5.2: Noções básicas de energia

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Defina energia, distinga tipos de energia e descreva a natureza das mudanças de energia que acompanham as mudanças químicas e físicas
• Distinguir as propriedades relacionadas de calor, energia térmica e temperatura
• Defina e distinga calor e capacidade térmica específicos e descreva as implicações físicas de ambos
• Execute cálculos envolvendo calor, calor específico e mudança de temperatura

As mudanças químicas e as mudanças de energia que as acompanham são partes importantes do nosso mundo cotidiano (Figura 5.2). Os macronutrientes dos alimentos (proteínas, gorduras e carboidratos) sofrem reações metabólicas que fornecem energia para manter nosso corpo funcionando. Queimamos uma variedade de combustíveis (gasolina, gás natural, carvão) para produzir energia para transporte, aquecimento e geração de eletricidade. As reações químicas industriais usam enormes quantidades de energia para produzir matérias-primas (como ferro e alumínio). A energia é então usada para fabricar essas matérias-primas em produtos úteis, como carros, arranha-céus e pontes.

Figura 5.2 A energia envolvida nas mudanças químicas é importante para nossas vidas diárias: (a) Um cheeseburger para o almoço fornece a energia necessária para passar o resto do dia; (b) a combustão da gasolina fornece a energia que move seu carro (e você) entre casa, trabalho e escola; e (c) o coque, uma forma processada de carvão, fornece a energia necessária para converter minério de ferro em ferro, o que é essencial para a fabricação de muitos dos produtos que usamos diariamente. (crédito a: modificação da obra de “Pink Sherbet Photography” /Flickr; crédito b: modificação da obra de Jeffery Turner)

Mais de 90% da energia que usamos vem originalmente do sol. Todos os dias, o sol fornece à Terra quase 10.000 vezes a quantidade de energia necessária para atender a todas as necessidades energéticas do mundo naquele dia. Nosso desafio é encontrar maneiras de converter e armazenar a energia solar recebida para que ela possa ser usada em reações ou processos químicos que sejam convenientes e não poluentes. Plantas e muitas bactérias capturam energia solar por meio da fotossíntese. Liberamos a energia armazenada nas plantas quando queimamos madeira ou produtos vegetais, como etanol. Também usamos essa energia para abastecer nossos corpos comendo alimentos que vêm diretamente das plantas ou de animais que obtiveram sua energia comendo plantas. A queima de carvão e petróleo também libera energia solar armazenada: esses combustíveis são matéria vegetal e animal fossilizada.

Este capítulo apresentará as ideias básicas de uma importante área da ciência relacionada com a quantidade de calor absorvida ou liberada durante mudanças químicas e físicas — uma área chamada termoquímica. Os conceitos apresentados neste capítulo são amplamente usados em quase todos os campos científicos e técnicos. Cientistas de alimentos os usam para determinar o conteúdo energético dos alimentos. Os biólogos estudam a energia dos organismos vivos, como a combustão metabólica do açúcar em dióxido de carbono e água. As indústrias de petróleo, gás e transporte, fornecedores de energia renovável e muitos outros se esforçam para encontrar melhores métodos para produzir energia para nossas necessidades comerciais e pessoais. Os engenheiros se esforçam para melhorar a eficiência energética, encontrar melhores maneiras de aquecer e resfriar nossas casas, refrigerar nossos alimentos e bebidas e atender às necessidades de energia e resfriamento de computadores e eletrônicos, entre outras aplicações. Entender os princípios termoquímicos é essencial para químicos, físicos, biólogos, geólogos, todo tipo de engenheiro e praticamente qualquer pessoa que estude ou faça qualquer tipo de ciência.

Energia

A energia pode ser definida como a capacidade de fornecer calor ou trabalhar. Um tipo de trabalho (w) é o processo de fazer com que a matéria se mova contra uma força oposta. Por exemplo, trabalhamos quando enchemos um pneu de bicicleta — movemos a matéria (o ar na bomba) contra a força oposta do ar que já está no pneu.

Como a matéria, a energia vem em diferentes tipos. Um esquema classifica a energia em dois tipos: energia potencial, a energia que um objeto tem por causa de sua posição, composição ou condição relativa, e energia cinética, a energia que um objeto possui por causa de seu movimento. A água no topo de uma cachoeira ou barragem tem energia potencial devido à sua posição; quando flui para baixo através de geradores, tem energia cinética que pode ser usada para trabalhar e produzir eletricidade em uma usina hidrelétrica (Figura 5.3). Uma bateria tem energia potencial porque os produtos químicos nela contidos podem produzir eletricidade que pode funcionar.

Figura 5.3 (a) A água em uma elevação mais alta, por exemplo, no topo das Cataratas Vitória, tem uma energia potencial maior do que a água em uma elevação mais baixa. À medida que a água cai, parte de sua energia potencial é convertida em energia cinética. (b) Se a água fluir através de geradores no fundo de uma barragem, como a barragem Hoover mostrada aqui, sua energia cinética é convertida em energia elétrica. (crédito a: modificação da obra de Steve Jurvetson; crédito b: modificação da obra por “curimedia” /Wikimedia commons)

A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas toda a energia presente antes que uma mudança ocorra sempre existe de alguma forma após a conclusão da mudança. Essa observação é expressa na lei da conservação de energia: durante uma mudança química ou física, a energia não pode ser criada nem destruída, embora possa ser alterada na forma. (Essa também é uma versão da primeira lei da termodinâmica, como você aprenderá mais adiante.)

Quando uma substância é convertida em outra, sempre há uma conversão associada de uma forma de energia em outra. O calor geralmente é liberado ou absorvido, mas às vezes a conversão envolve luz, energia elétrica ou alguma outra forma de energia. Por exemplo, a energia química (um tipo de energia potencial) é armazenada nas moléculas que compõem a gasolina. Quando a gasolina é queimada dentro dos cilindros do motor de um carro, os produtos gasosos em rápida expansão dessa reação química geram energia mecânica (um tipo de energia cinética) quando movem os pistões dos cilindros.

De acordo com a lei de conservação da matéria (vista em um capítulo anterior), não há mudança detectável na quantidade total de matéria durante uma mudança química. Quando ocorrem reações químicas, as mudanças de energia são relativamente modestas e as mudanças de massa são muito pequenas para serem medidas, então as leis de conservação da matéria e da energia se mantêm bem. No entanto, nas reações nucleares, as mudanças de energia são muito maiores (por fatores de cerca de um milhão), as mudanças de massa são mensuráveis e as conversões de matéria-energia são significativas. Isso será examinado com mais detalhes em um capítulo posterior sobre química nuclear.

Energia térmica, temperatura e calor

A energia térmica é a energia cinética associada ao movimento aleatório de átomos e moléculas. A temperatura é uma medida quantitativa de “quente” ou “frio”. Quando os átomos e moléculas de um objeto estão se movendo ou vibrando rapidamente, eles têm uma energia cinética média (KE) maior, e dizemos que o objeto está “quente”. Quando os átomos e moléculas estão se movendo lentamente, eles têm uma média de KE mais baixa, e dizemos que o objeto está “frio” (Figura 5.4). Supondo que nenhuma reação química ou mudança de fase (como fusão ou vaporização) ocorra, aumentar a quantidade de energia térmica em uma amostra de matéria fará com que sua temperatura aumente. E, supondo que nenhuma reação química ou mudança de fase (como condensação ou congelamento) ocorra, diminuir a quantidade de energia térmica em uma amostra de matéria fará com que sua temperatura diminua.

Figura 5.4 (a) As moléculas em uma amostra de água quente se movem mais rapidamente do que (b) aquelas em uma amostra de água fria.

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Clique nesta simulação interativa para ver os efeitos da temperatura no movimento molecular.

A maioria das substâncias se expande à medida que a temperatura aumenta e se contrai conforme a temperatura diminui. Essa propriedade pode ser usada para medir as mudanças de temperatura, conforme mostrado na Figura 5.5. A operação de muitos termômetros depende da expansão e contração de substâncias em resposta às mudanças de temperatura.

Figura 5.5 (a) Em um termômetro de álcool ou mercúrio, o líquido (tingido de vermelho para visibilidade) se expande quando aquecido e se contrai quando resfriado, muito mais do que o tubo de vidro que contém o líquido. (b) Em um termômetro bimetálico, dois metais diferentes (como latão e aço) formam uma faixa de duas camadas. Quando aquecido ou resfriado, um dos metais (latão) se expande ou contrai mais do que o outro metal (aço), fazendo com que a tira se enrole ou desenrole. Ambos os tipos de termômetros têm uma escala calibrada que indica a temperatura. (crédito a: modificação da obra por “dwstucke” /Flickr)

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A demonstração a seguir permite visualizar os efeitos do aquecimento e resfriamento de uma faixa bimetálica enrolada.

O calor (q) é a transferência de energia térmica entre dois corpos em temperaturas diferentes. O fluxo de calor (um termo redundante, mas comumente usado) aumenta a energia térmica de um corpo e diminui a energia térmica do outro. Suponha que inicialmente tenhamos uma substância de alta temperatura (e alta energia térmica) (H) e uma substância de baixa temperatura (e baixa energia térmica) (L). Os átomos e moléculas em H têm uma média de KE maior do que aqueles em L. Se colocarmos a substância H em contato com a substância L, a energia térmica fluirá espontaneamente da substância H para a substância L. A temperatura da substância H diminuirá, assim como a KE média de suas moléculas; a temperatura de a substância L aumentará, junto com a média de KE de suas moléculas. O fluxo de calor continuará até que as duas substâncias estejam na mesma temperatura (Figura 5.6).

Figura 5.6 (a) As substâncias H e L estão inicialmente em temperaturas diferentes e seus átomos têm diferentes energias cinéticas médias. (b) Quando elas entram em contato umas com as outras, as colisões entre as moléculas resultam na transferência de energia cinética (térmica) da matéria mais quente para a mais fria. (c) Os dois objetos atingem o “equilíbrio térmico” quando ambas as substâncias estão na mesma temperatura e suas moléculas têm a mesma energia cinética média.

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Clique na simulação PhET para explorar as formas e mudanças de energia. Visite a guia Sistemas de Energia para criar combinações de fontes de energia, métodos de transformação e saídas. Clique em Símbolos de Energia para visualizar a transferência de energia.

A matéria submetida a reações químicas e mudanças físicas pode liberar ou absorver calor. Uma mudança que libera calor é chamada de processo exotérmico. Por exemplo, a reação de combustão que ocorre ao usar uma tocha de oxiacetileno é um processo exotérmico — esse processo também libera energia na forma de luz, conforme evidenciado pela chama da tocha (Figura 5.7). Uma reação ou mudança que absorve calor é um processo endotérmico. Uma compressa fria usada para tratar distensões musculares fornece um exemplo de processo endotérmico. Quando as substâncias da compressa fria (água e um sal como nitrato de amônio) são reunidas, o processo resultante absorve o calor, levando à sensação de frio.

Figura 5.7 (a) Uma tocha de oxiacetileno produz calor pela combustão de acetileno em oxigênio. A energia liberada por essa reação exotérmica aquece e depois derrete o metal que está sendo cortado. As faíscas são pequenos pedaços do metal derretido que voam para longe. (b) Uma compressa fria usa um processo endotérmico para criar a sensação de frio. (crédito a: modificação do trabalho de “Skatebiker” /Wikimedia commons)

Historicamente, a energia era medida em unidades de calorias (cal). Uma caloria é a quantidade de energia necessária para elevar um grama de água em 1 grau C (1 kelvin). No entanto, essa quantidade depende da pressão atmosférica e da temperatura inicial da água. A facilidade de medição das mudanças de energia nas calorias significa que a caloria ainda é usada com frequência. A caloria (com C maiúsculo), ou grande caloria, comumente usada na quantificação do conteúdo energético dos alimentos, é uma quilocaloria. A unidade SI de calor, trabalho e energia é o joule. Um joule (J) é definido como a quantidade de energia usada quando uma força de 1 newton move um objeto por 1 metro. É nomeado em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule. Um joule equivale a 1 kg m ² /s ², que também é chamado de 1 newton-metro. Um quilojoule (kJ) é 1000 joules. Para padronizar sua definição, 1 caloria foi definida como igual a 4.184 joules.

Agora, apresentamos dois conceitos úteis para descrever o fluxo de calor e a mudança de temperatura. A capacidade térmica (C) de um corpo de matéria é a quantidade de calor (q) que ele absorve ou libera quando sofre uma mudança de temperatura (ΔT) de 1 grau Celsius (ou equivalentemente, 1 kelvin):

$$C=\frac{q}{\text{Δ}T}$$

A capacidade térmica é determinada pelo tipo e pela quantidade de substância que absorve ou libera calor. Portanto, é uma propriedade extensa — seu valor é proporcional à quantidade da substância.

Por exemplo, considere as capacidades de calor de duas frigideiras de ferro fundido. A capacidade térmica da panela grande é cinco vezes maior que a da panela pequena porque, embora ambas sejam feitas do mesmo material, a massa da panela grande é cinco vezes maior que a massa da panela pequena. Mais massa significa que mais átomos estão presentes na panela maior, então é preciso mais energia para fazer com que todos esses átomos vibrem mais rápido. A capacidade térmica da pequena frigideira de ferro fundido é determinada observando que são necessários 18.150 J de energia para elevar a temperatura da panela em 50,0° C:

$$C_{\text{panela pequena}}=\frac{\text{18.140 M}}{\mathrm{50,0}\text{°C}}=363\text{J/°C}$$

A frigideira maior de ferro fundido, embora feita da mesma substância, requer 90.700 J de energia para elevar sua temperatura em 50,0 °C. A panela maior tem uma capacidade térmica (proporcionalmente) maior porque a maior quantidade de material requer uma quantidade (proporcionalmente) maior de energia para produzir a mesma temperatura mudança:

$$C_{\text{panela grande}}=\frac{\text{90.700 M}}{\mathrm{50,0}\text{°C}}=1814\text{J/°C}$$

A capacidade térmica específica (c) de uma substância, comumente chamada de “calor específico”, é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de uma substância em 1 grau Celsius (ou 1 kelvin):

$$c=\frac{q}{\text{m}\text{Δ}\text{T}}$$

A capacidade térmica específica depende apenas do tipo de substância que absorve ou libera calor. É uma propriedade intensiva — o tipo, mas não a quantidade, da substância é tudo o que importa. Por exemplo, a pequena frigideira de ferro fundido tem uma massa de 808 g. O calor específico do ferro (o material usado para fazer a panela) é, portanto:

$$c_{\text{ferro}}=\frac{\text{18.140 M}}{(\text{808 g})(\mathrm{50,0}\text{°C})}=\text{0,449 J/g °C}$$

A frigideira grande tem uma massa de 4040 g. Usando os dados desta panela, também podemos calcular o calor específico do ferro:

$$c_{\text{ferro}}=\frac{\text{90.700 M}}{(\text{4040 g})(\mathrm{50,0}\text{°C})}=\text{0,449 J/g °C}$$

Embora a panela grande seja mais maciça que a panela pequena, uma vez que ambas são feitas do mesmo material, ambas produzem o mesmo valor para o calor específico (para o material de construção, ferro). Observe que o calor específico é medido em unidades de energia por temperatura por massa e é uma propriedade intensiva, sendo derivado de uma proporção de duas propriedades extensas (calor e massa). A capacidade térmica molar, também uma propriedade intensiva, é a capacidade térmica por mol de uma substância específica e tem unidades de J/mol °C (Figura 5.8).

Figura 5.8 Por causa de sua massa maior, uma frigideira grande tem uma capacidade térmica maior do que uma frigideira pequena. Por serem feitas do mesmo material, as duas frigideiras têm o mesmo calor específico. (crédito: Mark Blaser)

A água tem um calor específico relativamente alto (cerca de 4,2 J/g° C para o líquido e 2,09 J/g° C para o sólido); a maioria dos metais tem calores específicos muito mais baixos (geralmente menos de 1 J/g° C). O calor específico de uma substância varia um pouco com a temperatura. No entanto, essa variação geralmente é pequena o suficiente para que tratemos o calor específico como constante na faixa de temperaturas que será considerada neste capítulo. Os calores específicos de algumas substâncias comuns estão listados na Tabela 5.1.

Calores específicos de substâncias comuns a 25 °C e 1 bar

Substância	Símbolo (estado)	Calor específico (J/g °C)
hélio	Ele (g)	5.193
água	H 2 (L)	4.184
etanol	C 2 H 6 L (l)	2.376
gelo	H 2 (s)	2,093 (a −10 °C)
vapor de água	H 2 (Og)	1.864
azoto	N (2 g)	1,040
ar		1.007
oxigênio	O (2 g)	0,918
alumínio	Tudo (s)	0,897
dióxido de carbono	CO 2 (g)	0,853
argônio	Ar (g)	0,522
ferro	Taxa (s)	0,449
cobre	Taça (s)	0,385
liderar	Pb (s)	0,130
ouro	Au (s)	0,129
silício	Si (s)	0,712

Tabela 5.1

Se soubermos a massa de uma substância e seu calor específico, podemos determinar a quantidade de calor, q, que entra ou sai da substância medindo a mudança de temperatura antes e depois do calor ser ganho ou perdido:

$$\begin{array}{l}q=(\text{calor específico})\times (\text{massa da substância})\times (\text{mudança de temperatura})\\ q=c\times m\times \text{Δ}\text{T}=c\times m\times (T_{\text{final}}-T_{\text{inicial}})\end{array}$$

Nesta equação, c é o calor específico da substância, m é sua massa e ΔT (que é lido como “delta T”) é a mudança de temperatura, T _final − T _inicial. Se uma substância ganha energia térmica, sua temperatura aumenta, sua temperatura final é maior que sua temperatura inicial, T _final − T _inicial tem um valor positivo e o valor de q é positivo. Se uma substância perde energia térmica, sua temperatura diminui, a temperatura final é menor que a temperatura inicial, T _final − T _inicial tem um valor negativo e o valor de q é negativo.

Exemplo 5.1

Medindo o calor

Um frasco contendo 8,0$\times$10 ² g de água são aquecidos e a temperatura da água aumenta de 21° C para 85° C. Quanto calor a água absorveu?

Solução

Para responder a essa pergunta, considere os seguintes fatores:

• o calor específico da substância a ser aquecida (neste caso, água)
• a quantidade de substância a ser aquecida (neste caso, 8,0 × 10 ² g)
• a magnitude da variação de temperatura (neste caso, de 21 °C a 85 °C).

O calor específico da água é de 4,184 J/g° C, portanto, para aquecer 1 g de água em 1° C requer 4,184 J. Observamos que, como 4,184 J é necessário para aquecer 1 g de água a 1° C, precisaremos 800 vezes mais para aquecer 8,0 × 10 ² g de água em 1° C. Finalmente, observamos que, como 4,184 J são necessários para aqueça 1 g de água em 1° C, precisaremos de 64 vezes mais para aquecê-lo em 64° C (ou seja, de 21° C a 85° C).

Isso pode ser resumido usando a equação:

$$q=c\times m\times \text{Δ}T=c\times m\times (T_{\text{final}}-T_{\text{inicial}})$$

$$\begin{array}{l}\\ =(4.184\text{J/}\sout{\text{g}}\text{°C})\times (8.0\text{x}{10}^2\sout{\text{g}})\times (85-21)\text{°C}\\ =(4.184\text{J/}\sout{\text{g}}\text{°}\sout{\text{C}})\times (8.0\text{x}{10}^2\sout{\text{g}})\times (64)\text{°}\sout{\text{C}}\\ =\text{210.000 M}(=2.1\text{×}{10}^2\text{kJ})\end{array}$$

Como a temperatura aumentou, a água absorveu calor e q é positivo.

Verifique seu aprendizado

Quanto calor, em joules, deve ser adicionado a uma frigideira de ferro de 502 g para aumentar sua temperatura de 25 °C para 250 °C? O calor específico do ferro é de 0,449 J/g °C.

Resposta:

5,07$\times$10 ^{- 4} J

Observe que a relação entre calor, calor específico, massa e mudança de temperatura pode ser usada para determinar qualquer uma dessas quantidades (não apenas calor) se as outras três forem conhecidas ou puderem ser deduzidas.

Exemplo 5.2

Determinando outras quantidades

Uma peça de metal desconhecido pesa 348 g. Quando a peça de metal absorve 6,64 kJ de calor, sua temperatura aumenta de 22,4 °C para 43,6 °C. Determine o calor específico desse metal (o que pode fornecer uma pista sobre sua identidade).

Solução

Como a massa, o calor e a mudança de temperatura são conhecidos por esse metal, podemos determinar seu calor específico usando a relação:

$$q=c\times m\times \text{Δ}\text{T}=c\times m\times (T_{\text{final}}-T_{\text{inicial}})$$

Substituindo os valores conhecidos:

$$\text{640 M}=c\times (\text{348 g})\times (43.6-22.4)\text{°C}$$

Resolvendo:

$$c=\frac{\text{640 M}}{(\text{348 g})\times (21.2\text{°C})}=\mathrm{0,900}\text{J/g °C}$$

Comparando esse valor com os valores da Tabela 5.1, esse valor corresponde ao calor específico do alumínio, o que sugere que o metal desconhecido pode ser o alumínio.

Verifique seu aprendizado

Uma peça de metal desconhecido pesa 217 g. Quando a peça de metal absorve 1,43 kJ de calor, sua temperatura aumenta de 24,5 °C para 39,1 °C. Determine o calor específico desse metal e preveja sua identidade.

Resposta:

c = 0,451 J/g °C; é provável que o metal seja ferro

Química na vida cotidiana

Usinas de energia solar térmica

A luz solar que chega à Terra contém milhares de vezes mais energia do que capturamos atualmente. Os sistemas solares térmicos fornecem uma solução possível para o problema de converter energia do sol em energia que podemos usar. As usinas solares térmicas de grande escala têm diferentes especificações de design, mas todas concentram a luz solar para aquecer alguma substância; o calor “armazenado” nessa substância é então convertido em eletricidade.

A Estação Geradora Solana, no Deserto de Sonora, no Arizona, produz 280 megawatts de energia elétrica. Ele usa espelhos parabólicos que focam a luz solar em tubos preenchidos com um fluido de transferência de calor (HTF) (Figura 5.9). O HTF então faz duas coisas: transforma água em vapor, que gira turbinas, que por sua vez produzem eletricidade, derrete e aquece uma mistura de sais, que funciona como um sistema de armazenamento de energia térmica. Depois que o sol se põe, a mistura de sal derretido pode então liberar o suficiente do calor armazenado para produzir vapor para operar as turbinas por 6 horas. Os sais fundidos são usados porque possuem várias propriedades benéficas, incluindo altas capacidades térmicas e condutividades térmicas.

Figura 5.9 Esta usina solar térmica usa espelhos parabólicos para concentrar a luz solar. (crédito a: modificação do trabalho pelo Bureau of Land Management)

O Sistema de Geração Solar Ivanpah de 377 megawatts, localizado no deserto de Mojave, na Califórnia, é a maior usina solar térmica do mundo (Figura 5.10). Seus 170.000 espelhos concentram grandes quantidades de luz solar em três torres cheias de água, produzindo vapor a mais de 538 °C que aciona turbinas produtoras de eletricidade. Ela produz energia suficiente para abastecer 140.000 residências. A água é usada como fluido de trabalho devido à sua grande capacidade de calor e calor de vaporização.

Figura 5.10 (a) A usina solar térmica de Ivanpah usa 170.000 espelhos para concentrar a luz solar em torres cheias de água. (b) Abrange 4000 acres de terras públicas perto do Deserto do Mojave e da fronteira Califórnia-Nevada. (crédito a: modificação da obra de Craig Dietrich; crédito b: modificação da obra pela “USFWS Pacific Southwest Region” /Flickr)