Para esquentar 1 kg de vapor d’água em
, ela precisa receber 1872 J de energia. Para esquentar 1 kg de amônia líquida
em
, ela precisa receber 480 J de energia. Por que o vapor d’água precisa absorver mais energia que a amônia líquida, se a variação de temperatura das duas é igual?
Passo 1
O enunciado dá duas situações e pergunta por que uma delas precisa de mais energia mesmo com a mesma variação de temperatura. As informações relevantes são:
- Para aquecer
de vapor d’água em são necessários . - Para aquecer
de amônia líquida em são necessários . - A variação de temperatura em ambos os casos é a mesma:
.
O que se pede: explicar por que o vapor d’água precisa absorver mais energia do que a amônia líquida, apesar de ambas aumentarem a mesma temperatura.
Passo 2
Definindo o conceito chave: calor específico.
- O calor necessário para variar a temperatura de uma massa é dado por
onde
é a energia recebida (em joules),
é a massa (em kg),
é o calor específico (em
) e
é a variação de temperatura (em kelvin ou graus Celsius).
- No nosso caso
e , então os valores dados são justamente os calores específicos:
e
Ou seja: para cada quilograma por grau, a água vapor precisa de muito mais energia.
Passo 3
Por que
é diferente para substâncias diferentes?
- O calor específico não é universal: depende da substância e da sua fase (sólido, líquido, gás).
- Fisicamente,
mede quanto a energia interna do material aumenta quando sua temperatura sobe. A energia interna pode aumentar em formas diferentes: energia cinética de translação, rotação, energia vibracional das ligações, e energia potencial associada a interações entre moléculas (no caso de líquidos). - Substâncias com mais “modos” disponíveis para armazenar energia (mais graus de liberdade acessíveis à temperatura considerada) terão maior calor específico: precisa de mais energia para aumentar a temperatura.
Passo 4
Comparação por mol (uma forma clara de ver diferenças físicas)
- É útil comparar a capacidade por mol, porque calor específico por massa combina efeitos de calor molar e da massa molar. Converter para calor molar:
- Massa molar da água:
. - Massa molar da amônia:
. - Calor molar
obtém-se por . Calculando:
- Conclusão numérica: um mol de vapor d’água armazena muito mais energia por grau do que um mol de amônia líquida. Portanto a diferença por quilograma é grande também.
Passo 5
Interpretação física dos números (explicação didática)
- O fato central: água no estado de vapor, por suas propriedades moleculares, tem muito mais “capacidade de armazenar energia” por mol quando sua temperatura sobe naquele intervalo. Isso pode vir de:
- modos internos (giro, vibração) que se tornam efetivos na faixa de temperatura considerada, aumentando a energia interna por aumento de
; - estrutura molecular e ligações (a molécula de água é polar e apresenta interações que afetam a forma como a energia é repartida entre degrees of freedom);
- comportamento não ideal do vapor de água (algumas interações entre moléculas em vapor real podem tornar
maior do que o valor idealizado).
- modos internos (giro, vibração) que se tornam efetivos na faixa de temperatura considerada, aumentando a energia interna por aumento de
- A amônia líquida, sendo líquida, tem seu próprio perfil: parte da energia entra em deslocamentos e reorganizações intermoleculares, mas no conjunto, por mol, ela aceita bem menos energia por grau na faixa considerada — por isso o calor molar e, consequentemente, o calor por massa são menores.
- Outra maneira simples de ver: calor específico é como a “inelasticidade térmica” do material — materiais diferentes respondem de formas diferentes a um aumento de temperatura porque seus átomos/moléculas têm diferentes possibilidades de armazenar energia.
Passo 6
Um exemplo intuitivo (analogia)
- Imagine duas mochilas: uma tem muitos bolsos (muitos modos de guardar coisas) e outra tem poucos bolsos. Se você quer guardar a mesma quantidade extra de “calor” (aumentar
em ), a mochila com mais bolsos precisa receber mais itens (energia) para que cada bolso aumente sua carga do mesmo jeito. A água vapor, por suas propriedades, tem mais “bolsos energéticos” acessíveis por mol naquela faixa de temperatura do que a amônia líquida, então precisa receber mais energia por quilograma.
Passo 7
Resumo final conceitual e encorajamento
- Resumindo: embora a variação de temperatura seja a mesma, o quanto de energia é necessário depende do calor específico da substância. O vapor d’água tem
bem maior do que a amônia líquida porque, por mol, o vapor d’água absorve muito mais energia ao aumentar a temperatura — resultado da sua estrutura molecular, dos modos de energia acessíveis e do estado físico. Por isso 1 kg de vapor d’água precisa de enquanto 1 kg de amônia líquida precisa de . - Força aí nos estudos — essa diferença é um exemplo clássico de como propriedades microscópicas (moléculas e graus de liberdade) influenciam valores macroscópicos que aparecem nas contas!
Resposta
Porque o calor específico é diferente para cada substância e depende da estrutura molecular e da fase: o vapor d’água tem um calor específico por massa maior (
) do que a amônia líquida (
), ou seja, por mol o vapor d’água absorve muito mais energia (
) que a amônia líquida (
), devido a diferentes modos de armazenamento de energia (graus de liberdade, interações moleculares e características de fase).