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Tempo(s)
Temperatura(c°)
RESUMO
Este trabalho foi desenvolvido a partir de um experimento realizado para quantificar o calor específico da água.
O experimento consiste em fornecer energia elétrica a um aquecedor enquanto se mede a temperatura T da água em função do tempo t, usando um esquema de aquecimento ligado diretamente à rede elétrica. A partir da medição das temperaturas inicial e final e da corrente elétrica, podemos verificar a grandeza física em estudo.
INTRODUÇÃO
Capacidade térmica ou capacidade calorífica é uma grandeza física que determina a variação térmica de um corpo ao receber determinada quantidade de calor. O valor da capacidade térmica é correspondente à quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do corpo em uma unidade de variação de temperatura.
Calor específico define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor. Também é chamado de capacidade térmica mássica. É constante para cada substância em cada estado físico. Pode-se dizer que o calor específico caracteriza uma substância (em determinado estado físico).
A capacidade térmica caracteriza o corpo, enquanto que o calor específico caracteriza a substância que o constitui. Dois corpos de massas e de substâncias diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica. Dois corpos de massas diferentes e de mesma substância possuem capacidades térmicas diferentes, mas o mesmo calor específico.
Estas grandezas estão também relacionadas com as interações intermoleculares, a estabilidade de uma fase, a condutividade térmica e a capacidade de armazenar energia.
Analisando isso, este trabalho tem como objetivo determinar o calor específico da água, caracterizando a substância.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
CALOR ESPECÍFICO
Se considerarmos dois corpos em um ambiente isolado termicamente, onde a temperatura do corpo A é maior que do corpo B, ao colocarmos ambos próximos, após um tempo percebemos que ambos têm a mesma temperatura. Assim podemos concluir que houve um fluxo de energia térmica entre estes corpos, a esse fluxo de energia damos o nome de calor.
Calor é a energia térmica em trânsito entre corpos de diferentes temperaturas.
Calor específico é uma grandeza física que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor. Também é chamado de capacidade térmica mássica. É constante para cada substância em cada estado físico. Pode-se dizer que o calor específico caracteriza uma substância (em determinado estado físico). Em outras palavras, calor específico consiste na quantidade de calor que é necessária fornecer à unidade de massa de uma substância para elevar a sua temperatura de um grau, quanto maior o calor específico de um corpo mais "difícil" é elevar sua temperatura. Quando a capacidade calorífica é dada para um mol de substância, esta passa a designar-se capacidade calorífica molar ou calor específico molar, que pode ser medido usando um calorímetro.
Definem-se calores específicos a pressão constante e a volume constante, representados, respectivamente, por Cp e por Cv, ambos dependentes da temperatura.
A unidade no SI para calor específico é J/(kg.K) (joule por quilogramas por Kelvin). Uma outra unidade mais usual para calor específico é cal/(g.°C) (caloria por grama por grau celsius).
2. CALORÍMETRO
O calorímetro é um aparelho isolado termicamente do meio ambiente e muito utilizado nos laboratórios para fazer estudos sobre a quantidade de calor trocado entre dois ou mais corpos de temperaturas diferentes. É um recipiente de formato bem simples, construído para que não ocorra troca de calor entre o mesmo e o meio ambiente. Existem vários formatos de calorímetro, mas todos são constituídos basicamente de um recipiente de paredes finas que é envolvido por outro recipiente fechado de paredes mais grossas e isolantes. O calorímetro evita a entrada ou saída de calor assim como na garrafa térmica, por exemplo.
Nesse instrumento de estudo, são colocados dois acessórios: um termômetro e um agitador. Este último é muito utilizado quando se realiza estudos térmicos com líquidos como a água, por exemplo. Ele serve para agitar o sistema e fazer com que ele alcance o equilíbrio térmico mais rapidamente. Ao colocar dois corpos com diferentes temperaturas no interior de um calorímetro, acontecerá a troca de calor entre os mesmos até que o equilíbrio seja atingido. É muito comum falar que dentro de um calorímetro o calor cedido por um corpo é igual ao calor recebido pelo outro corpo. Através desta igualdade, podemos determinar várias grandezas térmicas de um material como, por exemplo, a capacidade térmica e o calor específico.
Calorímetro
3. O EFEITO JOULE
O Efeito Joule consiste na dissipação de energia elétrica sob forma de energia térmica em um condutor, no qual se estabelece uma corrente. Esse efeito tem aplicação prática, por exemplo, em aquecedores elétricos.
A energia E dissipada em um aquecedor elétrico, em um intervalo de tempo t, é dada por
E = I V t,
em que V é a tensão elétrica e I a corrente no aquecedor, quando ambas são mantidas constantes.
Na medição do calor específico, através do calorímetro, observamos esse efeito. A situação ilustrada na Fig. 1 apresenta um calorímetro, que consiste de um recipiente termicamente isolado que contém um aquecedor elétrico e um termômetro. O aquecedor é alimentado com uma tensão V, estabelecendo-se, assim, uma corrente elétrica I. O calorímetro contém uma massa m de água.
Figura 1 - Um aquecedor é ligado à rede elétrica e aquece uma quantidade de água de massa m.
A energia transferida para o calorímetro é responsável pela elevação da temperatura T do sistema. A quantidade de calor Q absorvida é Q = CS T, em que CS é a capacidade térmica do sistema (calorímetro + água) e T é a conseqüente variação de temperatura. Desprezando-se a capacidade térmica do calorímetro, tem-se CS = mc, em que m e c são respectivamente a massa e o calor específico da água.
Nas condições descritas, ligando-se o aquecedor durante certo tempo, a temperatura da água é dada por
em que To é a temperatura inicial (em t = 0) e T, a temperatura medida no tempo t.
Portanto, mantendo-se V e I constantes, a temperatura do sistema cresce linearmente com o tempo.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O experimento consiste em fornecer energia elétrica a um aquecedor enquanto se mede a temperatura T da água em função do tempo t. Para isso, usa-se uma montagem como a mostrada na Fig. 1. O aquecedor é ligado diretamente à rede elétrica.
Mediu-se a temperatura inicial da água. Ligou-se o circuito e iniciou-se a medida de tempo simultaneamente, anotando o valor da corrente no circuito. Obteve-se valores da temperatura da água em função do tempo até cerca de 10°C acima da temperatura inicial.
RESULTADOS
1- Dedução da fórmula
E=Q
IVt=mc T
T=IVtmc
T=T0+IVtmc (1)
Utilizando a equação acima e os valores de V=8Volts e I=0,63ª e m=0,1481Kg completou-se a tabela abaixo.
Tabela 1
Tempo(s)
Temperatura(C°)
Calor específico da água(J/kg.K)
0
32
Média=3382,135
101
33
3928,156
177
34
3441,998
250
35
3241,054
345
36
3354,49
418
37
3251,424
490
38
3176,232
597
39
3316,986
694
40
3373,936
776
41
3353,41
870
42
3383,66
Com os valores da tabela montou-se o seguinte gráfico:
O erro relativo em relação ao valor do calor específico da água 4180J/kg.K é de aproximadamente 19%.
CONCLUSÃO
Podemos perceber que o calor específico da água no intervalo de temperatura estudado não varia bruscamente, como mostra o gráfico. Os possíveis interferentes nos valores de calor específico são as medidas de tempo, pois as outras variáveis foram medidas com instrumentos com precisão relativamente alta.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.if.ufrgs.br – instituto de física, ufrgs
http://pt.wikipedia.org - A enciclopédia livre (consultado 03h20min (UTC); quarta-feira, 13 de julho de 2011)
http://www.infopedia.pt – calorímetro. In Infopédia [Em linha]. Porto: Porto Editora, 2003-2011. [Consult. 2011-07-13].
Resnick, Halliday, Krane – Física 2 , quinta edição, LTC
