Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti

. Acesso em: nov. 2015.
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Note que o poder calorífico do GLP é cerca de 3,5 vezes maior que o da lenha. Isso significa que para liberar a mesma quantidade de energia, é necessária uma massa de GLP 3,5 vezes menor que a da lenha. Por essa razão, alimentos preparados em fogão a gás ficam geralmente prontos mais rapidamente, pois esse combustível fornece maior quantidade de energia por unidade de massa que a lenha. Mas como é possível quantificar a energia liberada ou absorvida, na forma de calor, pelos fenômenos? Pode-se utilizar um dispositivo, chamado calorímetro. Acompanhe a descrição dos componentes que constituem um tipo de calorímetro utilizado para medir a energia liberada numa reação de combustão:

1. uma câmara na qual o fenômeno se realiza;

2. um meio envoltório que recebe ou cede energia na forma de calor para o sistema reagente;

3. um sistema de agitação;

4. um termômetro.

Veja a imagem a seguir.



Adilson Secco

Esquema de um calorímetro para medir a energia na forma de calor liberada em uma combustão. Os fios de ignição são utilizados para promover o início da reação. Grande parte da energia liberada pela reação é transferida para a água que está ao redor, onde o aumento de temperatura é medido com o termômetro. Representação sem escala; cores fantasia.

A energia na forma de calor liberada ou absorvida em um fenômeno pode ser medida, indiretamente, pela variação de temperatura da água que circunda a câmara que contém a amostra. Suponha que uma amostra de álcool combustível seja colocada dentro do calorímetro. Ao realizar a queima dessa amostra, espera-se observar uma elevação da temperatura da água: uma evidência de que a reação de queima do etanol liberou energia. Aliás, por definição, tem-se que 1 caloria (símbolo cal, que no SI equivale a 4,184 J) é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 g de água líquida de 14,5 °C para 15,5 °C. Essa relação entre a energia na forma de calor e a variação de temperatura é chamada de calor específico. Logo, a quantidade de energia na forma de calor (Q) liberada ou absorvida em uma reação pode ser calculada multiplicando a massa de água utilizada no calorímetro pelo seu calor específico e pela variação de temperatura obtida. Essa relação entre as variáveis pode ser expressa pela equação matemática:

Q = m ⋅ c ⋅ ΔT

em que:

m = massa de água utilizada no calorímetro; c = calor específico da água (); ΔT = variação da temperatura da água, em módulo.

Perceba que quanto maior for a variação de temperatura (ΔT) medida, maior será a quantidade de energia na forma de calor (Q) liberada ou absorvida pela reação.

Proporção entre a energia liberada e a massa de combustível queimada

Em termos econômicos, o que é mais vantajoso: fogão a lenha ou a GLP? Para responder a essa pergunta, pode-se analisar o poder calorífico e o preço dos dois combustíveis. Conforme vimos, os poderes caloríficos do GLP e da lenha são 47.440 kJ/kg e 13.000 kJ/kg, respectivamente. Considere que um botijão de GLP de 13 kg custe R$ 50,00 e que 20 kg de lenha custe R$ 15,00. Suponha que se deseje aquecer 30 L de água da temperatura de 20 °C até a temperatura de 80 °C. Qual seria o custo desse processo para cada um dos combustíveis?

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Antes de considerar cada combustível, é preciso calcular a energia na forma de calor necessária para elevar a temperatura dos 30 L de água de 20 °C para 80 °C. Para isso, pode-se usar a expressão matemática vista anteriormente:

Q = m ⋅ c ⋅ ΔT

O valor de massa de água (m) é 30.000 g (densidade da água igual a 1 g/mL). O calor específico da água (c) é de 4,184 J/g ⋅ °C. Considerando uma variação de temperatura (ΔT) de 60 °C (80 °C − 20 °C), tem-se:

Q = 30.000 g ⋅ 4,184 J/g ⋅ °C ⋅ 60 °C

Q = 7.531.200 J ou 7.531,2 kJ

A seguir, calcula-se a massa de cada combustível necessária para liberar 7.531,2 kJ de energia:

• GLP

47.440 kJ _______ 1 kg GLP

7.531,2 kJ _______ x

x ≅ 0,159 kg

• Lenha

13.000 kJ _______ 1 kg lenha

7.531,2 kJ _______ x

x ≅ 0,579 kg

Por fim, calcula-se o custo das quantidades de cada combustível:

13 kg GLP _______ R$ 50,00

0,159 kg GLP _______ y

y ≅ R$ 0,61

20 kg lenha _______ R$ 15,00

0,579 kg lenha _______ y

y ≅ R$ 0,43

Portanto, considerando os preços apresentados, haveria uma vantagem financeira em utilizar lenha em vez de GLP para esse aquecimento.

Pode-se perceber com base nos cálculos anteriores que existe uma relação diretamente proporcional entre massa de combustível e quantidade de energia: ao dobrar a quantidade de combustível consumido, a quantidade de energia liberada também dobra. Assim, uma amostra de água aquecida pela queima de 2 kg de lenha tenderá a atingir a ebulição mais rapidamente do que se tivesse sido utilizado 1 kg desse mesmo combustível. É importante observar que essa conclusão está pressupondo que o aumento da quantidade de combustível e o consequente aumento da energia liberada em sua queima elevam também a quantidade de energia absorvida pela amostra de água em determinado intervalo fixo de tempo.

Comparando poderes caloríficos de combustíveis

Como apresentado na abertura deste capítulo, o GLP é o gás que predomina nas residências brasileiras. Outro tipo de gás, o GN, também é comercializado com os mesmos fins, porém em menor quantidade. O GLP é comumente vendido em botijões de 13 kg, enquanto o GN é comercializado encanado e medido em m³. Uma vez que são comercializados em grandezas diferentes, como é possível comparar os poderes caloríficos desses dois combustíveis?

Uma possibilidade seria avaliar a quantidade de energia liberada a partir das mesmas quantidades de matéria (mol) dos principais constituintes dessas misturas gasosas. Considere como exemplo o metano (CH₄), cujo poder calorífico é de 13.249 kcal/kg e que é o principal constituinte (cerca de 90% em volume) do GN. Dado que a massa molar do metano é igual a 16 g/mol, pode-se estabelecer as seguintes relações matemáticas:

1 mol CH₄ _______ 16 g

x _______ 1.000 g

x = 62,5 mol

62,5 mol CH₄ _______ 13.249 kcal

1 mol _______ y

y ≅ 212,0 kcal/mol ou 887,0 kJ/mol

Esse valor representa a energia liberada na combustão completa de 1 mol de gás metano. Realizando os mesmos cálculos para o etano (C₂H₆), presente em menor porcentagem no GN, e para o propano (C₃H₈) e o butano (C₄H₁₀), presentes em uma proporção próxima de 50% : 50% em mol no GLP, tem-se os seguintes valores:

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Poder calorífico de alguns combustíveis a 25 °C e à pressão constante e igual a 1 atm
Combustível	Fórmula molecular	Massa molar (g/mol)	Energia liberada na combustão (kJ/mol)	Poder calorífico (kJ/g)
Metano	CH4	16	890	55,6
Etano	C2H6	30	1.560	52,0
Propano	C3H8	44	2.220	50,4
Butano	C4H10	58	2.878	49,6

Fonte consultada: ATKINS, P. W.; JONES, L. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2001. p. A15.

Perceba nos destaques em vermelho que a energia liberada na combustão por unidade de quantidade de matéria aumenta com o número de átomos de carbono na molécula do combustível. Contudo, comparando a energia liberada por unidade de massa, a tendência se inverte: quanto maior o número de átomos de carbono na molécula do combustível, menor a energia por unidade de massa. Por que existe essa diferença de variação em função da grandeza analisada (quantidade de matéria ou massa)?

Para responder a essa questão e àquela feita no início deste tópico, deve-se inicialmente considerar a lei de Avogadro, que diz que volumes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condições de temperatura e pressão contêm o mesmo número de partículas – no caso do GN e do GLP, mesmo número de moléculas. Em seguida, para simplificar o cálculo, pode-se considerar que o GN é formado exclusivamente por metano e que o GLP é uma mistura 50% : 50% em mol de propano e butano. O valor de energia liberada na combustão de uma mistura equimolar de propano e butano pode ser calculado como a média aritmética dos valores referentes a cada gás:

= 2.549 kJ/mol.

A razão entre esse valor e a energia liberada para 1 mol de metano (890 kJ) é aproximadamente igual a 2,86. Ao calcular essa mesma relação entre os poderes caloríficos por unidade de volume do GLP (26.400 kcal/m³) e do GN (9.400 kcal/m³) a 25 °C e 1 atm, chega-se aproximadamente à mesma razão: 2,81 – o que era esperado, uma vez que quantidades iguais de matéria de gases diferentes ocupam volumes iguais (medidos nas mesmas condições de temperatura e pressão).

Como os valores de energia liberada por unidade de quantidade de matéria na combustão do propano e do butano são maiores que o do metano, é plausível prever que o poder calorífico em volume do GLP é maior que o do GN, como visto anteriormente. Contudo, quando se analisam os poderes caloríficos por unidade de massa, a relação se inverte: 11.750 kcal/kg para o GLP e 12.652 kcal/kg para o GN. Isso ocorre porque em 1 kg de GN há mais moléculas de gás metano que moléculas de propano e butano em 1 kg de GLP, uma vez que a massa molar do metano – 16 g/mol – é menor do que as massas molares de propano e butano – 44 g/mol e 58 g/mol, respectivamente. Portanto, o poder calorífico de um combustível pode ser maior ou menor que outro dependendo da grandeza escolhida para análise.

Com base nos valores de energia liberada na combustão por unidade de quantidade de matéria e da massa molar dos combustíveis, é possível fazer estimativas teóricas dos poderes caloríficos em outras grandezas. Considere como exemplo o etino (C₂H₂), também conhecido como acetileno, um gás muito utilizado em soldas. Qual seria seu poder calorífico em kJ/kg?

Considere para o cálculo que o calor liberado na combustão desse gás é de 1.300 kJ/mol e que sua massa molar é igual a 26 g/mol. Para calcular o poder calorífico em kJ/kg, tem-se:

26 g C₂H₂ _______ 1.300 kJ

1.000 g C₂H₂ _______ x

x = 50.000 kJ/kg



Delfim Martins/Pulsar imagens

O gás acetileno (C₂H₂) é um combustível para soldas.

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Aspectos energéticos dos alimentos e das atividades físicas

O calorímetro também pode ser utilizado para medir o valor energético dos alimentos. Com base em dados obtidos nesse tipo de investigação, informações contidas nos rótulos dos alimentos podem ser medidas e verificadas.

Atividade prática
A energia liberada pelos alimentos

Em razão do uso de fósforos, essa atividade deve ser realizada sob supervisão de um responsável adulto. Consulte o infográfico Segurança no laboratório antes de iniciá-la.

Humanos e outros seres vivos precisam consumir alimentos para obter a energia necessária à realização de suas tarefas diárias. Nesta atividade, será abordada uma técnica para estimar o valor energético de diferentes alimentos.

Material

Uma lata de refrigerante (vazia) sem o lacre

Um suporte universal

Uma rolha de cortiça

Uma baqueta de vidro

Água

Uma proveta de 500 mL

Um termômetro

Um amendoim sem casca

Uma balança digital

Um clipe de metal pequeno

Palitos de fósforo

Um pedaço pequeno de pão francês

Um pedaço pequeno de castanha-do-pará (castanha-do-brasil) sem casca

Um pedaço pequeno de batata-inglesa crua sem casca

Anel para suporte universal

Procedimento

1 Monte o aparato para a atividade prática como mostra a ilustração ao lado.

2 Meça 200 mL de água com a proveta e coloque esse volume dentro da lata.

3 Mergulhe o termômetro na água dentro da lata e anote a temperatura inicial. Após a medição, retire o termômetro.

4 Com a balança, obtenha a massa de um amendoim sem casca e o posicione sobre o clipe adaptado em uma rolha de cortiça (veja a figura). A distância entre o amendoim e o fundo da lata afixada ao suporte universal pela argola deve ser de 2 centímetros, aproximadamente.

5 Com cuidado, acenda um palito de fósforo e queime o amendoim (ele deve iniciar a queima após alguns segundos exposto à chama). Enquanto ele queima, agite a água contida na lata com o auxílio de uma baqueta de vidro.

6 Ao término da queima anote:

a) a temperatura final da água (mergulhe o termômetro na água novamente, evitando encostar na lata);

b) a massa final do amendoim pós-queima (utilize a balança para medir a massa final do amendoim).

7 Repita esse procedimento substituindo o amendoim por um pedaço de pão francês e, em seguida, por uma castanha-do-pará (castanha-do-brasil) e pela batata-inglesa crua. Todos esses alimentos devem ter a mesma massa inicial do amendoim usado na atividade prática.

8 Ao final do experimento, complete o quadro abaixo em seu caderno.

Alimento	Massa inicial (g)	Massa final (g)	Temperatura inicial da água (°C)	Temperatura final da água (°C)	Variação de temperatura (°C)
Amendoim
Pão francês
Castanha-do-pará (castanha-do-brasil)
Batata-inglesa crua

Adilson Secco

Aparato experimental. Representação sem escala; cores fantasia.

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Perguntas

Responda em seu caderno

1 Quais foram os dois alimentos em que se verificou maior variação de temperatura? E quais foram os dois alimentos em que se verificou menor variação?

2 Considere a tabela a seguir com a composição dos alimentos testados em relação a 100 g de amostra.

Composição média de amostra de 100 g dos alimentos testados
Alimento	Carboidratos (g)	Lipídios (g)	Proteínas (g)
Amendoim	20,3	43,9	27,2
Pão francês	74,6	3,3	10,5
Castanha-do-pará (castanha-do-brasil)	15,1	63,5	14,5
Batata-inglesa crua	14,7	—	1,8

Fonte: Tabela Brasileira de Composição de Alimentos – TACO. 4. ed. Disponível em: