Relatorio final fisica 23

Relatorio final fisica 23

FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO TOCANTINS

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE PALMAS

  1. ENGENHARIA AMBIENTAL

Física 2

Aula prática: Calorimetria

Experimento 1 - Determinação da capacidade térmica de um calorímetro

Experimento 2 - Determinação do Equivalente Mecânico do calor

Experimento 3 - Determinação do calor específico de um corpo de prova

Acadêmicos: Diogo Jobane Neto

Haiany Cristina Ribeiro de Miranda

Marcelo Henrique de Castro

Nanini Castilhos de Rabelo e Sant´Anna

Priscila de Souza Seckler

PALMAS-TO/ 2010

SUMÁRIO

    1. 1-OBJETIVOS....................................................................................................04

    2. 2- INTRODUÇÃO...............................................................................................05

    3. 3- MATERIAIS UTILIZADOS.............................................................................08

    4. 4- MÉTODOS UTILIZADOS..............................................................................10

    5. 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES..................................................................11

    6. 6- CONCLUSÃO................................................................................................15

    7. 7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................16

LISTA DE FIGURAS

  1. Figura 1: Materiais utilizados no aquecimento da água.................................................09

  2. Figura 2:Calorímetro elétrico e termômetro..................................................................09

  3. Figura 3: Fonte CC regulável.....................................................................................09

  4. Figura 4:Chave multiuso CIDEPE................................................................................09

  5. Figura 5: Multímetro- MD-5770 A/ ICEL GUBIN.............................................................09

1- OBJETIVOS

Experimento 1

Ao término desta atividade, o aluno deverá ser capaz de:

  • Perceber certas trocas de calor envolvidas num processo térmico.

  • Determinar a capacidade térmica de um calorímetro.

Experimento 2

Ao término desta atividade, o aluno deverá ser capaz de:

  • Identificar e/ou descrever quantidade de calor, capacidade térmica, calor específico e principio de equilíbrio térmico.

  • Comparar quantidade de calor com capacidade térmica.

  • Comparar capacidade térmica com calor específico

  • Concluir que os diferentes corpos em deferentes temperaturas, quando postos em contato térmico, trocam calor até atingirem o equilíbrio térmico.

  • Concluir que a energia transformada nos geradores e receptores não é criada nem destruída, mas sim transformada em outra modalidade de energia.

  • Utilizar os conhecimentos adquiridos na construção de um circuito simples.

  • Comparar e identificar a maneira correta de conectar o amperímetro e o voltímetro num circuito simples

Experimento 3

Ao término desta atividade, o aluno deverá ser capaz de:

  • Perceber certas trocas de calor num processo térmico.

  • Determinar o calor específico de um corpo de prova.

    1. 2- INTRODUÇÃO

Termologia é a parte da física que estuda o calor, ou seja, ela estuda as manifestações dos tipos de energia que de qualquer forma produzem variação de temperatura, aquecimento ou resfriamento, ou mesmo a mudança de estado físico da matéria, quando ela recebe ou perde calor. A termologia estuda de que forma esse calor pode ser trocado entre os corpos, bem como as características de cada processo de troca de calor.

Calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor. Calor significa uma transferência de energia térmica de um sistema para outro, ou seja: podemos dizer que um corpo recebe calor, mas não que ele possui calor. A Calorimetria é uma ramificação da termologia.

As trocas de calor entre dois corpos de diferentes temperaturas podem proporcionar tanto uma mudança em seus estados de agregação molecular, como em suas temperaturas; sendo conveniente ressaltar que tais mudanças nunca ocorrem simultaneamente.

Calor sensível e calor latente

O calor latente é a quantidade de calor necessária para se variar o estado físico da matéria sem variar a temperatura. Acontece, por exemplo, no derretimento do gelo, onde podemos analisar a água no estado líquido e no estado sólido à mesma temperatura. Essa temperatura é chamada de temperatura de fusão do gelo, que em condições normais de temperatura e pressão corresponde a 0º C ou 273 K (SI). O calor latente pode ser calculado usando a equação:

Já o calor sensível ou especifico é a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de um corpo sem que haja variação do estado físico da matéria, ou seja, se um corpo está no estado sólido, sua temperatura pode variar para mais ou para menos e seu estado de agregação das moléculas continua o mesmo (sólido). A equação que mede a quantidade de calor cedida ou recebida por um corpo é:

Para o caso da água, o calor específico foi convencionado ser de 1 cal/kg. Quando a capacidade calorífica é dada para uma mol de substância, esta passa a designar-se capacidade calorífica molar ou calor específico molar.Definem-se calores específicos a pressão constante e a volume constante, representados, respectivamente, por Cp e por Cv, ambos dependentes da temperatura. O calor específico pode ser medido usando um calorímetro.

Capacidade térmica

A capacidade térmica mede a quantidade de calor necessária para que haja uma variação unitária de temperatura e está relacionada diretamente com a massa do corpo.

Unidade de Capacidade Térmica: U (C) = 1 cal /ºC

Unidade de Capacidade Térmica - Sistema Internacional de Unidades: U (C) = 1 J /1ºC

Fornecendo a mesma quantidade de calor para uma massa m de água e para outra massa três vezes maior de água, 3 m, observa-se experimentalmente que para que tenham a mesma variação de temperatura é necessário fornecer uma quantidade de calor três vezes maior para a de massa 3 m que para a de massa m. Temos, portanto, que a quantidade de calor é diretamente proporcional à variação de temperatura. A constante de proporcionalidade é denominada capacidade térmica.

Calorímetro

O calorímetro é um aparelho isolado termicamente do meio ambiente e muito utilizado nos laboratórios de ensino 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.

Equilíbrio Térmico

A quantidade de energia térmica transferida da substância de maior temperatura para a de menor temperatura, é associada à quantidade de calor que a substância de menor energia irá receber. Após certo tempo, a temperatura atinge um valor constante, ou seja, atingiram um equilíbrio térmico, estão com a mesma energia térmica. Na situação de equilíbrio térmico, em um sistema isolado (adiabático), temos que pelo princípio da conservação da energia, a quantidade de calor perdida ou cedida por uma substância de maior energia é igual à quantidade de calor ganha pela substância de menor energia. De uma forma geral, temos que:

Qganho = Qperdido

Equivalente mecânico do calor

O equivalente mecânico do calor foi um conceito que teve uma parte importante no desenvolvimento e aceitação da conservação da energia e no estabelecimento da ciência da termodinâmica no século XIX. O conceito estabelece que o movimento e o calor são mutuamente intercambiáveis e que em cada caso, uma dada quantidade de trabalho irá gerar a mesma quantidade de calor.

O equivalente mecânico do calor consiste num fator constante que relaciona caloria (unidade de calor do sistema c.g.s.) com joule (unidade de energia do sistema SI), sendo essa relação de 4,1868 J (joule) por cal (caloria). Inicialmente, este valor pretendia relacionar o calor com a energia mecânica. Hoje se sabe que o calor não é mais do que uma forma de energia e, se todas as grandezas forem expressas no mesmo sistema de unidades, o equivalente mecânico do calor é uma redundância, sendo o seu valor de 1.

3- MATERIAIS UTILIZADOS

Experimento 1 – Determinação da capacidade térmica de um calorímetro

  • Calorímetro

  • Termômetro - Incotepm

  • 100 ml de água destilada a temperatura ambiente

  • Copo de becker vazio- Vidrolador 250 ml

  • Pano de limpeza

Experimento 2 – Determinação do equivalente mecânico do calor

  • Calorímetro elétrico com capacidade térmica conhecida (EXP-2)

  • Fonte CC regulável – EMG 18136

  • Chave multiuso – CIDEPE

  • Multímetro – MD-5770 A/ ICEL GUBINTEC

  • Cronômetro ou relógio de pulso

  • 150 ml de água gelada

  • 150 ml de água a temperatura ambiente

Experimento 3 – Determinação do calor específico de um corpo de prova

  • Calorímetro com capacidade térmica conhecida

  • Corpo de prova de alumínio e outro de cobre

  • Termômetro – Incotepm

  • Pano de limpeza

As figuras a seguir mostram exemplos dos equipamentos utilizados para o desenvolvimento dos experimentos.

Figura 2: calorímetro elétrico e termômetro

Figura 3: Fonte CC regulável

Figura 4: Chave multiuso CIDEPE Figura 5: Multímetro- MD-5770 A/ ICEL GUBIN

O equipamento foi montado sobre a bancada do laboratório e nivelado antes de dar início às medidas.

4- MÉTODOS UTILIZADOS

Experimento 1 – Determinação da capacidade térmica de um calorímetro

Foi colocado no calorímetro 50ml de água “fria” à uma temperatura 10ºC abaixo da temperatura ambiente, e então o termômetro foi introduzido no sistema que foi tampado. No béquer foi adicionada água “morna” com temperatura 10ºC acima da temperatura ambiente e introduzido no sistema, então foi verificado a temperatura inicial (ta) da água fria já contida no calorímetro, e também foi verificado a temperatura da água morna contida no béquer. Então a água morna foi derramada no interior do calorímetro que então foi fechado, agitado e colocado o termômetro que verificou depois de 3 minutos uma temperatura (tc).

Experimento 2 – Determinação do equivalente mecânico do calor

Foi medida com o multímetro a resistência do calorímetro. Então com a chave desligada foi feito a montagem do sistema de medição com tensão ajustada em 15VCC para evitar grande agitação do líquido próximo ao elemento resistivo. Então foi desligada as ligações elétricas do calorímetro, deixando-o solto e mantendo a chave desligada. Foi anotada a capacidade térmica do calorímetro e a temperatura ambiente. No calorímetro foi colocado então 150 ml de água “fria” em temperatura de aproximadamente 10ºC abaixo da ambiente. O calorímetro então foi fechado e colocado o termômetro, as ligações elétricas foram feitas no calorímetro e então foi esperado dois minutos para o sistema entrar em equilíbrio térmico. A temperatura foi registrada. A temperatura final foi devidamente calculada e anotada. Então ligou-se a chave auxiliar e contado o tempo durante o qual o resistor foi ligado, tomando cuidado para que a tensão no voltímetro mantivesse constante à 15VCC. Foi misturado a água do calorímetro com seu agitador de um em um minuto. O sistema elétrico foi desligado quando foi atingida a temperatura final e então anotou-se o tempo gasto para atingir esta temperatura.

Experimento 3 – Determinação do calor específico de um corpo de prova

Foi colocado o corpo de prova no interior do calorímetro e anotado a temperatura ambiente. Foi aquecida 150ml água acima da temperatura ambiente e derramada dentro do calorímetro que foi fechado e colocado o termômetro em seguida. A água foi agitada constantemente por 3 minutos, e então medida sua temperatura.

5- RESULTADOS E DISCUSSÕES

Experimento 1 – Determinação da capacidade térmica de um calorímetro

Foi colocado no calorímetro 50 ml de água “fria” à uma temperatura 10ºC abaixo da temperatura ambiente, esta última se encontrava à 27ºC no laboratório de física, e então o termômetro foi introduzido no sistema que foi tampado. No béquer então foi adicionada água “morna” com temperatura 10ºC acima da temperatura ambiente e introduzida no sistema, então foi verificado a temperatura inicial (ta) da água fria já contida no calorímetro, variou para uma temperatura de 17ºC, e também foi verificado a temperatura da água morna contida no béquer, os 50ml de água morna estava à 37ºC. Então a água morna foi derramada no interior do calorímetro que então foi fechado, agitado e colocado o termômetro que verificou depois de 3 minutos uma temperatura (tc) de 29ºC.

A capacidade térmica do calorímetro foi determinada com os dados obtidos no experimento. Foram utilizadas as fórmulas:

Quantidade de calor trocado pelo sistema”

Quando o sistema entra em equilíbrio térmico, a soma das quantidades de calor é zero.”

Pode-se observar que aquecendo uma quantidade de água a uma temperatura maior que a da água contida no calorímetro que estava fria, quando elas são misturadas no calorímetro, a água que está a uma temperatura maior irá ceder calor à água e ao calorímetro que estão a uma temperatura menor.

Experimento 2 – Determinação do equivalente mecânico do calor

Como a aparelhagem composta de fonte CC regulável, uma chave multiuso, um multímetro prontos foi possível dar início ao experimento.Em certas condições controladas, é possível conhecer a quantidade de calor cedida a um sistema. Um exemplo é o experimento realizado.

Uma dada massa de água (150g) é mantida dentro de um calorímetro (envolto por isopor), o que minimiza as trocas de calor entre a água e o ambiente externo. Um resistor de resistência 6,1Ω é imerso na água e ligado a uma fonte de CC regulável. A potência elétrica dissipada no resistor é U2/R e, portanto, se a corrente persistir por um tempo t a energia dissipada no resistor em forma de calor será :  Onde , ou seja: (1)

Considera-se U a tensão nos extremos do resistor R percorrido por um corrente i. Na passagem da corrente elétrica pelo resistor ocorre aquecimento (efeito Joule). Dessa forma, a potência elétrica dissipada consumida por um resistor é dissipada (transformada em térmica). Para se saber até que temperatura o aquecimento da água através do resistor deve chegar, utilizou-se a seguinte fórmula: , onde:

θf - temperatura final

θ0 – temperatura ambiente

θi – temperatura inicial da água

Agora sabendo-se que água deveria atingir 43º C, a chave auxiliar foi ligada e se iniciou a contagem de tempo (durante o qual o resistor ficou ligado), tendo o cuidado para que o valor da tensão no voltímetro se mantenha constante (15VCC) ao longo da atividade. Durante o procedimento foi necessário agitar a água do calorímetro pelo menos uma vez a cada minuto passado, para homogeneizar a temperatura no calorímetro. O tempo utilizado para que a água atingisse a temperatura final foi de 780s. Neste tempo, o resistor, a água e a parede interna do calorímetro entraram em equilíbrio térmico. Dentro da água estava um termômetro com o qual se pode acompanhar o seu aquecimento. Como esse aquecimento não foi tão grande, a quantidade de calor absorvida pelo sistema será proporcional ao calor cedido:

, onde:

= massa da água

= calor específico da água

 = capacidade térmica do calorímetro usado

= são as temperaturas final e inicial do sistema, respectivamente

Uma vez determinada a energia Q (dissipada pelo resistor e expressa em Joule) e a energia Qa (absorvida pelo sistema e expressa em calorias), devemos introduzir o operador J (que permite manter a igualdade da expressão): Quantidade de energia dissipada pelo resistor = Quantidade de energia absorvida pelo sistema

Como as unidades empregadas são diferentes, logo:

(3)

Portanto, o operador J permitirá a troca da unidade usual em calorimetria cal (caloria) pela unidade de energia mecânica Joule (J) e vice-versa. Substituindo as expressões (1) e (2) em (3), tem-se:

Com os valores conhecidos (calor específico da água e capacidade térmica do calorímetro) determinou-se o valor de J, o equivalente mecânico do calor.

Obs.: O valor de referência é  e no experimento o valor resultante foi  , o provável erro experimental para essa pequena diferença de valores, pode ter sidos as condições do ambiente e/ou erros medida cometidas pelo grupo.

Experimento 3 – Determinação do calor específico de um corpo de prova

Neste experimento como nos anteriores utilizou-se um calorímetro de capacidade térmica de 15 cal/gºC. Verificou-se que tanto o corpo de prova de alumínio quanto o calorímetro estavam em temperatura ambiente (27º C).

Então, esquentou-se 150 ml de água até que a mesma atingisse 70º C. A água foi derramada dentro do calorímetro, onde estava o corpo de prova de alumínio e foi esperado que se passasse 3 minutos, para ver a temperatura de equilíbrio térmico, que correspondeu a 65º C.

O mesmo processo foi tomado com o cobre, a temperatura de equilibro térmico após 3 minutos foi de 65º C. Depois de realizar este processo, os corpos de provas de alumínio e cobre tiveram suas massas determinadas através de um balança, obtendo 18,37g e 58,11g , respectivamente.

Sabendo a densidade da água (1g/cm3) foi possível calcular a massa dos 150ml de água quente, por meio da fórmula: . A massa obtida da água quente equivale a 150g. Segundo o cálculo:

 

Com essa gama de dados obtidos, se tornou possível determinar o calor específico dos corpos de prova:

Cálculo calor específico do cobre:

O valor de referência do calor específico do cobre é 0,093 cal/g°C, na experiência obteve-se 0,0815 cal/g°C, esse erro pode ser justificado por fatores ambientais ou até mesmo erro sistemático.

Cálculo calor específico do alumínio:

O valor de referência do calor específico do alumínio é 0,022 cal/g°C, na experiência obteve-se 0,259 cal/g°C.

6- CONCLUSÃO

No experimento 1, foi observado que quando um sistema aquecido é posto em contato com outro mais frio, o primeiro cede energia para o segundo. Essa energia é transferida sem que o sistema aquecido necessariamente realize trabalho sobre o corpo frio. A energia que um corpo quente cede a outro corpo frio sem que seja realizado trabalho é denominada calor. Portanto, quando dois sistemas são colocados em contato mútuo, o corpo mais quente cede calor para o mais frio. Quando o processo de transferência de calor chega ao fim, diz-se que os dois sistemas estão em equilíbrio térmico um com o outro.

No experimento 2, esquematizou-se um sistema formado por uma certa quantidade de água e por um pequeno fio de resistência elétrica. Neste sistema, a variação de temperatura foi produzida por uma fonte CC que provocou corrente elétrica. O efeito joule consistiu-se na dissipação de energia elétrica sob forma de energia térmica no condutor, através da corrente elétrica. Esse processo é considerado como fluxo de calor.

No experimento 3, observou-se que substâncias distintas possuem diferentes capacidades de armazenamento de energia interna. Ao contrário da capacidade térmica, o calor específico não é característica do corpo, mas sim característica da substância. Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.

7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; KRANE, Kenneth S.; FÍSICA II, 5ª edição, volume 02; Ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2003

HEWITT,Paul G.; FÍSICA CONCEITUAL 9ª edição, Porto Alegre: Bookman, 2002.

SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark W; KRANE, YOUNG, Hugh D; FÍSICA II Mecânica dos fluidos. Calor . Movimento Ondulatório, 2ª edição, Ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2000.

Disponível em:< http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/calor.htm > Acesso em: 29 out. 2010 01h00min .

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