Relatório de laboratório de física II - capacidade térmica

Relatório de laboratório de física II - capacidade térmica

CAPACIDADE TÉRMICA

INTRODUÇÃO:

Os filósofos gregos dos séculos V e VI a.C., Empédocles, Aristóteles e outros, acreditavam que o fogo, ao lado da água, da terra e do ar, era um dos elementos formadores da natureza. Essa idéia sobreviveu por quase dois mil anos, incluindo-se nesse período os alquimistas, que admitiam ter o fogo um poder extraordinário para levá-los ao encontro da pedra filosofal e do elixir da vida. Em 1661, o químico irlandês Robert Boyle (1627-1691), contemporâneo de Newton, em sua obra "O químico cético", emitiu com precisão o conceito de elemento químico. Entretanto Boyle, ainda incluía o fogo como um desses elementos. Alguns anos depois, o médico do rei da Prússia, Georg Stahl, criou a idéia do flogístico. Segundo ele, o flogístico era o princípio do fogo. Um corpo ao ser queimado perdia o flogístico e virava cinza; ao se aquecer um corpo, este recebia flogístico; ao se resfriar, o corpo perdia flogístico. Antoine Laurent Lavoiser (1743-1794) derrubou definitivamente, em 1777, a teoria do flogístico, explicando a combustão como uma simples reação com o oxigênio. Lavoisier introduziu o termo calórico para descrever o elemento imponderável responsável pelo aquecimento dos corpos, por algumas reações químicas. Em colaboração com Pierre Simon Laplace (1749-1827), fez importantes estudos sobre o calor liberado na combustão. O grande prestígio científico de Lavoisier fez com que essa idéia do calórico tivesse aceitação, embora ela nunca obtivesse unanimidade.

Em 1798, Benjamin Thompson (1753-1814), conde de Rumford - físico americano refugiado na Inglaterra, trabalhando em Munique, na Alemanha, ficou impressionado com o intenso aquecimento dos cilindros de latão perfurados para serem utilizados em canos de canhões. Rumford realizou diversas experiências para entender melhor esse aquecimento e, em todas ficou claro que o calor não poderia ser um fluido, a hipótese de ser originário do movimento era bem mais aceitável. A idéia atual de que calor é energia, surge então com Rumford. A equivalência entre calor e energia mecânica foi determinada por Julius Robert Mayer (1814-1878) em 1842 e, com mais precisão, por James Prescott Joule (1818-1889) em 1843, quando a idéia do calórico não foi mais aceita. Entre 1850 e 1870 a longa marcha para a teoria completa do calor é elaborada por William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin (1824-1907), Joule, Hermann von Helmholtz (1821-1894) e Rudolf Clausius (1822-1888).

Temos que o calor é uma das duas formas disponíveis para se transferir energia de um sistema a outro e expressa a quantidade de energia transferida através da fronteira comum aos sistemas.

Temos que energia é uma das duas grandezas físicas necessárias à correta descrição do inter-relacionamento (sempre mútuo) entre dois entes ou sistemas físicos. A segunda grandeza é o momento. Os entes ou sistemas em interação trocam energia e momento, mas o fazem de forma que ambas as grandezas sempre obedeçam à respectiva lei de conservação.

Então, se calor é energia, podemos afirmar que o calor obedece à lei de conservação.

Em física, a lei ou princípio da conservação de energia estabelece que a quantidade total de energia em um sistema isolado permanece constante. Uma consequência dessa lei é que energia não pode ser criada nem destruída: a energia pode apenas transformar-se.

Como o calor é a energia térmica em trânsito, sua quantidade pode ser medida com a mesma unidade que medimos energia. No sistema Internacional de unidades, (SI), a quantidade de calor é medida em Joule (J). Contudo, usa-se com freqüência a unidade denominada caloria (cal).

A caloria é a quantidade de calor necessária para a temperatura de 1 grama de água, sob pressão normal, se elevar de 14,5°C para 15,5°C.

1 cal = 4,158 joules (I)

quantidade de calor trocado (cedida ou recebida) por um corpo é proporcional a sua massa, do material de que é constituído o corpo e da variação de temperatura que o corpo sofre. Esta quantidade de calor é dada pela equação abaixo:

Q = m.c.∆T (II)

Onde Q é a quantidade de calor trocado, m é a massa do corpo, c é uma constante chamada calor específico e, ∆T é a variação de temperatura.

De acordo com a lei da conservação:

Capacidade térmica ou capacidade calorífica é a grandeza física que determina o calor que é necessário fornecer a um corpo para produzir neste uma determinada variação de temperatura. A unidade usada no SI é J/K (Joule por Kelvin). A capacidade calorífica está também relacionada com as interações intermoleculares, a estabilidade de uma fase, a condutividade térmica e a capacidade de armazenar energia.

A capacidade térmica caracteriza o corpo, e não 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.

A grandeza que caracteriza uma substância é o calor específico.

Uma substância é qualquer espécie de matéria formada por átomos de elementos específicos em proporções específicas.

O 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).

A unidade no SI é J/(kg.K) (joule por quilogramas por Kelvin). Outra unidade mais usual para calor específico é cal/(g.°C) (caloria por grama por grau celsius).

O estudo da termodinâmica se baseia em leis que foram estabelecidas experimentalmente.

Leis da Termodinâmica:

  • Lei zero da Termodinâmica: diz que quando dois corpos possuem temperaturas iguais em relação a um terceiro, diz-se que eles têm igualdade de temperatura entre si. 

  • Primeira Lei da Termodinâmica: ela fornece um aspecto quantitativo da conservação da energia. Lembrando que a conservação da energia diz que “na natureza nada se perde nada se cria, tudo se transforma”. 

  • Segunda Lei da Termodinâmica: fornece aspectos qualitativos de processos em sistemas físicos, ou seja, ela diz que um processo pode ocorrer tanto em uma direção como em outra. 

  • Terceira Lei da Termodinâmica: diz respeito a um ponto de referência para fazer a determinação da entropia do sistema.

OBJETIVO:

Através da aplicação da lei da conservação de energia, descobrir o produto entre calor específico e a massa do calorímetro, ou seja, capacidade térmica, e utilizar este valor para descobrir o calor específico do alumínio, relacionando a lei com a fórmula da quantidade de calor.

MATERIAIS UTILIZADOS:

  • 02 Beckers;

  • 01 Calorímetro;

  • 01 Ebulidor;

  • 01 Balança;

  • 01 Corpo de Alumínio;

  • 01 Proveta 150ml;

  • 01 Termômetro.

PROCEDIMENTOS:

Experimento 1. Capacidade térmica do calorímetro

  • Montamos o experimento;

  • Enchemos um becker com água;

  • Medimos a temperatura da água;

  • Colocamos água no calorímetro;

  • Usamos o ebulidor para aquecer a água restante no becker;

  • Medimos a temperatura da água;

  • Colocamos aproximadamente 60ml de água quente no calorímetro;

  • Fechamos o calorímetro e o agitamos;

  • Esperamos alguns minutos e fizemos a leitura da temperatura.

Experimento 2. Calor específico do alumínio

  • Preparamos os materiais;

  • Enchemos um Becker com água;

  • Medimos a temperatura da água;

  • Colocamos água no calorímetro;

  • Usamos o ebulidor para aquecer a água restante no becker;

  • Medimos a temperatura da água;

  • Colocamos o corpo de alumínio na água quente;

  • Após algum tempo retiramos o corpo de alumínio da água quente;

  • Colocamos o corpo de alumínio no calorímetro;

  • Após alguns minutos medimos a temperatura do sistema.

RESULTADOS E CONCLUSÃO:

Experimento 1. Capacidade térmica do calorímetro

Massa de água fria m1 = 65.78g

Massa de água quente m2 = 104.66g

Temperatura ambiente = 22ºC

Temperatura ambiente = temperatura da água fria T1 = temperatura do calorímetro T2.

Temperatura da água quente T3 = 79ºC

Temperatura final TF = 51ºC

c1 = c2 = cágua = 1 cal/ºC.g

Seja C= Capacidade térmica do calorímetro, segundo a relação (III) temos:

Qágua fria + Qcalorímetro + Qágua quente = 0

m1.c1.(TF-T1) + C.(TF-T2) + m3.c3.(TF-T3) = 0

65.78 . 1 . (51 - 22) + C . (51 - 22) + 104.66 . 1 . (51 – 79) = 0

C = 35.27 cal/ºC

Experimento 2. Calor específico do alumínio

Massa de água fria m1 = 80.98 g

Massa de alumínio mal = 30.04 g

Temperatura ambiente = 24 ºC

Temperatura ambiente = temperatura da água fria T1 = temperatura do calorímetro T2.

Temperatura do alumínio Tal = 75 ºC

Temperatura final TF = 27 ºC

c1 = c2 = cágua = 1 cal/ºC.g

C= 35.27 cal/ºC

Segundo a relação (III) temos:

Qágua fria + Qcalorímetro + Qal = 0

m1.c1.(TF-T1) + C.(TF-T2) + mal.cal.(TF-Tal) = 0

80.90 . 1 . (27 - 24) + 35.27 . (27 - 24) + 30.04. cal . (27 – 75) = 0

cal = 0.24 cal/ºC.g

No sistema água fria + água quente + calorímetro, relacionamos o calorímetro com a grandeza Capacidade Térmica, C, já que se tratava de um corpo, então pudemos usar C = ccalorímetro.mcalorímetro não precisando assim descobrir qual a massa e o calor latente do calorímetro.

Depois de achada a Capacidade Térmica do calorímetro, pudemos alternar o sistema para água fria + corpo de prova de alumínio + calorímetro, e então achar o calor latente do alumínio pela relação (III) da conservação de energia.

Temos que o valor tabelado do calor específico do alumínio é de: 0.22 cal/ºC.g e o valor que encontramos experimentalmente é de 0.24 cal/ºC.g. Podemos dizer que o valor encontrado é bem próximo do valor tabelado.

Com estes valores, podemos comprovar que o calor se comporta como energia, obedecendo a Primeira Lei da Termodinâmica, ou seja, a Lei da Conservação da Energia.

Podemos observar também que os sistemas colocados em contato entre si tendem a entrar em equilíbrio térmico.

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