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SUMÁRIO
1. Resumo.................................................................................................................. 3
2. Objetivos ................................................................................................................ 4
3. Fundamento teórico .............................................................................................. 5
4. Metodologia .......................................................................................................... 7
5. Procedimento experimental .................................................................................. 8
6. Resultados e Discussão ...................................................................................... 10
7. Observações e conclusões .................................................................................. 13
8. Bibliografia............................................................................................................. 14
1. Resumo
Por meio desse desenvolvimento experimental busca-se verificar como ocorre o equilíbrio térmico de um sistema. Medimos para isso a capacidade térmica de um calorímetro experimental e encontramos os calores específicos de diversos materiais sólidos (aço, alumínio e PVC). Utilizando conceitos de termodinâmica alcançamos resultados que satisfazem ao esperado em teoria.
2. Objetivos
Verificar experimentalmente, como ocorre o equilíbrio térmico, utilizando um calorímetro.
Medida da Capacidade Térmica de um calorímetro experimental.
Mostrar a aplicação do calorímetro para medir o calor específico de vários materiais sólidos.
3. Fundamento teórico
Calor é o fluxo de energia de um objeto para outro devido a uma diferença de temperatura, uma vez que o calor é uma forma de energia, ele pode ser medido. A parte da física que estuda os fenômenos associados as trocas desse tipo de energia(calor) é a calorimetria.
O princípio básico da calorimetria é o de que se vários corpos, no interior de um recipiente isolado termicamente, trocam calor, os de maior temperatura cedem calor aos de menor temperatura, até que se estabeleça um equilíbrio térmico.
Substâncias diferentes possuem diferentes capacidades de armazenamento de energia interna, ou seja, diferentes materiais requerem diferentes quantidades de calor para elevar a temperatura de uma determinada quantidade desse material em um determinado número de graus.
Um grama de água ,por exemplo,requer uma caloria de energia para que sua temperatura se eleve em um grau Celsius. Apenas cerca de um oitavo dessa energia é gasto para elevar a temperatura de um grama de ferro na mesma quantidade de graus. A água absorve mais calor do que o ferro para uma mesma variação de temperatura. Diz-se, então, que a água possui capacidade térmica específica (calor específico) maior do que a do ferro.
O calor específico de qualquer substância é definido como a quantidade de calor necessária para alterar a temperatura de uma unidade de massa da mesma em um grau. O calor específico é dado por:
c=ΔQΔT (1)
A capacidade térmica, por sua vez, mede a quantidade de calor necessária para que haja uma variação unitária de temperatura em um determinado corpo.
C= ΔQm.ΔT (2)
A capacidade térmica de um corpo depende do material de que ele é constituído e da sua massa.
C=m.c (3)
Para determinar a capacidade térmica de um calorímetro, utiliza-se o método das misturas e pelo princípio da conservação de energia QPerdido+QGanho= 0 tem-se:
Cc=mq.ca.Ti-Te-ma.ca.(Te-To)te-to (4)
Onde:
mq= Massa de água quente;
ma= Massa de água;
Ti = Temperatura da água aquecida;
Te = Temperatura de equilíbrio do sistema;
To = Temperatura do sistema água calorímetro;
ca = Calor específico da água;
Cc = Capacidade térmica do calorímetro.
Aplicando o mesmo método anterior agora para a determinação do calor específico para um material associado ao princípio de conservação de energia tem-se:
cm=ma.ca.Te-To+Cc.(Te-To)mm.(ti-te) (5)
Onde:
mm= Massa do metal;
ma= Massa de água;
Ti = Temperatura do metal aquecido;
Te = Temperatura de equilíbrio do sistema;
To = Temperatura do sistema água calorímetro;
cm = Calor específico do metal;
ca = Calor específico da água;
Cc = Capacidade térmica do calorímetro.
O calor específico é uma quantidade que varia de material para material e que depende também da temperatura, pressão e volume. A Tabela 1 abaixo fornece o valor de c á temperatura ambiente para alguns materiais.
Tabela1: Calores específicos de metais e algumas substâncias líquidas.
Material
Calor específico (calgºC)
Chumbo
0,0305
Tungstênio
0,0321
Prata
0,5640
Cobre
0,0953
Alumínio
0,2510
Latão
0,0920
Granito
0,1900
Vidro
0,2000
Gelo
0,5300
Mercúrio (liquido)
0,0330
Álcool etílico
0,5800
Água
1,0000
4. Metodologia
Utilizamos um calorímetro experimental.
Utilizamos o conceito de termodinâmica (calorimetria) e um termômetro para calcular a capacidade térmica do calorímetro.
Utilizamos blocos de materiais diferentes e determinamos seus calores específicos.
5. Procedimento experimental
Materiais e equipamentos
Balança digital
Calorímetro
Copo de béquer
Termômetro de mercúrio
Água
Blocos de alumínio, aço e PVC.
Resistência
Figura 1: Calorímetro de misturas e acessórios usados no experimento.
Procedimento
Parte 1: Medida da Capacidade Térmica do calorímetro
1) Colocamos uma quantidade de água no calorímetro, medindo sua massa ma e a temperatura da água no calorímetro.
2) Aquecemos uma certa quantidade de água de massa mq aquecida.
3) Misturamos a água aquecida no calorímetro, esperamos a temperatura estabilizar e medimos a temperatura de equilíbrio.
4) Usando a equação 4, calculamos a capacidade térmica do calorímetro.
5) Repetimos três o processo, do item (1) ao (4), usando o mesmo calorímetro e calculamos o valor médio da capacidade térmica.
Parte 2: Medida do calor específico de alguns sólidos
1) Colocamos uma quantidade de água no calorímetro, que posteriormente cobriu o bloco de metal que seria medido o calor específico cm.
2) A água no calorímetro teve sua massa ma medida, em gramas, e a temperatura da água e do calorímetro to em °C também foi medida.
3) O bloco de metal foi aquecido e colocado dentro do calorímetro, mergulhado dentro da água.
4) Agitamos o sistema água metal. Após alguns minutos, após o sistema estabilizar, medimos a temperatura de equilíbrio te.
5) Usamos a equação 5 para calcular o calor específico do metal. Repetimos o procedimento do item 1 ao 5 e calculamos o calor específico de cada um dos blocos fornecidos.
6) Comparamos os valores obtidos, calculando o erro relativo percentual, em cada caso, em relação ao calores específicos mostrados na tabela 1.
6. Resultados e discussão
O experimento foi dividido em duas partes: a primeira para determinar a medida da Capacidade Térmica do calorímetro e a segunda para calcular os calores específicos de blocos de materiais diferentes (alumínio, aço e PVC).
Parte 1: Medida da capacidade térmica do calorímetro
O início do experimento se deu com a pesagem do calorímetro utilizando uma balança previamente nivelada e tarada. Em seguida, colocamos água fria e medimos a temperatura do sistema água calorímetro. Novamente fizemos a pesagem, dessa vez do sistema água calorímetro, e determinamos a massa da água fazendo a diferença entre a massa total do sistema com a massa do calorímetro.
Utilizando uma resistência esquentamos uma certa quantidade de água e medimos sua temperatura. Posteriormente misturamos esta no calorímetro e, usando o mesmo procedimento que foi utilizado para medir a massa da água fria, determinamos a massa da água quente. Quando a temperatura do sistema estabilizou medimos a temperatura de equilíbrio.
Realizamos estes procedimentos três vezes e, usando a equação 4, calculamos a Capacidade Térmica do calorímetro para cada uma delas, e depois a sua média. Os dados coletados podem ser observados na tabela 2.
Tabela 2: Dados tomados das massas de água fria (mf) e quente (mq) e suas respectivas temperaturas To e Ti, assim como, a sua temperatura de equilíbrio (Te), de um calorímetro de massa 97 g.
Medida
mf (g)
mq (g)
Ti (°C)
To (°C)
Te (°C)
Cc (cal/°C)
1
124,9
81
4
26
26
17,35
2
125,0
81
5
31
31
16,53
3
110,5
80
6
35
35
16,74
Média da Capacidade Térmica
16,87
Parte 2: Medida do calor específico de sólidos
A segunda parte do experimento teve início com a pesagem dos blocos utilizados (alumínio, aço e PVC).
Colocamos água fria no calorímetro e medimos a massa e temperatura do sistema água calorímetro e obtemos a massa da água.
Esquentamos o bloco de alumínio, medimos sua temperatura e colocamos no calorímetro. Quando a temperatura estabilizou, medimos a temperatura de equilíbrio do sistema.
Repetimos os procedimentos e, usando a equação 5, calculamos o calor específico do alumínio e em seguida, sua média. Os dados podem ser observados na tabela 3.
Tabela 3: Dados tomados das massas de água fria (mf), da massa do material alumínio (mm) e suas respectivas temperaturas Tf e Tm, assim como, a sua temperatura de equilíbrio (Te). Estes dados serão utilizados para determinar o calor específico do material cm.
n
mf (g)
mm (g)
Tf (°C)
Tm (°C)
Te (°C)
Cm (cal/°C)
1
84,1
30,6
7
62
11
0,259
2
166,3
30,6
9
80
12
0,253
Média do calor específico
0,256
Para determinar o calor específico do aço, repetimos os procedimentos anteriores. Os dados referentes a este procedimento podem ser observados na tabela que segue.
Tabela 4: Dados tomados das massas de água fria (mf), da massa do material aço (mm) e suas respectivas temperaturas Tf e Tm, assim como, a sua temperatura de equilíbrio (Te). Estes dados serão utilizados para determinar o calor específico do material cm.
n
mf (g)
mm (g)
Tf (°C)
Tm (°C)
Te (°C)
Cm (cal/°C)
1
122,1
96,7
4
85
10
0,115
2
110,2
96,7
3
92
10
0,112
Média do calor específico
0,113
Buscando alcançar o valor do calor específico do PVC foi necessário repetir os procedimentos já realizados anteriormente.
Os dados coletados seguem na tabela 5.
Tabela 5: Dados tomados das massas de água fria (mf), da massa do material PVC (mm) e suas respectivas temperaturas Tf e Tm, assim como, a sua temperatura de equilíbrio (Te). Estes dados serão utilizados para determinar o calor específico do material cm.
n
mf (g)
mm (g)
Tf (°C)
Tm (°C)
Te (°C)
Cm (cal/°C)
1
91,3
13,8
3
94
7
0,360
2
108,2
13,8
6
90
9
0,335
Média do calor específico
0,348
Tabela de resultados:
A partir de todos os dados coletados e o cálculo da média dos calores específicos de cada material utilizado, foi possível determinar os erros percentuais que cada um dos resultados apresenta em relação aos valores esperados com base na teoria.
Esses dados podem ser observados na tabela 6.
Tabela 6: Valores dos calores específicos teóricos (cm-teórico) e experimental (cm-experimental), assim como, o erro porcentual (er) correspondente a cada material.
Material
Cm (cal/°C)
Cm (cal/°C)
er (%)
Alumínio
0,251
0,256
2,0
Aço
0,109
0,113
3,7
PVC
0,250-350
0,348
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7. Observações e conclusões
A partir deste desenvolvimento experimental foi possível determinar a capacidade térmica do calorímetro experimental e o calor específico de três materiais: alumínio, aço e PVC.
Comparando os resultados aos valores esperados, pode-se perceber que os calores específicos do alumínio e do aço determinados experimentalmente são bem próximos do que é considerado correto, portanto, apresentam baixo percentual de erro. O erro do PVC não se pode determinar, já que o resultado esperado apresenta um taxa e não um valor específico, mas é possível perceber que o valor obtido encontra-se dentro dessa faixa esperada.
Assim, os resultados podem ser considerados válidos a partir do momento que se assemelham ao esperado.
8. Bibliografia
[1] HALLIDAY, D., R. RESNICK Y K. S. KRANE, Física IV, Ed. LTC;
[2] PROFESSOR: DR. ENRIQUE PETER RIVAS PADILLA. Roteiro experimental, 2010.
