Por Lee Johnson – Atualizado em 30 de agosto de 2022

Os cálculos de transferência de calor são essenciais na física e na engenharia. Saber quanto tempo leva para aumentar a temperatura de um objeto em uma determinada quantidade requer apenas alguns dados importantes:a capacidade térmica específica do material, sua massa, a mudança de temperatura desejada e a potência da fonte de calor. Abaixo, percorremos as etapas usando água e chumbo como exemplos ilustrativos.

TL;DR

Primeiro calcule a energia térmica necessária:Q =mcΔT , onde m é massa, c é a capacidade térmica específica e ΔT é a mudança de temperatura. Em seguida, determine o tempo de aquecimento:t =Q ÷ P , com P a potência em watts.

1. Determine a mudança de temperatura (ΔT)

A mudança de temperatura é simplesmente a diferença entre as temperaturas final e inicial:

ΔT =T_final – T_inicial

Por exemplo, aquecer uma substância de 10°C a 50°C produz ΔT=40°C. Como uma mudança de 1°C equivale a uma mudança de 1K, você pode trabalhar em qualquer uma das unidades.

2. Procure a capacidade térmica específica (c)

Cada material tem uma capacidade térmica específica característica que indica quanta energia é necessária para aumentar 1 kg desse material em 1 K. Os valores comuns (Jkg⁻¹K⁻¹) incluem:

• Álcool (bebida)=2.400
• Alumínio=900
• Bismuto=123
• Latão=380
• Cobre=386
• Gelo (–10°C)=2.050
• Vidro=840
• Ouro=126
• Granito=790
• Lead=128
• Mercúrio=140
• Prata=233
• Tungstênio=134
• Água=4.186
• Zinco=387

Para este tutorial usaremos água (c=4.186Jkg⁻¹K⁻¹) e chumbo (c=128Jkg⁻¹K⁻¹).

3. Calcule o calor necessário (Q)

Com m em quilogramas, c em Jkg⁻¹K⁻¹ e ΔT em K, a energia térmica é:

Q =mcΔT

Exemplo de água:1kg × 4.186Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =167.440J =167,44kJ.

Exemplo principal:10kg × 128Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =51.200J =51,2kJ.

Observe que, como o calor específico do chumbo é menor, é necessária menos energia para aumentar a sua temperatura na mesma quantidade.

4. Determine o tempo de aquecimento (t)

Potência (P) é a taxa de entrega de energia (1W =1Js⁻¹). O tempo de aquecimento segue de:

t =Q÷P

Usando uma chaleira de 2 kW (2.000 W) para água:

t =167.440J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 83,7s.

Para o bloco de chumbo de 10 kg com a mesma potência:

t =51.200J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 25,6s.

O chumbo aquece mais rapidamente devido à sua menor capacidade de calor específico.

Essas fórmulas simples permitem prever tempos de aquecimento para qualquer material – basta inserir os valores apropriados.