Uma técnica que podemos usar para medir a quantidade de calor envolvida em um processo químico ou físico é conhecida como calorimetria. A calorimetria é usada para medir quantidades de calor transferidas para ou de uma substância. Para isso, o calor é trocado por um objeto calibrado (calorímetro). A mudança na temperatura da parte de medição do calorímetro é convertida na quantidade de calor (desde que a calibração anterior foi usada para estabelecer sua capacidade de calor). A medição da transferência de calor usando essa abordagem requer a definição de um sistema (a substância ou substâncias que estão passando pela mudança química ou física) e seu entorno (os outros componentes do aparelho de medição que servem para fornecer calor ao sistema ou absorver calor do sistema).
A calorimetria é usada para medir a quantidade de energia térmica transferida em um processo químico ou físico. Isso requer uma medição cuidadosa da mudança de temperatura que ocorre durante o processo e as massas do sistema e do entorno. Essas grandezas medidas são então usadas para calcular a quantidade de calor produzida ou consumida no processo usando relações matemáticas conhecidas.
Os calorímetros são projetados para minimizar a troca de energia entre o sistema em estudo e o ambiente ao redor. Eles variam de calorímetros de xícara de café simples usados por estudantes de química introdutórios a sofisticados calorímetros de bomba usados para determinar o conteúdo de energia dos alimentos.
Um calorímetro é um dispositivo usado para medir a quantidade de calor envolvida em um processo químico ou físico. Por exemplo, quando ocorre uma reação exotérmica em solução em um calorímetro, o calor produzido pela reação é absorvido pela solução, o que aumenta sua temperatura. Quando ocorre uma reação endotérmica, o calor necessário é absorvido pela energia térmica da solução, o que diminui sua temperatura (Figura 1). A mudança de temperatura, juntamente com o calor e a massa específicos da solução, pode ser usada para calcular a quantidade de calor envolvida em ambos os casos.
Os cientistas usam calorímetros bem isolados que evitam a transferência de calor entre o calorímetro e seu ambiente. Isso permite a determinação precisa do calor envolvido nos processos químicos, o conteúdo energético dos alimentos e assim por diante. Os estudantes de química geral costumam usar calorímetros simples construídos a partir de copos de poliestireno. Esses calorímetros de “xícara de café” fáceis de usar permitem mais troca de calor com o ambiente e, portanto, produzem valores de energia menos precisos.
Calorímetros de solução comercial também estão disponíveis. Calorímetros relativamente baratos geralmente consistem em duas xícaras de paredes finas que são encaixadas de forma a minimizar o contato térmico durante o uso, juntamente com uma tampa isolada, um agitador portátil e um termômetro simples. Calorímetros mais caros usados na indústria e na pesquisa normalmente têm um vaso de reação bem isolado, totalmente fechado, mecanismo de agitação motorizado e um sensor de temperatura mais preciso.
Quando usamos calorimetria para determinar o calor envolvido em uma reação química, os mesmos princípios que temos discutido se aplicam. A quantidade de calor absorvida pelo calorímetro é geralmente pequena o suficiente para que possamos negligenciá-lo (embora não para medições altamente precisas, como discutido mais adiante), e o calorímetro minimiza a troca de energia com o ambiente. Como a energia não é criada nem destruída durante uma reação química, não há mudança geral de energia durante a reação. O calor produzido ou consumido na reação (o “sistema”), q reação , mais o calor absorvido ou perdido pela solução (o “entorno”), q solução , deve somar zero:
q reação + q solução = 0
Isso significa que a quantidade de calor produzida ou consumida na reação é igual à quantidade de calor absorvida ou perdida pela solução:
q reação = – q solução
Este conceito está no centro de todos os problemas e cálculos de calorimetria.
Se a quantidade de calor absorvida por um calorímetro for muito grande para negligenciar ou se precisarmos de resultados mais precisos, então devemos levar em conta o calor absorvido tanto pela solução quanto pelo calorímetro.
Os calorímetros descritos são projetados para operar a pressão constante (atmosférica) e são convenientes para medir os processos que acompanham o fluxo de calor que ocorrem na solução. Um tipo diferente de calorímetro que opera em volume constante, conhecido coloquialmente como um calorímetro de bomba , é usado para medir a energia produzida por reações que produzem grandes quantidades de calor e produtos gasosos, como reações de combustão. (O termo “bomba” vem da observação de que essas reações podem ser vigorosas o suficiente para se assemelhar a explosões que danificariam outros calorímetros.) Esse tipo de calorímetro consiste em um robusto recipiente de aço (a “bomba”) que contém os reagentes e é ele mesmo submergido em água (Figura 7).
A amostra é colocada na bomba, que é então preenchida com oxigênio a alta pressão. Uma pequena faísca elétrica é usada para inflamar a amostra. A energia produzida pela reação é aprisionada na bomba de aço e na água circundante. O aumento de temperatura é medido e, juntamente com a capacidade calorífica conhecida do calorímetro, é usado para calcular a energia produzida pela reação. Os calorímetros de bomba requerem calibração para determinar a capacidade de calor do calorímetro e garantir resultados precisos. A calibração é realizada usando uma reação com um q conhecido, tal como uma quantidade medida de ácido benzóico inflamada por uma faísca de um fio de fusível de níquel que é pesado antes e depois da reação. A mudança de temperatura produzida pela reação conhecida é usada para determinar a capacidade de calor do calorímetro. A calibração é geralmente realizada toda vez que o calorímetro é usado para coletar dados de pesquisa.
Desde que o primeiro foi construído em 1899, 35 calorímetros foram construídos para medir o calor produzido por uma pessoa viva. Estes calorímetros de corpo inteiro de vários projetos são grandes o suficiente para manter um ser humano individual. Mais recentemente, os calorímetros de salas inteiras permitem que atividades relativamente normais sejam realizadas, e esses calorímetros geram dados que refletem mais de perto o mundo real. Esses calorímetros são usados para medir o metabolismo de indivíduos sob diferentes condições ambientais, diferentes regimes alimentares e com diferentes condições de saúde, como diabetes. Nos seres humanos, o metabolismo é tipicamente medido em calorias por dia. Uma Caloria Nutricional (Caloria)é a unidade de energia usada para quantificar a quantidade de energia derivada do metabolismo dos alimentos; Uma caloria é igual a 1000 calorias (1 kcal), a quantidade de energia necessária para aquecer 1 kg de água a 1 ° C.
