Calculadora de Aquecimento de Água

A calculadora de aquecimento de água da Omni pode ajudar você a determinar a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um pouco de H₂O e o tempo que isso levará. Ela considera as capacidades térmicas de todos os três estados da matéria, portanto, também funciona se você quiser derreter o gelo ou ferver água.

Se você está se perguntando qual é o limite até onde a água pode esquentar, o que é a capacidade térmica e como tudo isso se relaciona com BTU (British Thermal Unit) do seu aquecedor de água, continue lendo!

Essa pergunta pode parecer trivial, mas será que é mesmo? Sim e não. Embora pareça óbvio pensar em uma chaleira, fogão, caldeira ou outro dispositivo, todos eles são apenas ferramentas que usamos para alterar a temperatura com mais facilidade.

Para aquecer a água, você precisa... bem, adicionar calor, que é uma das formas de energia. Se você fizer isso, aumentará a energia cinética média das moléculas e, portanto, também a temperatura de forma diretamente proporcional, conforme podemos ver na teoria cinética dos gases. Há três tipos de métodos para a transferência de calor:

• Condução: ocorre quando dois objetos estão em contato. Há um certo fluxo de calor do objeto quente para o mais frio por meio da agitação das moléculas (colisão de partículas de alta velocidade com as mais lentas). Algumas substâncias são melhores condutoras do que outras, portanto, normalmente estamos interessados na condutividade térmica do material. Um exemplo desse tipo de transferência seria uma panela no fogão ou segurar um cubo de gelo em sua mão.
• Convecção: se aplica a fluidos (incluindo o ar!). Quando a temperatura do líquido aumenta, ele se torna menos denso e sobe. Ao mesmo tempo, as partes mais frias do fluido se moverão para baixo, criando correntes de convecção. Essas correntes formam movimentos circulares que ajudam a espalhar o calor por toda a substância. Isso explica, por exemplo, porque a água do oceano é mais quente na superfície do que se você nadar mais fundo.
• Radiação: ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, não sendo fundamentada em interações entre moléculas. Isso significa que não é necessário nenhum meio nem contato físico. Todos os objetos emitem e absorvem radiação, alguns mais do que outros. A Lei de Stefan-Boltzmann nos diz quanta energia é irradiada de um corpo em uma determinada temperatura. É assim que a Terra recebe o calor do Sol.

Todos esses métodos de transferência de calor se aplicam ao nosso caso, mas é improvável que você considere a radiação para fins cotidianos. Contudo, é importante ressaltar que o método não afeta a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura, portanto, nossa calculadora de aquecimento de água ajudará você mesmo em um cenário incomum.

Falar sobre calor pode ser confuso. Existem alguns termos que soam semelhantes, mas que significam coisas completamente diferentes. No entanto, todos eles são essenciais para você entender como calcular a energia necessária para aquecer a água, por isso reunimos todos eles com uma explicação:

• Calor, como já mencionamos, é uma das formas de energia que é transferida devido à diferença de temperatura. Portanto, suas unidades são, normalmente, joules (J).
• O Calor Específico é uma propriedade do material definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 quilograma de uma substância em 1 Kelvin (ou Celsius, já que a escala é a mesma em termos de incrementos, ou seja, um aumento de 1 K é igual a um aumento de 1 °C). Portanto, suas unidades são J/kg⋅K ou J/(kg⋅°C). A unidade térmica britânica (BTU) é definida de forma semelhante, mas fala sobre o aumento da temperatura de uma libra de H₂O em 1 grau Fahrenheit. Esperamos que agora você veja como o BTU do aquecedor de água está relacionado a isso!
• O Calor Latente, ao contrário, não se refere a uma mudança de temperatura, mas de uma fase. Essa é a quantidade de calor necessária para transformar, por exemplo, um líquido de alguma massa em um gás. Você pode pensar no que acontece com a água a 100 °C quando ela se torna vapor. Nesse caso, as unidades são J/kg.

Embora esporadicamente considerado, vale mencionar que o valor do calor latente muda com a pressão, enquanto o calor específico varia dependendo da temperatura. A calculadora de aquecimento de água usa os valores mais comuns dessas constantes.

A quantidade de energia que você precisará para alterar a temperatura da água depende de seus estados inicial e final. Em geral, você precisa considerar duas quantidades:

1. Calor necessário para aumentar a temperatura, $Q_t$:

onde:

• $c$: calor específico;
• $m$: massa;
• $T_f$: temperatura final; e
• $T_i$: temperatura inicial.

Essa quantidade também é conhecida como calor sensível 🇺🇸.

2. Calor necessário para mudar a fase, $Q_\mathrm{p}$:

onde:

• $L$ é o calor latente. Se houver uma transição de gelo para água, estamos considerando o calor latente de fusão, enquanto para a mudança de fase de um líquido para vapor, é o calor latente de vaporização.

Finalmente, tudo o que você precisa fazer é somar todos os valores de calor para calcular a energia necessária para aquecer a H₂O. Considerando somente uma mudança de fase, você terá um único valor, mas, caso haja outras mudanças de fase, haverá mais contribuições de calor latente. Felizmente, nossa calculadora de aquecimento de água cuida disso para você!

Se você souber a eficiência e a potência do aquecedor, também poderá calcular o tempo necessário para atingir a temperatura final. A fórmula é a seguinte:

onde:

• $Q_{\text{total}}$ é a energia total encontrada anteriormente.

Se você puder medir a energia de entrada e saída, a calculadora de eficiência da Omni também pode ajudar a determinar $Q_{\text{total}}$.

Quanta energia você precisaria para obter água quente o suficiente para preparar um chá a partir de um bloco de gelo de 1 kg com uma temperatura inicial de -10°C (263,15 K)? Você pode dividi-lo em etapas menores:

1. Calcule o calor necessário para elevar a temperatura do gelo até 0°C:

$Q_{\text{gelo}} = 1 \ \text{kg} \cdot 10 \ \text{K} \cdot 2.108 \ \frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}} = 21.080 \ \text{J.}$

2. Encontre a quantidade de calor necessária para convertê-lo em água:

$Q_{\text{gelo}\text{;água}} = 1 \ \text{kg} \cdot 334.000 \ \frac{\text{J}}{\text{kg}} = 334.000 \ \text{J.}$

3. Determine a quantidade de energia que você precisa para aquecer a água. Vamos supor que a temperatura perfeita seria de 96°C (369,15 K):

$Q_{\text{água}} = 1 \ \text{kg} \cdot 96 \ \text{K} \cdot 4.190 \ \frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}} = 402.240 \ \text{J.}$

4. Some todos os valores para obter a energia total necessária:

$Q_{\text{total}} = 21.080 + 334.000 + 402.240 = 757.320 \ \text{J.}$

5. Uma chaleira comum tem 1800 Watts (W) de potência. Supondo que você tenha 90% de eficiência, podemos ver isso:

$\text{tempo} = \frac{757.320 \ \text{J}}{0,\!9 \cdot 1.800 \ \text{W}} = 467,\!48 \ \text{s} \approx 7 \ \text{min}$

Como você deve ter notado, esse cálculo pode ser um pouco trabalhoso e levar quase o mesmo tempo que derreter um bloco de gelo. Talvez seja melhor você usar a nossa calculadora de aquecimento de água e começar e economizar o seu tempo!