T = 5\,400/(50 \times 4{,}2) = 25{,}7 °C. A água sai a cerca de 51 °C, temperatura de banho quente. Abrindo a torneira para 6 L/min (100 g/s), ΔT=12,9\Delta T = 12{,}9 °C e a água sai a 38 °C: morna. Conferência pelo caminho inverso: para elevar 100 g/s em 25 °C seriam necessários 100×4,2×25=10 500100 \times 4{,}2 \times 25 = 10\,500 W, quase o dobro da potência do aparelho. Quem já tomou banho num chuveiro fraco com a torneira aberta conhece a conta.

Exemplo resolvido (o aquecedor solar). O boiler de uma casa guarda 300 L (300 kg) de água, e as placas no telhado lhe entregam, em média, 900 W úteis enquanto há sol. Levar essa água de 15 °C a 45 °C exige Q=300×4 200×30=3,78×107Q = 300 \times 4\,200 \times 30 = 3{,}78 \times 10^{7} J; a 900 J por segundo, são 3,78×107/900=42 0003{,}78 \times 10^{7}/900 = 42\,000 s, quase 12 horas, ou seja, o dia inteiro de insolação, sem folga. De noite a conta se inverte: se o boiler vaza 150 W para o ar durante 10 h, a perda é 150×36 000=5,4×106150 \times 36\,000 = 5{,}4 \times 10^{6} J, e a água esfria 5,4×106/(300×4 200)≈4,35{,}4 \times 10^{6}/(300 \times 4\,200) \approx 4{,}3 °C. É por isso que o reservatório vem encapado com isolante e por isso o banho da manhã ainda sai quente.

Ordem de grandeza: os números que vale guardar
  • Chuveiro elétrico: 4 400 a 7 500 W; com 5 400 W e 3 L/min, ΔT≈26\Delta T \approx 26 °C. Um banho de 10 minutos consome 5 400×600=3,24×1065\,400 \times 600 = 3{,}24 \times 10^{6} J =0,9= 0{,}9 kWh, três vezes o megajoule da barra de chocolate.
  • Chaleira ou ebulidor: 1 500 a 2 000 W; 1 L de 20 °C à fervura em cerca de 3 minutos.
  • Fogão a gás: uma boca grande entrega cerca de 2 000 a 3 000 W à panela, mas boa parte escapa pelos lados: o rendimento é da ordem de 40%.
  • Corpo humano: 2 000 kcal/dia ≈ 100 W em repouso; 500 a 1 000 W num exercício forte, e o excesso sai como suor (seção do calor latente).
  • Sol no solo: cerca de 1 000 W por metro quadrado ao meio-dia com céu limpo; a banca usou essa mesma ordem de grandeza, disfarçada de (4,18/π)×103(4{,}18/\pi) \times 10^{3} J/(m²·s) (≈ 1 330 W/m²), num item de 2008 sobre uma lente de gelo.

Equilíbrio térmico: o que um cede, o outro recebe

Despeje 200 g de água quase fervendo, a 90 °C, numa garrafa térmica que já contém 300 g de água a 20 °C, e feche. A porção quente perde temperatura, a fria ganha, e passado um minuto o termômetro marca um único valor, em algum ponto entre 20 e 90. Qual? Como a garrafa não deixa energia escapar, cada caloria que a água quente perdeu foi parar na água fria, e em nenhum outro lugar. Essa afirmação, que parece óbvia, é o princípio inteiro da calorimetria.

Balanço térmico num sistema isolado

Num recipiente termicamente isolado, a soma dos calores trocados pelos corpos é zero:

∑Q=Q1+Q2+⋯=0.\sum Q = Q_1 + Q_2 + \cdots = 0.

Cada Qi=mi ci (Tf−Ti)Q_i = m_i\,c_i\,(T_f - T_i) com a mesma temperatura final TfT_f para todos. O sinal sai sozinho da diferença: quem esfria tem Tf<TiT_f < T_i, logo Q<0Q < 0 (cedeu); quem esquenta tem Q>0Q > 0 (recebeu). Não é preciso adivinhar quem cede: escreva sempre Tf−TiT_f - T_i e deixe a álgebra decidir. Se o recipiente também troca calor (um calorímetro real, uma panela), ele entra na soma com a sua capacidade térmica: Qrec=Crec (Tf−Ti)Q_{\text{rec}} = C_{\text{rec}}\,(T_f - T_i). “Capacidade térmica desprezível” quer dizer que esse termo é zero.

Exemplo resolvido (a mistura de duas águas). 200 g a 90 °C com 300 g a 20 °C, garrafa de capacidade térmica desprezível: 200⋅1⋅(Tf−90)+300⋅1⋅(Tf−20)=0200 \cdot 1 \cdot (T_f - 90) + 300 \cdot 1 \cdot (T_f - 20) = 0, logo 500 Tf=18 000+6 000=24 000500\,T_f = 18\,000 + 6\,000 = 24\,000 e Tf=48T_f = 48 °C. Conferência: a água quente cedeu 200×42=8 400200 \times 42 = 8\,400 cal; a fria recebeu 300×28=8 400300 \times 28 = 8\,400 cal. Fecha. Repare que a temperatura final é uma média ponderada pelas capacidades térmicas: Tf=(200×90+300×20)/500T_f = (200 \times 90 + 300 \times 20)/500. Se as massas fossem iguais, sairia a média simples, 55 °C; aqui a porção fria é a mais pesada, e o resultado desce para o lado dela, sete graus abaixo do meio do caminho.

Dois recipientes se juntando num terceiro. À esquerda, duzentos gramas de água a noventa graus e trezentos gramas de água a vinte graus; à direita, quinhentos gramas a quarenta e oito graus. Embaixo, um diagrama de barras horizontal com o eixo da temperatura: a barra da água quente vai de noventa até quarenta e oito, marcada como calor cedido, menos oito mil e quatrocentas calorias; a barra da água fria vai de vinte até quarenta e oito, marcada como calor recebido, mais oito mil e quatrocentas calorias. As duas barras têm a mesma área, e a soma dos calores é zero.
O balanço: 200(Tf−90)+300(Tf−20)=0200(T_f - 90) + 300(T_f - 20) = 0 dá Tf=48T_f = 48 °C. A água quente cede 8 400 cal, a fria recebe 8 400 cal. O sinal de cada QQ sai de Tf−TiT_f - T_i; ninguém precisa adivinhar quem esfria. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (o calor específico desconhecido). É o uso clássico do calorímetro: um recipiente isolado com água em que se mergulha o corpo a estudar. Um bloco de metal de 200 g a 100 °C é posto em 400 g de água a 20 °C; o equilíbrio se dá a 25 °C. A água recebeu 400×1×5=2 000400 \times 1 \times 5 = 2\,000 cal; o metal cedeu 200×c×(25−100)=−15 000 c200 \times c \times (25 - 100) = -15\,000\,c. Soma zero: 15 000 c=2 00015\,000\,c = 2\,000, c=0,133c = 0{,}133 cal/(g·°C). Na tabela, está entre o ferro (0,11) e o alumínio (0,22); pode ser aço ou um bronze. O método vale para qualquer corpo, e é como as tabelas de calor específico foram construídas. A 2.ª etapa de 2016 fez a mesma conta pelo lado do aparelho: um fio metálico de 1 m e 1 mm² de seção, densidade 8 g/cm³, recebeu 32 J e aqueceu 10 °C; “então o metal do fio terá calor específico superior a 0,3 J/(g·°C)”. Volume: 100 cm×0,01 cm2=1 cm3100\ \text{cm} \times 0{,}01\ \text{cm}^2 = 1\ \text{cm}^3, logo 8 g; c=32/(8×10)=0,4c = 32/(8 \times 10) = 0{,}4 J/(g·°C). Certo. O degrau escondido era transformar 1 mm² em 0,01 cm².

O sinal do Q e a temperatura final "no meio"

Dois erros de balanço. (1) Escrever todos os QQ como positivos e igualar “calor cedido = calor recebido” funciona, mas exige saber de antemão quem cede; com três ou mais corpos, ou com mudança de fase no caminho, é fácil errar o lado. A forma ∑m c (Tf−Ti)=0\sum m\,c\,(T_f - T_i) = 0 nunca erra o sinal. (2) A temperatura final está sempre entre a menor e a maior inicial, e mais perto da do corpo de maior capacidade térmica. Se a conta deu TfT_f fora do intervalo, há erro de sinal ou de unidade; se deu exatamente a média simples com massas diferentes, alguém esqueceu de ponderar.

Calor latente: a energia que muda a fase sem mover o termômetro

Aqueça gelo a −20 °C num fogo constante e acompanhe o termômetro. Ele sobe até 0 °C e para. O fogo continua, o gelo vai virando água, e a temperatura fica em 0 °C até o último cristal derreter; só então volta a subir. Em 100 °C, para de novo: a água ferve, o volume de líquido diminui, e o termômetro não passa de 100 enquanto houver água na panela. Todo o calor recebido durante o patamar está sendo gasto em desmontar a organização da fase (romper a rede cristalina do gelo; separar as moléculas do líquido), não em agitar mais as partículas. Esse calor é o calor latente.

Calor latente

Q=m L,Q = m\,L,

com LL o calor latente da transição, em cal/g ou J/kg: a energia para mudar de fase 1 g da substância, à temperatura constante. Para a água à pressão normal:

  • Fusão (gelo → água, a 0 °C): Lf=80L_f = 80 cal/g =334= 334 J/g =3,34×105= 3{,}34 \times 10^{5} J/kg. A solidificação libera o mesmo valor (L=−80L = -80 cal/g).
  • Vaporização (água → vapor, a 100 °C): Lv=540L_v = 540 cal/g =2 260= 2\,260 J/g =2,26×106= 2{,}26 \times 10^{6} J/kg. A condensação libera o mesmo.

Repare na escala: derreter 1 g de gelo custa o mesmo que aquecer 1 g de água em 80 °C; evaporar 1 g de água custa o mesmo que aquecê-la em 540 °C, mais de cinco vezes a energia de levar essa água de 0 a 100 °C. Nas rampas o calor é sensível (m c ΔTm\,c\,\Delta T); nos patamares, latente (m Lm\,L); nunca os dois no mesmo trecho.

Por que gelo a 0 °C esfria mais que água a 0 °C. Imagine o teste feito lado a lado na cozinha: dois copos com a mesma dose de suco a 30 °C; no primeiro vão 50 g de água recém-saída de um banho de gelo, a 0 °C; no segundo, 50 g de cubos de gelo, também a 0 °C. Ninguém discutiria que os dois aditivos “estão igualmente frios”. Mas o resultado não é o mesmo. A água só tem uma forma de resfriar o suco: aquecer-se até a temperatura final, absorvendo calor sensível, e ponto. O gelo tem duas. Antes de qualquer grau, ele precisa derreter, e cada grama cobra 80 cal do suco por essa transição; só depois a água recém-formada começa a aquecer. É como se cada grama de gelo chegasse com um vale de 80 cal a ser descontado do suco antes de a conta normal começar. O mesmo raciocínio explica por que a caixa de isopor da praia leva gelo e não água gelada, e por que a bolsa de gel congelado da farmácia rende horas de frio.

Dois copos iguais com duzentos gramas de refresco a trinta graus. No copo da esquerda entram cinquenta gramas de água a zero grau e a temperatura final marcada é vinte e quatro graus. No copo da direita entram cinquenta gramas de gelo a zero grau e a temperatura final é oito graus. Ao lado de cada copo, a lista das parcelas do balanço: só o calor sensível no primeiro; a fusão de quatro mil calorias mais o sensível no segundo.
Mesma massa, mesma temperatura inicial, resultados diferentes: a água a 0 °C só absorve calor sensível e a mistura para em 24 °C; o gelo a 0 °C primeiro cobra 80 cal/g para derreter e a mistura para em 8 °C. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (as duas versões do copo). Suco: 200 g a 30 °C, c=1c = 1. Com água a 0 °C: 200(Tf−30)+50(Tf−0)=0200(T_f - 30) + 50(T_f - 0) = 0, 250 Tf=6 000250\,T_f = 6\,000, Tf=24T_f = 24 °C. Com gelo a 0 °C: a fusão custa 50×80=4 00050 \times 80 = 4\,000 cal; o balanço ganha um termo, 200(Tf−30)+4 000+50(Tf−0)=0200(T_f - 30) + 4\,000 + 50(T_f - 0) = 0, 250 Tf=2 000250\,T_f = 2\,000, Tf=8T_f = 8 °C. Dezesseis graus de diferença, e a única coisa que mudou foi a fase dos 50 g. Conferência: o suco cedeu 200×22=4 400200 \times 22 = 4\,400 cal; 4 000 foram para derreter e 400 para levar a água do gelo de 0 a 8 °C. Fecha. (Antes do balanço, vale a pergunta que a próxima seção formaliza: o gelo derrete todo? Até 0 °C o suco poderia ceder 200×30=6 000200 \times 30 = 6\,000 cal, mais que os 4 000 da fusão, logo sim.)

O suor, o climatizador e a mina

Quando 1 g de suor evapora da pele, ele leva consigo cerca de 540 cal (na temperatura da pele o valor é um pouco maior, perto de 580 cal/g), retiradas do corpo. Meio litro de suor evaporado remove 500×540=270 000500 \times 540 = 270\,000 cal =270= 270 kcal, mais de um décimo do gasto diário, e é assim que o corpo se livra da potência extra do exercício. O climatizador evaporativo (o “ar-condicionado de água”) e a moringa de barro funcionam pelo mesmo princípio: a água que evapora rouba calor do ar ou do restante da água. A 2.ª etapa de 2007 levou a ideia a uma mina de ouro a 2 200 m de profundidade, onde a rocha está a 60 °C acima da superfície: o item afirmava que se pode “fazer uso do calor latente de vaporização da água, visto que, quando vaporizada, sob ventilação forçada, a água consegue absorver calor do ar, resfriando o ambiente”. Certo, palavra por palavra. E a 1.ª etapa de 2012 chamou a evaporação do suor de “processo exotérmico”: errado, evaporar absorve energia; é endotérmico, e por isso resfria. A evaporação acontece em qualquer temperatura, só na superfície; a ebulição, a uma temperatura fixa, no líquido inteiro. O que decide a temperatura de ebulição, a pressão, fica em mudanças de estado físico.

Exemplo resolvido (o refrigerador de 2013). “Considerando que o calor latente de solidificação da água e o calor específico da água correspondam, respectivamente, a 80 cal/g e 1 cal/(g ºC), verifica-se que um refrigerador com eficiência igual a 5 deverá realizar um trabalho igual a 19 kcal, para congelar 1.000 g de água inicialmente a 15 ºC.” Calor a retirar: esfriar de 15 a 0 °C, 1 000×1×15=15 0001\,000 \times 1 \times 15 = 15\,000 cal; congelar, 1 000×80=80 0001\,000 \times 80 = 80\,000 cal; total 95 kcal. “Eficiência 5” de um refrigerador quer dizer 5 unidades de calor retiradas por unidade de trabalho gasto (o significado disso está em máquinas térmicas e segunda lei): W=95/5=19W = 95/5 = 19 kcal. Certo. Dos 95 kcal, 80 (84%) vêm da solidificação; quem monta a conta só com o resfriamento de 15 a 0 °C acha 3 kcal de trabalho e marca E num item que estava certo.

A curva de aquecimento: rampas e patamares

Ponha a temperatura no eixo vertical e, no horizontal, o calor fornecido (ou o tempo, se a potência for constante: Q=P tQ = P\,t, e os dois eixos são proporcionais). A história de 1 kg de água que começa como gelo a −50 °C e termina como vapor a 250 °C vira um gráfico de cinco trechos.

Gráfico da temperatura em graus Celsius contra a energia fornecida em quilocalorias para um quilograma de água, de menos cinquenta a duzentos e cinquenta graus. Cinco trechos: uma rampa do gelo de menos cinquenta a zero grau, custando vinte e cinco quilocalorias; um patamar horizontal em zero grau, a fusão, de largura oitenta quilocalorias, entre os pontos A e B; uma rampa da água de zero a cem graus, custando cem quilocalorias, entre B e C; um patamar em cem graus, a vaporização, de largura quinhentas e quarenta quilocalorias, entre C e D; e uma rampa do vapor de cem a duzentos e cinquenta graus, custando setenta e dois quilocalorias. As energias acumuladas marcadas no eixo são vinte e cinco, cento e cinco, duzentos e cinco, setecentos e quarenta e cinco e oitocentos e dezessete. A rampa do gelo é duas vezes mais inclinada que a da água.
Um quilograma de água levado do gelo a −50 °C ao vapor a 250 °C, o cenário do bloco de 2016 da 2.ª etapa. Rampas: calor sensível, inclinação 1/(mc)1/(mc); patamares A–B (fusão, 80 kcal) e C–D (vaporização, 540 kcal): calor latente, temperatura constante, duas fases coexistindo. O patamar da vaporização é quase sete vezes mais largo que o da fusão. Diagrama autoral.
Como ler a curva
  • Trecho inclinado (rampa): a substância recebe calor e esquenta; é calor sensível, Q=m c ΔTQ = m\,c\,\Delta T. A inclinação é ΔT/Q=1/(mc)\Delta T/Q = 1/(mc): quanto maior o calor específico, mais deitada a rampa. Na figura, a rampa do gelo (c=0,5c = 0{,}5) é duas vezes mais íngreme que a da água (c=1c = 1): 25 kcal levam o gelo de −50 a 0 °C, mas são precisas 100 kcal para levar a água de 0 a 100 °C.
  • Trecho horizontal (patamar): a substância recebe calor e não esquenta; é mudança de fase, Q=m LQ = m\,L. A largura do patamar é mLmL; a altura em que ele ocorre é a temperatura de transição. Durante o patamar, as duas fases coexistem.
  • Se o eixo horizontal for o tempo com potência constante, a largura do patamar em segundos é mL/PmL/P e a inclinação da rampa é P/(mc)P/(mc). A forma do gráfico não muda.
  • Substância pura tem patamares nítidos; uma mistura (água salgada, uma liga) muda de fase ao longo de um intervalo de temperatura e o “patamar” vira uma rampa suave.

Exemplo resolvido (o bloco de 2016, itens 108 a 110). Com Lf=80L_f = 80 cal/g, c=1c = 1 cal/(g·°C), Lv=540L_v = 540 cal/g e 1 kg de água: item 108, “para que 1 kg de gelo seja derretido, é necessário que o sistema receba uma quantidade de energia inferior a 80 cal”: 1 000×80=80 0001\,000 \times 80 = 80\,000 cal =80= 80 kcal; o item escreveu “cal”, mil vezes menos. Errado. Item 109, “no trecho AB, coexistem água e gelo a 0 °C”: é a definição do patamar de fusão. Certo. Item 110 (tipo C), quantidades de calor de B a C e de C a D: B–C é a rampa da água, 1 000×1×100=1001\,000 \times 1 \times 100 = 100 kcal; C–D é a vaporização, 1 000×540=5401\,000 \times 540 = 540 kcal. Opção “100 kcal e 540 kcal”. Três itens, e o mais difícil era o mais curto: a unidade.

As duas lacunas que derrubam um item certo

Há dois pontos em que a conta de calorimetria costuma falhar sem que o candidato perceba, e cada um decide o item sozinho. O termo mLmL que ficou de fora. Sempre que o estado inicial e o final estão em fases diferentes, a transição entra na soma, e em geral domina: no refrigerador de 2013 a solidificação responde por 84% do calor; na bomba de 2018 (abaixo), a evaporação, por 87%. O antídoto é desenhar a curva de cabeça antes de escrever qualquer número: de onde parte, onde chega, quantas rampas, quantos patamares no percurso. O prefixo da unidade. Um resultado de 80 kcal comparado a um limiar escrito em cal, ou 36 MJ contra um limiar em kJ: o fator de mil vira a resposta de cabeça para baixo. A banca escolhe a unidade do limiar justamente para cobrar essa conversão. Antes de decidir certo ou errado, ponha o seu número na mesma unidade em que o item escreveu o dele.

Gelo na água: o balanço com mudança de fase

Quando um dos corpos muda de fase, o balanço ganha um termo, e a pergunta que decide tudo vem antes da conta: a mudança de fase se completa? Cem gramas de gelo jogados em 400 g de água a 60 °C somem por completo, e o que resta é água morna, acima de 0 °C. Já um quilo de gelo despejado em 100 g de água a 20 °C mal começa a derreter: a água perde os seus 20 graus, chega a 0 °C e não tem mais nada a ceder, de modo que o sistema estaciona em 0 °C com a maior parte do gelo intacta. São dois problemas diferentes, e a fórmula é a mesma.

Roteiro do gelo na água
  1. Custo da fusão: Qf=mgelo LfQ_f = m_{\text{gelo}}\,L_f. Se o gelo começa abaixo de 0 °C, some antes o sensível para levá-lo a 0 °C (m cgelo ΔTm\,c_{\text{gelo}}\,\Delta T, com cgelo=0,5c_{\text{gelo}} = 0{,}5).
  2. Calor disponível: quanto a água quente cede ao esfriar até 0 °C, Qd=maˊgua c (Ti−0)Q_d = m_{\text{água}}\,c\,(T_i - 0).
  3. Compare. Se Qd>QfQ_d > Q_f, nenhum cristal sobrevive e o sistema termina acima de 0 °C: monte ∑Q=0\sum Q = 0 com toda a massa final líquida (maˊgua c (Tf−Ti)+mgelo Lf+mgelo c (Tf−0)=0m_{\text{água}}\,c\,(T_f - T_i) + m_{\text{gelo}}\,L_f + m_{\text{gelo}}\,c\,(T_f - 0) = 0). Se Qd<QfQ_d < Q_f, a mistura para em 0 °C e a massa de gelo que derrete é Qd/LfQ_d/L_f; o resto continua gelo. Se Qd=QfQ_d = Q_f, tudo vira água a exatamente 0 °C.

Exemplo resolvido (derrete tudo). 400 g de água a 60 °C recebem 100 g de gelo a 0 °C, recipiente de capacidade térmica desprezível. Fusão: 100×80=8 000100 \times 80 = 8\,000 cal. Disponível: 400×1×60=24 000400 \times 1 \times 60 = 24\,000 cal. Sobra: derrete tudo. Balanço com os 500 g finais: 400(Tf−60)+8 000+100(Tf−0)=0400(T_f - 60) + 8\,000 + 100(T_f - 0) = 0, 500 Tf=16 000500\,T_f = 16\,000, Tf=32T_f = 32 °C. Conferência: a água quente cedeu 400×28=11 200400 \times 28 = 11\,200 cal; 8 000 derreteram o gelo e 100×32=3 200100 \times 32 = 3\,200 aqueceram a água que ele virou. Fecha. Num item tipo B, a marcação seria 032.

Exemplo resolvido (não derrete tudo). 100 g de água a 20 °C recebem 50 g de gelo a 0 °C. Fusão: 50×80=4 00050 \times 80 = 4\,000 cal. Disponível: 100×20=2 000100 \times 20 = 2\,000 cal. Falta: a água esfria até 0 °C e só consegue derreter 2 000/80=252\,000/80 = 25 g de gelo. Estado final: 125 g de água e 25 g de gelo, tudo a 0 °C. Quem pula a comparação e monta o balanço direto acha TfT_f negativa, uma mistura de água líquida abaixo de zero, o alarme de que o roteiro foi ignorado.

Exemplo resolvido (achar a massa). Agora a incógnita troca de lugar: sabe-se o fim e pergunta-se por um dado. Num recipiente isolado, 120 g de gelo a 0 °C caem numa quantidade desconhecida MM de água a 40 °C, e o termômetro estabiliza em 8 °C com tudo líquido. Os três termos de sempre: a água quente cede M⋅1⋅(8−40)=−32MM \cdot 1 \cdot (8 - 40) = -32M; a fusão consome 120×80=9 600120 \times 80 = 9\,600 cal; a água vinda do gelo sobe de 0 a 8 °C, 120×8=960120 \times 8 = 960 cal. Soma nula: −32M+9 600+960=0-32M + 9\,600 + 960 = 0, donde M=10 560/32=330M = 10\,560/32 = 330 g. Conferência de sentido: 330 g a 40 °C dispõem de 13 200 cal até chegar a zero, bem mais que os 9 600 da fusão; sobrava energia para derreter tudo e ainda aquecer, como o enunciado dizia. Coerente.

Exemplo resolvido (o tipo B de 2018). “Considerando que, entre 20 ºC e 100 ºC, o calor específico e o calor latente de evaporação da água sejam iguais, respectivamente, a 4,20 J·g⁻¹·ºC⁻¹ e 2.260 J·g⁻¹, calcule, em milhões de joules, a quantidade de energia que uma bomba com 14 kg de água a 20 ºC poderá absorver até que, nas condições normais de temperatura e pressão, todo esse volume evapore.” Duas parcelas. Sensível, de 20 a 100 °C: 14 000×4,2×80=4,704×10614\,000 \times 4{,}2 \times 80 = 4{,}704 \times 10^{6} J. Latente: 14 000×2 260=31,64×10614\,000 \times 2\,260 = 31{,}64 \times 10^{6} J. Soma: 36,34×10636{,}34 \times 10^{6} J; em milhões de joules, desprezada a parte fracionária, 036. Veja a proporção: o aquecimento de 20 a 100 °C rende menos de 5 MJ, e a mudança de fase, 31,6 MJ, perto de 87% do total. Quem para na rampa e não cobra o patamar escreve 004 no cartão.

Da barragem à caldeira: a calorimetria em escala industrial

As mesmas três linhas servem para uma usina. O que muda é que a energia costuma chegar por outra via (queda d’água, combustível, reator) e a pergunta vira “quanto isso esquenta a água?” ou “quanta água passa por segundo?”.

Exemplo resolvido (a hidrelétrica de 2009). A 2.ª etapa de 2009 propôs uma hidrelétrica em que toda a energia potencial da água que cai de 50 m virasse calor, com g=10g = 10 m/s² e 1 cal =4,186= 4{,}186 J, e afirmou que a temperatura da água “aumentará em 0,5 ºC”. A energia de cada quilograma que cai é mghmgh; se tudo vira calor sensível na própria água, mgh=mc ΔTmgh = mc\,\Delta T e a massa cancela: ΔT=gh/c\Delta T = gh/c. Com cc em J/(kg·°C), c=4 186c = 4\,186: ΔT=10×50/4 186=0,12\Delta T = 10 \times 50/4\,186 = 0{,}12 °C. Longe de 0,5: errado. A lição além do número: uma queda de 50 m aquece a água em pouco mais de um décimo de grau; o calor específico da água é tão alto que a energia mecânica de uma cachoeira quase não a esquenta. Foi o experimento que Joule tentou fazer de verdade, com termômetros, numa cascata dos Alpes, em lua de mel.

Exemplo resolvido (a caldeira de 2010). Uma termelétrica de 26 MW elétricos com eficiência de 26% queima combustível a 26/0,26=10026/0{,}26 = 100 MW térmicos, e é esse calor, 10510^{5} kJ por segundo, que a caldeira entrega à água. Cada quilograma que atravessa a caldeira entra como água a 100 °C e sai como vapor a 350 °C, com a vaporização a 234 °C (é a temperatura de ebulição à pressão de 3 MPa da caldeira; por que a ebulição sobe com a pressão está em mudanças de estado). Três trechos, com caˊgua=4c_{\text{água}} = 4 kJ/(kg·K), cvapor=1,4c_{\text{vapor}} = 1{,}4 kJ/(kg·K) e Lv=1 800L_v = 1\,800 kJ/kg: aquecer o líquido de 100 a 234 °C, 4×134=5364 \times 134 = 536 kJ/kg; vaporizar, 1 800 kJ/kg; aquecer o vapor de 234 a 350 °C, 1,4×116=1621{,}4 \times 116 = 162 kJ/kg. Total: 2 498 kJ/kg, quase 2 500. Massa por segundo: 100 000/2 500=40100\,000/2\,500 = 40 kg/s. O item afirmava “mais de 50 kg de água atravessam a caldeira por segundo”: errado. Repare em duas coisas: a vaporização é 72% do custo, de novo a parcela latente dominando; e a curva de aquecimento é a mesma da panela, só que o patamar fica em 234 °C em vez de 100 °C.

Exemplo resolvido (a terebintina de 2020). A banca deu uma tabela: calor sensível 7,15 cal/(g·°C), calor latente de vaporização 70 cal/g, ebulição a 160 °C, densidade 0,87 g/cm³, ponto de fulgor 35 °C, e um recipiente de 1 litro cheio. Item 106: vaporizar todo o litro já na ebulição “consumirá menos de 40 kcal”. Litro vira massa: 1 000×0,87=8701\,000 \times 0{,}87 = 870 g; 870×70=60 900870 \times 70 = 60\,900 cal =60,9= 60{,}9 kcal. Mais de 40: errado. Item 108: aquecer o litro de 20 °C até o ponto de fulgor exige “mais de 100 kcal”. 870×7,15×15=93 307870 \times 7{,}15 \times 15 = 93\,307 cal =93,3= 93{,}3 kcal. Menos de 100: errado. Nos dois, o degrau era a densidade, e o limiar foi escolhido perto da resposta para punir quem usou 1 000 g.

Joule na cachoeira

Segundo o relato de William Thomson (o futuro Lord Kelvin), que o encontrou por acaso nos Alpes, James Prescott Joule passou a lua de mel de 1847 em Chamonix e levou termômetros: queria medir a diferença de temperatura entre o alto e a base da cascata de Sallanches, prevendo que a queda de 300 m aqueceria a água em cerca de 0,7 °C. Não conseguiu (a água chega embaixo como spray, misturada com ar, e evaporando), mas a ideia era exatamente gh=c ΔTgh = c\,\Delta T, e a medição de laboratório que ele já tinha feito, com pesos que giravam pás dentro de água, deu o equivalente mecânico do calor: 4,15 J por caloria, a 1% do valor atual. Foi a prova de que calor não é um fluido, é energia.

Como a banca pergunta

Nas 19 provas da 2.ª etapa de 2007 a 2025, calor sensível, latente e calorimetria renderam perto de 20 itens, quase todos do tipo A (certo/errado) com um limiar numérico (“superior a 0,3 J/(g·°C)”, “inferior a 80 cal”, “menos de 40 kcal”), um do tipo C (a leitura de trechos da curva de 2016, com quatro alternativas) e um do tipo B (a bomba de água de 2018, marcação 036). Os padrões:

  • Limiar com unidade trocada. A resposta sai limpa (80 kcal, 60,9 kcal, 0,4 J/g·°C) e o item escreve o limiar em outra unidade ou perto demais do valor. Calcule, converta para a unidade do item, compare. Se o número que apareceu tem dízima estranha ou expoente fora de escala, o provável é um fator de 1 000 ou de 4,2 perdido no caminho, não um item difícil.
  • Um degrau escondido antes da fórmula. Litro vira grama pela densidade (2020); mm² vira cm² (2016); potência elétrica vira potência térmica pela eficiência (2010); energia potencial vira calor (2009). O dado “estranho” do texto-base é o degrau.
  • Definição invertida numa frase verdadeira. O sal “de elevado calor específico … requer pouca energia para grande variação” (2012); latas com mesmo QQ e mesmo ΔT\Delta T “têm o mesmo calor específico” (2011); o metal parece frio “porque a capacidade térmica é maior” (2016). Julgue a justificativa, não a conclusão.
  • A parcela latente como decisão. O item afirma uma energia que só fecha se você somar (ou esquecer) a mudança de fase: 19 kcal do refrigerador (2013), 36 MJ da bomba (2018), 50 kg/s da caldeira (2010). Trace a curva antes de calcular.
  • Leitura de gráfico. Rampa é sensível, patamar é latente, coexistência de fases no patamar (2016/109); a inclinação compara calores específicos; a largura compara calores latentes.
  • Tipo B com três dígitos. Zero à esquerda obrigatório: 036, 032. Leia a escala pedida (“em milhões de joules”, “em graus Celsius”) antes de marcar.

Os erros que a prova planta

Sete tropeços, um por linha
  1. ΔT em kelvin “é diferente” de ΔT em °C. É igual. O 273 desaparece em qualquer diferença; só temperaturas absolutas ganham 273. Se o item der cc em J/(kg·K) e ΔT\Delta T em °C, multiplique direto.
  2. cal/(g·°C) misturado com J/(kg·K). São 4 186 vezes diferentes (4,186 do joule e 1 000 do quilograma). Escolha uma unidade antes da conta e converta tudo para ela; nunca some cal com J.
  3. Esquecer o patamar. Se há mudança de fase entre o estado inicial e o final, o termo mLmL entra, e costuma ser o maior. Gelo a −10 °C que vira vapor a 100 °C passa por duas rampas e dois patamares: 0,5×10+80+100+540=7250{,}5 \times 10 + 80 + 100 + 540 = 725 cal por grama.
  4. Confundir calor com temperatura. Corpo não “tem” calor; calor é o que passa. Dois corpos à mesma temperatura podem ter energias térmicas muito diferentes (massa, material) e podem dar sensações diferentes (condutividade). Equilíbrio térmico é igualdade de temperatura, não de energia.
  5. “Calor específico alto = esquenta rápido.” É o contrário: cc alto, muita energia para pouco grau, aquece e esfria devagar. Água é reservatório; metal é o que esquenta na hora.
  6. Sinal do Q no balanço. Escreva cada termo como m c (Tf−Ti)m\,c\,(T_f - T_i) e some tudo a zero; quem cede sai negativo sozinho. Resultado fora do intervalo das temperaturas iniciais é erro de sinal. Massa que derrete entra com +mL+mL (recebe); que congela, −mL-mL (cede).
  7. kcal como se fosse cal; litro como se fosse grama. Mil vezes de diferença no primeiro; a densidade no segundo. Os dois são o degrau favorito da banca, e os dois se pegam com uma conferência de ordem de grandeza: derreter 1 kg de gelo custa 80 mil calorias, o que aquece 800 g de água em 100 °C.

O essencial em meia página

  • Calor: a energia que atravessa a fronteira entre dois corpos enquanto suas temperaturas diferem; flui espontaneamente do mais quente ao mais frio e cessa no equilíbrio térmico. Unidades: J e cal; 1 cal=4,186 J≈4,21\ \text{cal} = 4{,}186\ \text{J} \approx 4{,}2 J; 1 kcal =1 000= 1\,000 cal (a “Caloria” do alimento); 2 000 kcal/dia ≈ 100 W.
  • Calor sensível: Q=m c ΔTQ = m\,c\,\Delta T. cc = preço por grama e por grau; água 11 cal/(g·°C) =4 186= 4\,186 J/(kg·K); gelo 0,5; vapor 0,48; alumínio 0,22; ferro 0,11. cc alto = esquenta e esfria devagar (reservatório; litoral ameno). ΔT\Delta T vale o mesmo em °C e K.
  • Capacidade térmica: C=m cC = m\,c (cal/°C), do corpo; cc é da substância. Mesmo QQ e mesmo ΔT\Delta T com massas diferentes → mesmo CC, cc diferentes (2011/89). Sensação térmica é condutividade, não capacidade (2016/99).
  • Potência: Q=P ΔtQ = P\,\Delta t; tempo de aquecimento Δt=mcΔT/P\Delta t = mc\Delta T/P (ebulidor de 1 800 W, 1,5 L de 15 a 100 °C: ≈ 535 kJ, 5 min); fluxo (chuveiro) ΔT=P/(m˙c)\Delta T = P/(\dot m c): 5 400 W e 3 L/min → ≈ 26 °C; torneira aberta, água morna. Litro vira grama pela densidade antes de tudo.
  • Balanço: sistema isolado, ∑mici(Tf−Ti)=0\sum m_i c_i (T_f - T_i) = 0; o sinal sai de Tf−TiT_f - T_i; TfT_f fica entre as iniciais, puxada pelo corpo de maior CC (200 g a 90 °C + 300 g a 20 °C → 48 °C). Calorímetro mede cc desconhecido pelo mesmo balanço (2016/100: c=32/(8×10)=0,4c = 32/(8 \times 10) = 0{,}4).
  • Calor latente: Q=mLQ = mL a temperatura constante; água: Lf=80L_f = 80 cal/g =334= 334 J/g, Lv=540L_v = 540 cal/g =2 260= 2\,260 J/g. Gelo a 0 °C esfria mais que água a 0 °C (cobra 80 cal/g antes: 50 g em 200 g de suco a 30 °C → 8 °C com gelo, 24 °C com água). Evaporar absorve calor (suor, mina de 2007; “exotérmico” de 2012 é E). Refrigerador de 2013: 15 + 80 = 95 kcal, W=19W = 19 kcal.
  • Curva de aquecimento: rampa = sensível, inclinação 1/(mc)1/(mc) (mais cc, mais deitada); patamar = latente, largura mLmL, fases coexistindo. 1 kg de água de −50 a 250 °C: 25 + 80 + 100 + 540 + 72 = 817 kcal. Bloco 2016: 108 E (80 kcal), 109 C, 110 “100 kcal e 540 kcal”.
  • Gelo na água: compare mgeloLfm_{\text{gelo}} L_f com maˊguac Tim_{\text{água}} c\,T_i antes do balanço. Sobra → derrete tudo, Tf>0T_f > 0, balanço com toda a massa (400 g a 60 °C + 100 g gelo → 32 °C, tipo B 032). Falta → Tf=0T_f = 0 °C com gelo sobrando. Tipo B 2018: 14 000(4,2×80+2 260)=36,314\,000 (4{,}2 \times 80 + 2\,260) = 36{,}3 MJ → 036.
  • Escala industrial: gh=c ΔTgh = c\,\Delta T (2009/116: 0,12 °C, não 0,5); caldeira 2010/116: 536+1 800+162≈2 500536 + 1\,800 + 162 \approx 2\,500 kJ/kg → 40 kg/s (E); terebintina 2020: 870 g, 60,9 kcal (106 E) e 93,3 kcal (108 E).
  • Vizinhos: temperatura, escalas e termômetro em temperatura e calor; pressão, diagrama de fases e panela em mudanças de estado físico; condução, convecção e radiação em propagação de calor; dilatação térmica; calor e trabalho no balanço de energia em primeira lei da termodinâmica; rendimento de aparelhos em potência e rendimento.

Exercícios temporariamente indisponíveis

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Flashcards temporariamente indisponíveis

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Calor específico (termologia/calorimetria) - Brasil Escola
Brasil Escola Oficial · 14:37
Introdução. Aula de 15 minutos dedicada só ao conceito de calor específico, com a equação Q=mcΔTQ = mc\Delta T, as unidades cal/(g·°C) e J/(kg·K) e a leitura de por que a água muda pouco de temperatura. É a seção “Calor sensível: Q = m c ΔT, e o calor específico é o preço por grama e por grau” desta página, inclusive a tabela de valores. Bom para assistir antes de ler.
Calorimetria | Capacidade Térmica | Calor específico | Mãozinha em Física 042
FISICATOTAL · 17:24
Aprofundamento. Dezessete minutos sobre a diferença entre capacidade térmica (propriedade do corpo) e calor específico (propriedade da substância), com duas questões de vestibular resolvidas na descrição: a da PUC-RS, que pergunta qual grandeza é propriedade de um corpo, e a da FCC-SP, com dois corpos que recebem o mesmo calor por minuto. É a seção “Capacidade térmica não é calor específico” e o item PAS 2 2011/89 das latas.
CALORIMETRIA: CALOR LATENTE E CURVA DE AQUECIMENTO | Resumo de Física para o Enem
Curso Enem Gratuito · 12:15
Aplicação. Doze minutos sobre o calor latente (Q=mLQ = mL), o patamar de temperatura constante durante a mudança de fase e a leitura da curva de aquecimento, com o exemplo numérico da descrição (50 cal/g vezes 200 g). Cobre as seções “Calor latente: mudar de fase custa, mas não esquenta” e “A curva de aquecimento: rampas e patamares”, que sustentam o bloco de 2016 da 2.ª etapa.
Aprenda a resolver exercícios de MISTURA de ÁGUA e GELO | TERMOLOGIA
Chama o Físico · 18:51
Resolução. Dezenove minutos só com exercícios de mistura de água e gelo, encadeando calor sensível e calor latente no balanço ∑Q=0\sum Q = 0 e decidindo se o gelo derrete todo. É o roteiro da seção “Gelo na água: o balanço com mudança de fase”; resolva antes os exemplos da página (48 °C; 0 °C com gelo sobrando; a massa de 450 g) e confira o método.
Rota PAS 2
Termologia: temperatura, calor e calorimetria · PAS 2

Fontes desta página

Os materiais abaixo contribuíram para a explicação e os exemplos deste assunto.

  • Rota PAS 2 — Termologia: temperatura, calor e calorimetria · Antes de começar: dez minutos de aquecimento (caloria e joule, densidade, potência, rampa e patamar; a chaleira de 2 000 W); Calor sensível e calor latente: aquecer custa uma coisa, derreter custa outra (Q = mcΔT, Q = mL, ΣQ = 0, tabela de símbolos, curva de aquecimento de 1 kg de água, o copo com gelo, itens 2011/89, 2012/61, 2009/116, 2010/111–112, 2013/77, 2007/36, armadilha das unidades e do patamar); Temperatura e calor (armadilha 'o corpo quente tem mais calor', item 2016/99); Mudança de fase e pressão (item 2010/114; evaporação × ebulição); Leia como na prova e Como a banca cobra (histórico dos itens de calorimetria, tipo B 2018/77); Resolvidos (gelo no filtro de água, tipo B 048); Exercícios e Banco de treino (aquecedor solar de 200 L, misturas, T1, T3–T5, T8–T10, T16, T19, T21)

    Recorte por assunto: calor como energia, calor sensível e calor específico, capacidade térmica, potência e tempo, equilíbrio térmico e balanço, calor latente, curva de aquecimento e misturas com mudança de fase. A página acrescenta a tabela de calores específicos em duas unidades, o clima litorâneo, o calorímetro e o calor específico desconhecido, a comparação gelo a 0 °C × água a 0 °C, o roteiro do gelo na água com os três casos, o chuveiro como fluxo (ΔT = P/ṁc), as ordens de grandeza domésticas, os itens 2007/37, 2008/36, 2010/116, 2012/38 (1.ª etapa), 2016/100 e 2020/106–108 verbatim e o episódio de Joule na cachoeira. Temperatura, escalas e termômetro ficam em temperatura-e-calor; pressão × ponto de ebulição, diagrama de fases e panela de pressão em mudancas-de-estado-fisico; condução, convecção e radiação em propagacao-de-calor.

  • Cadernos e gabaritos oficiais do PAS/UnB (Cebraspe) · PAS 2 2007 (itens 36 e 37, mina de Joanesburgo), 2008 (item 36, lente de gelo), 2009 (item 116, hidrelétrica), 2010 (itens 111, 112, 114 e 116, usina nuclear e ciclo a vapor), 2011 (item 89, aquecedor de latas), 2012 (item 61, helióstato), 2013 (item 77, refrigerador), 2016 (itens 99, 100, 108, 109 e 110, fio metálico e curva de aquecimento), 2018 (item 77, tipo B, bomba de água), 2020 (itens 106 e 108, terebintina); PAS 1 2012 (item 38, suor do atleta)

    Itens reproduzidos verbatim dos cadernos em texto; gabaritos conferidos nos arquivos GAB e em utils/material/PAS/pesquisa/classificacao[-pas2]/AAAA.json. O item 2008/36 teve o expoente da taxa solar, (4,18/π)·10³ J/(m²·s), lido na imagem da página 7 do PDF em utils/material/PAS/provas/2008-PAS2-Prova.pdf, porque o texto extraído perdeu os sobrescritos. As figuras impressas (gráfico da curva de aquecimento de 2016, esquema do ciclo a vapor de 2010, fotografia da lente de gelo de 2008, esquema do aquecedor de 2011 e do helióstato de 2012) foram descritas em texto neutro no suporte das questões. Os itens 2009/116, 2010/111 e 2010/112 são reutilizados por GUID das páginas potencia-e-rendimento e geracao-de-energia-eletrica.