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Introdução
Até o final do século XVIII, acreditava-se que o calor era um fluido indestrutível, denominado calórico, e que era capaz de fluir, sem perdas, de um corpo de maior temperatura para outro de menor temperatura.1 Depois das observações de Rumford e Davy, na transição do século XVIII e XIX, que mostraram que por fricção podem ser geradas quantidades ilimitadas de calor, concluiu-se que o calor é uma forma de energia que pode ser transferida de um sistema para outro por diferentes processos (condução, convecção e irradiação térmica).1
A matéria pode emitir ou absorver calor. A emissão ou absorção de calor faz com que a temperatura de um objeto varie. Esta variação de temperatura sofrida por um objeto que absorve certa quantidade de energia é denominada capacidade calorífica deste objeto. Mais especificamente, a capacidade calorífica de um objeto é a quantidade de energia necessária para elevar a sua temperatura em 1ºC ou 1K. Para as substâncias puras, a capacidade calorífica é dada para uma quantidade específica de substância, geralmente, para 1 mol. Então, tem-se a chamada capacidade calorífica molar, que é a quantidade de energia necessária para aumentar em 1K ou 1ºC a temperatura de 1 mol de substância. Existe também a capacidade calorífica específica ou simplesmente calor específico de uma substância, que é a energia necessária para elevar de 1K ou 1ºC a massa de 1g da substância.2 O calor específico de uma substância é calculado por:
= qm . T
Pode-se medir experimentalmente o fluxo de calor associado a uma transformação medindo-se a variação de temperatura produzida,2 já que a temperatura é uma medida direta da quantidade de calor de um sistema. O aparelho utilizado para medir o fluxo de calor é chamado calorímetro.2
Calorímetros são aparelhos simples, construídos para que isolar termicamente o seu interior, para que não ocorram trocas de calor entre o interior e o ambiente externo. Existem vários modelos de calorímetro, mas todos se baseiam na mesma estrutura: um recipiente de paredes finas envolvido por outro recipiente fechado e com paredes grossas e isolantes. Este recipiente, em montagens laboratoriais, é chamado de frasco de Dewar. Neste instrumento, são colocados dois acessórios: um termômetro e um agitador. O termômetro obviamente é usado para aferição da temperatura do sistema, e o agitador é usado para homogeneizar o sistema e fazer com que ele entre em equilíbrio térmico mais rapidamente.3 O esquema do calorímetro pode ser visto na figura 1:
Figura 1 - Esquema de montagem de um calorímetro.
Se considerarmos que o calorímetro tem isolamento térmico perfeito, então as diferenças de temperatura se devem somente às transformações termodinâmicas ocorridas dentro do calorímetro. Ou seja, se acaso ocorre uma reação química dentro do calorímetro, o aumento ou a diminuição da temperatura se deve ao calor consumido ou desprendido da reação. Se amostras de uma mesma substância, mas de temperaturas diferentes são adicionadas ao calorímetro, a diferença de temperatura se deve ao processo de equilíbrio térmico que ocorre entre as amostras. Desta forma, através de relações entre valores de massa, temperatura e calor específico, pode-se determinar valores de capacidade calorífica. A relação utilizada para calcular o calor específico de um calorímetro em que são adicionadas amostras de uma mesma substância com temperaturas diferentes é:
Tf- T1+ m1cTf- T1= m2cT2- Tf
Onde é a capacidade calorífica do calorímetro, Tf é a temperatura final do sistema, T1 é a temperatura inicial da primeira amostra, T2 é a temperatura inicial da segunda amostra, m1 é a massa da primeira amostra, m2 é a massa da segunda amostra e c é o calor específico da substância.
Objetivos
Determinar a capacidade calorífica de um calorímetro a partir da troca de calor entre duas amostras de uma mesma substância.
Procedimento Experimental
Materiais utilizados
- Frasco de Dewar;
- Rolha de isopor;
- Termômetros;
- Agitador de metal;
- Água destilada;
- Provetas;
- Béquer;
- Bico de Bunsen;
- Suporte universal;
- Garra.
Procedimento
O calorímetro foi montado utilizando o frasco de Dewar, tampado com a rolha de isopor, onde encaixou-se um termômetro e o agitador, de forma que alcaçasem a amostra colocada dentro do calorímetro. O calorímetro foi preso ao suporte universal pela garra.
Aqueceu-se então 200 ml de água em um béquer, até pouco mais de 80ºC. Adicionou-se 200 ml de água fria, a 23ºC ao calorímetro. Em seguida, mediu-se 100 ml da água quente em uma proveta, aferiu-se a temperatura, que estava em torno de 71ºC, após ser transferida do béquer para proveta, e adicionou-se esta água ao calorímetro.
Com o agitador, o sistema formado pela água quente e a água fria foi homogeneizado, agitando-se com o agitador, até que o sistema atingisse o equilíbrio térmico. Mediu-se então a temperatura final atingida após o equilíbrio ter sido alcançado.
Resultados e discussões
Na pratica realizada, o calorímetro foi montado utilizando-se três acessórios: um termômetro, um agitador e uma tampa de isopor, além do frasco de Dewar, que atuou como o recipiente.
Foram utilizadas duas amostras de substâncias iguais, porém, de massas e temperaturas diferentes, como mostra a tabela A:
Amostra 1
Amostra 2
Temperatura (K)
296
344
Massa (g)
200
100
Tabela A: medidas relativas às amostras de água.
Substancia1 (água temperatura ambiente): temperatura inicial medida calorímetro + água;
Substancia 2 (água aquecida): temperatura inicial medida na proveta, recipiente o qual se usou para transferir a água para o calorímetro.
Sendo assim, sabemos que o calor especifico das substancia 1 e 2 são iguais pois se trata de água destilada, porem em massas diferentes.
Logo depois de adicionarmos a água em temperatura ambiente no calorímetro, adicionamos então a água aquecida e tampou-se com a tampa de isopor. Usou-se o agitador para homogeneizar o sistema para que o equilíbrio térmico fosse alcançado mais rapidamente, e utilizou-se o termômetro para verificar a temperatura, que ao atingir o equilíbrio térmico, foi de 37ºC ou 310K.
Logo, podemos então determinar a capacidade calorífica do calorímetro de numeração 01 do laboratório, usando-se a formula:
C(Tf – T1) +m1c (Tf – T1) = m2c (T2 –Tf)
Sendo:
C: capacidade calorífica do calorímetro J K-1;
T1: temperatura inicial do sistema (calorímetro + 200 ml de água destilada a temperatura ambiente);
T2 : temperatura da água aquecida;
Tf: temperatura final do sistema homogeneizado;
c: calor especifico da água ( 1,0 cal K-1g-1 ou 4,184 J K-1g-1)
m1: massa da água temperatura ambiente;
m2: massa da água aquecida.
C (310K–296K)+200g.4,184JK-1g-1 (310K-296K) = 100g.4,184JK-1g-1 (344K-310K)
C (14K) + 836,8JK-1.(14K) = 418,4JK-1.(34K)
C (14K) + 11715,2J = 14225,6J
C (14K) = 14225,6J - 11715,2J
C (14K) = 2510,4J
C = 2510,4J / 14K
C = 179,31 JK-1
O valor da capacidade calorífica que foi encontrado corresponde à quantidade de calor que foi necessária para fornecer para elevar a temperatura do sistema em 1K ou 1ºC.
Conclusões
Através deste experimento pode-se usar a capacidade calorífica para relacionar a variação de temperatura provocada no calorímetro.
A capacidade calorífica nos permitiu interpretar o aumento de temperatura em termos de calor fornecido.
Referências
1 ROZENBERG, I. M. Química geral. São Paulo: Edgar Blücher, 2002.
2 BROWN, T. L.; LEMAY, E.; BURTSTEN, B. E. Química: a ciência central. Tradução de Robson Matos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.
3 Calorímetro. Disponível em http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/calorimetro.htm, acesso em 17/04/2010.
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