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UNI V E RS I D ADE F E DE R AL DO AM AZO N AS I N S TI TU TO D E C I Ê N C I AS E X AT AS E T E C N O L O G I A L I C E N C I AT U R A E M C I Ê N C I AS Q U Í M I CA E B I O L O G I A
FISICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL DETERMINAÇÃO DO EQUIVALENTE EM ÁGUA DE UM CALORÍMETRO
ITACOATIARA-AM 2016
EUDENIZE SANTOS IURY MELO MARCIA LOYANA PEDRENO VIANA RAYANE SILVA
DETERMINAÇÃO DO EQUIVALENTE EM ÁGUA DE UM CALOÍRIMETRO
Relatório elaborado para obtenção de nota parcial na disciplina de Fisicoquímica experimental, ministrada pelo Professor ELSON ALMEIDA.
ITACOATIARA-AM 2016
SUMÁRIO 1.
INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 5
2.
OBJETIVO ..................................................................................................................................... 6
3.
MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................................ 6 3.1 MATERIAIS................................................................................................................................. 6 3.2 MÉTODOS .................................................................................................................................. 6
4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................................. 7
5.
CONCLUSÃO ............................................................................................................................... 9
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................... 10
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DETERMINAÇÃO DO EQUIVALENTE EM ÁGUA DE UM CALOÍRIMETRO
RESUMO O conceito de equivalência em água de um corpo é a massa de água que tem a mesma capacidade térmica do corpo. Tal equivalência pode ser determinada através dos calorímetros que são aparelhos que servem para medir variações de energia em situações onde as variações de temperatura desempenham um papel primordial. Baseado no princípio de conservação de energia o experimento teve como objetivo verificar a reprodutibilidade e os erros experimentais pela determinação do equivalente em água de um calorímetro através da seguinte equação: m H2O fria . CH2O . |Δt q|= W |Δt f| + mH2O fria . CH2O . |Δt f|. Para o experimento foram utilizados três volumes de 60 ml, 100 ml e 140 ml de água destilada, realizados em triplicatas, onde foram obtidos os valores do equivalente em água (W) de 13,3g, 22,2g 11,6g, respectivamente. O calorímetro utilizado foi considerado eficaz, mesmo com erros sistemáticos existentes, como leitura da escala do calorímetro, manipulação e isolamento parcial do calorímetro.
PALAVRAS CHAVES: Calorímetro, Equivalência, Termodinâmica
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1. INTRODUÇÃO Equivalência em água de um corpo é a massa de água que tem a mesma capacidade térmica do corpo, ou seja, é a massa e água que recebendo a mesma quantidade de calor fornecido ao corpo sofre a mesma elevação de temperatura que ele. Para sua determinação utiliza-se o “Princípio das trocas de calor”, partindo de duas massas de água destiladas iguais, uma com temperatura aproximadamente de 10ºC abaixo da temperatura ambiente e outra com temperatura 10 ̊C acima da temperatura (DANO, 1985). Sendo o calor especifico a capacidade por unidade de massa, onde o calor é conservado e flui da substancia mais quente para a mais fria até que suas temperaturas se igualem (MOORE, 1976). Baseado no Princípio da conservação de energia o cálculo do equivalente em água do calorímetro pode ser medido pela seguinte equação: m H2O fria . CH2O . |Δt q|= W |Δt f| + mH2O fria . CH2O . |Δt f|. Onde mH2O se refere as massas de água quente (q) e fria (f), CH2O é o calor específico da água, sendo 1 cal/g ̊, W é o equivalente em água do calorímetro, |Δt q|e |Δt f| são os variações de temperatura da água quente e fria, em módulo. Os Calorímetros são aparelhos que permitem estudar os processos de transferência de energia térmica e as propriedades térmicas dos materiais. Um calorímetro ideal não permite qualquer perda de energia térmica para o ambiente e o seu conteúdo pode ser considerado como um sistema isolado termicamente. É um sistema fechado que não permite trocas de calor com o ambiente semelhante à garrafa térmica. No calorímetro, utilizado para estes experimentos, foi utilizado um recipiente de vidro, para eliminar a propagação do calor por radiação e um recipiente de isopor para eliminar a propagação do calor por condução (RUSSEL, 1994). Uma capacidade calorífica elevada significa que uma determina quantidade de calor fluido para o sistema provocará uma pequena elevação da temperatura, enquanto que, se a capacidade calorífica for baixa, a mesma quantidade de calor provocaria uma grande elevação de temperatura (NETZ & ORTEGA, 2002). Torna-se essencial distinguir a capacidade calorífica no interior de um determinado calorímetro, possibilitando assim o cálculo da quantidade de calor que vem a ser absorvido ou liberado durante a reação, segundo Russel (1994) tal conceito fundamenta-se na quantidade de calor essencial para aumentar a temperatura do sistema de 1ºC. 5
2. OBJETIVO
Determinar o equivalente em água de um calorímetro, sua reprodutibilidade e os erros experimentais.
3. MATERIAL E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS
Calorímetro composto por frasco de Dewar.
Termômetro
Água destilada
Proveta de 100 e 250ml
Béquer
Chapa aquecedora
3.2 MÉTODOS Primeiramente foi elaborado um calorímetro composto por frasco de Dewar, posteriormente para determinação do equivalente em água do calorímetro foi medido por vez 60 ml, 100 ml e 140 ml de água destilada, sendo que foram realizadas triplicatas para cada volume para validação do erro, então foi colocado 60 ml de água destilada no calorímetro com a temperatura ambiente, no qual agitou-se lentamente e anotou-se a temperatura do sistema em cada 20 segundos, até que a mesma se mantivesse constante em 10 segundos. Em seguida foi aquecida água destilada a 40 ̊ C (cerca de 10ºC acima da temperatura ambiente), no qual a proveta foi riçada e tomado uma amostra de 60 ml para rapidamente ser colocado no calorímetro, agitou-se e registrou-se a temperatura a cada 10 segundos até que a mesma se mantivesse constante. Assim foram feitas para outras medidas de 100 ml e 140 ml.
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Figura 1. Calorímetro utilizado no experimento
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os dados obtidos foram anotados conforme as variações volumétricas. Para o cálculo de W foram apenas utilizadas os valores medianos da temperatura fria (Tf), temperatura quente (Tq ) e temperatura constante (quente + frio) (T eq) para cada experimento. Os valores dos equivalentes de água para os volumes de 60 mL,100mL e 140 mL encontram devidamente apresentados nas tabelas 1, 2 e 3, respectivamente. Tabela 1. Valores da variação de temperatura, da determinação do equivalente em água com o volume de 60 mL de água. (Tf) Temperatura fria, (Tq) Temperatura quente, (Teq) Temperatura de equilíbrio.
Tf (1)
29
Tq (1)
39
T eq (1)
33
Tf (2)
29
Tq (2)
39
T eq (2)
33,5
Tf (3)
30
Tq (3)
40
T eq (3)
35
Média (Tf)
29,3
Média (Tq)
39,3
Média ( T eq) 33,8
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Tabela 2. Valores da variação de temperatura, da determinação do equivalente em água com o volume de 100 mL de água. (Tf) Temperatura fria, (Tq) Temperatura quente, (Teq) Temperatura de equilíbrio.
Tf (1)
30
Tq (1)
40
T eq (1)
35
Tf (2)
30
Tq (2)
40
T eq (2)
34
Tf (3)
30
Tq (3)
40
T eq (3)
34,5
Média (Tf)
30
Média (Tq)
40
Média ( T eq) 34,5
Tabela 3. Valores da variação de temperatura, da determinação do equivalente em água com o volume de 140 mL de água. (Tf) Temperatura fria, (Tq) Temperatura quente, (Teq) Temperatura de equilíbrio.
Tf (1)
30
Tq (1)
40
T eq (1)
35
Tf (2)
30
Tq (2)
40
T eq (2)
35
Tf (3)
30
Tq (3)
40
T eq (3)
34,5
Média (Tf)
30
Média (Tq)
40
Média ( T eq) 34,8
Encontrou-se o valor correspondente do equivalente em água (W) para cada volume, de acordo as variações de temperatura, apresentados na tabela 4.
Tabela 4. Resultados do equivalente em água para os volumes de 50, 100 e 140 mL.
Volume de H2O
(W) Equivalente em H2O
60 mL de H2O
13,3 g
100 mL de H2O
22,2 g
140 mL de H2O
11,6 g
As causas para as variações dos resultados do equivalente em água do calorímetro nos procedimentos experimentais são diversos. Por exemplo, nos processos de transferência da água quente para riçar a proveta, seguida pela transferência para o calorímetro, houve perda de calor para o ambiente, visto que essa temperatura era elevada em relação ao ambiente, permitindo uma troca de calor elevada, seguindo a Lei zero da termodinâmica, onde um sistema de maior temperatura troca calor com um sistema de menor temperatura (ATKINS & PAULA,
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2008). Portanto, a temperatura da água colocada no calorímetro não era a mesma lida anteriormente no béquer. Outro fator importante, é o calorímetro, sua estrutura e adequação, pode considerar a parcialidade do isolamento do sistema, pois as trocas de calor não se limitou ao sistema, pois houve transferência de energia para a vizinhança, por problemas de vedação na tampa, portanto a quantidade de calor que fluiu do sistema foi diferente de zero, como obtida em sistema isolados. Em cada determinação do equivalente em água realizada foram perdidas quantidades de calor diferentes para a vizinhança, uma vez que ora o sistema estava bem mais fechado, ora o sistema estava bem menos fechado no decorrer da execução do experimento. Em relação ao volume de água, para as três medidas (60ml, 100ml, e 140ml), não houve uma grande variação de temperatura inicial (temperatura fria), a variação entre as medidas foi de 29 a 30 ̊C. Esse aumento de temperatura pode estar relacionado a água que estava depositada anteriormente no calorímetro. Assim também ocorreu para as temperaturas quente, na qual a variação de temperatura ficou entre 39 a 40 ̊C, e por fim, o equilíbrio ficou numa variação de 33 a 35 ̊C. De forma geral, quanto maior o volume da água, maior foi a temperatura. Outro fator importante a ser considerado é o termômetro utilizado, visto que os termômetros não eram digitais, podem ter ocorrido erros sistemáticos (SKOOG et al., 2006) associados à leitura da temperatura na escala do termômetro.
5. CONCLUSÃO
A partir dos resultados obtidos, o calorímetro foi considerado eficaz, apesar dos erros que podem ter ocorridos na leitura da temperatura do termômetro, tempo de transferência da água de um recipiente para outro e isolamento do calorímetro, os valores da equivalência do calorímetro podem ter variado por esses fatores e pelas trocas de calor ocorridas com o ambiente.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ATKINS, P & PAULA, J. Físico-Química, v. 1-8.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. NETZ, P. A. & ORTEGA, G. G. Fundamentos de Físico-Química: Uma abordagem conceitual para Ciências farmacêuticas. Porto Alegre: Artmed, 2002. SKOOG et al. Fundamentos de Química Analítica, Editora Thomson, 8 ª edição. 2006. RUSSEL, J. B. Química Geral, Vol. 1. 2ª edição, São Paulo, 1994.
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ANEXOS
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