Calor especifico de um sólido

Calor especifico de um sólido

RELATÓRIO EXPERIMENTAL SOBRE

A DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO DE UM SÓLIDO

ARIADNY DA SILVA ARCAS

KELLY GOBBY

Cuiabá-MT

Fevereiro/2012

RELATÓRIO EXPERIMENTAL SOBRE

A DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO DE UM SÓLIDO

ARIADNY DA SILVA ARCAS

KELLY GOBBY

Este relatório experimental é parte da avaliação da disciplina de Física experimental I, do curso de Engenharia de Alimentos, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso, Campus Cuiabá – Bela Vista; solicitado pelo Professor Jonas Spolador.

Cuiabá-MT

Fevereiro/2012

  1. INTRODUÇÃO

Este relatório é voltado para o estudo e identificação do calor específico do alumínio, estanho, latão, cobre, e de seus possíveis erros experimentais. Para isso, cada corpo foi introduzido em um recipiente contendo água e aquecido até o início da ebulição da água, onde a partir deste ponto cessou-se o aquecimento. Após aguardarmos três minutos, retiramos o metal e colocamos dentro de um vaso calorimétrico, isolado do meio externo onde se alcançou o equilíbrio térmico. Colocando o corpo em contato e dentro de um calorímetro, ocorre uma transferência de energia, sob a forma de calor, da temperatura mais elevada para o que se encontra a temperatura mais baixa, até o equilíbrio.

Para se elevar a temperatura de um gás, líquido ou sólido, é necessário que lhe seja fornecido calor. A quantidade de calor necessária para elevar de um grau a massa unitária de uma substância depende da sua capacidade em absorver este calor, sendo uma forma de identificação de um corpo. O termo calor é usado para indicar a energia transferida de um corpo ou sistema, não sendo usado para indicar a energia que um corpo possui.

A propagação do calor que utilizamos foi à condução térmica, que é a transferência de energia do movimento de vibração entre as moléculas de um sistema. O fluxo de calor segue do corpo de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa.

Procuramos explicar sucintamente sobre o funcionamento das trocas calorimétricas, procurando elencar pelo menos uma de suas características mais importantes.

2.0 OBJETIVOS

-Explicar e analisar as trocas de calor envolvidas no processo;

-Determinação do calor específico de corpos sólidos.

2.1 MATERIAIS NECESSÁRIOS

-01 Calorímetro com agitador e equivalente em água de aproximadamente 200g;

-02 Termômetros nas escala de 10-110°C;

-01 Tripé delta com haste e sapatas niveladoras;

-01 Dinamômetro de 2N;

-01 Mufa dupla a 90°;

-01 Manta de aquecimento;

-01 Corpo de alumínio de 60g;

-01 Corpo de latão de 84g;

-01 Corpo de estanho de 42g;

-01 Corpo de cobre de 91g;

-01 Barbante ou fio com argola e ganchos;

-01 Proveta graduada de 250 ml;

-01 Cronômetro;

-01 Copo de Becker de 250 ml;

-01 Pano para limpeza;

-01 Caixa de fósforos;

Obs.Para a realização desta prática não é necessário utilizar exatamente as massas especificadas de cada corpo. Podem ser usadas as mais variadas massas, desde que ela seja conhecida.

2.2 MONTAGEM

Executamos a montagem do aparelho conforme ilustra a figura (1) e (2).

Na figura (1) temos o aparato onde executamos a fervura da água até o início da ebulição. Como houve a utilização do aquecimento, o nosso cuidado durante a manipulação dos materiais foram bastantes cautelosas.

a) Termômetro;

(b) Mufa dupla a 90°;

(c) Haste;

(d) Tripé delta;

(e) Copo de Becker;

(f) Material submerso;

(g) Manta de aquecimento;

Figura (1)

Para identificação da capacidade térmica dos matérias, foi necessário à utilização do calorímetro, aparelho ilustrado pela figura (2).

(h) Calorímetro;

(i) Agitador;

(j) Orifício fornecido pelo fabricante para a colocação do termômetro

Figura (2)

2.3 PROCEDIMENTO

- 1° Realizamos a separação de todo os matérias.

- 2° Montamos o aparato seguindo as orientações das figuras (1) e (2).

- 3° Pesamos o vaso do calorímetro Mc=71g e adicionamos 200 ml de água à temperatura ambiente de 25°C resultando em um total de Mtc=271g, tampamos o conjunto e introduzimos o termômetro no orifício da tampa (j).

- 4° Como nosso objetivo é medir e testar o poder calorífico de alguns matérias, colocamos em uma primeira etapa um pedaço de alumínio de 60 gramas amarrado por um fio de barbante e preso na área da garra metálica (b), deixando o material totalmente submerso e centralizado em 200 ml de água (medido em proveta) sob aquecimento até o início da ebulição. O termômetro foi acoplado ao recipiente conforme especificado em (a).

- 5° Após o inicio da ebulição, desligamos a manta e a partir deste ponto cronometramos 03 (três) minutos, realizando pequenos movimentos no barbante, para que o aquecimento pudesse se “homogeneizar”. Anotamos a temperatura e transferimos o material através do fio, e colocamo-lo dentro do calorímetro com 200 ml de água a 25°C. Tampamos o calorímetro e introduzimos o termômetro no orifício da tampa. Com o agitador (i) realizamos pequenos movimentos, e anotamos a temperatura máxima alcançada durante o equilíbrio do calorímetro.

- 6° O calor especifico da substância que compõem o corpo de prova pode ser obtido pelas equações:

(01) (Peso).

(02) ; (Calor específico).

(03) c=Q/(m x Δθ); (Calor sensível).

(04) Ep= | x – xc | / xc * 100 %; (Erro)

Onde:

P= peso, (N);

m= massa do corpo, (g ou Kg);

g= gravidade aproximadamente (10m/s2).

c= calor específico do corpo, (cal/g°C ou J/kg°C).

Q= calor, (cal ou J).

Δθ’= diferença entre a temperatura inicial do corpo e a temperatura de equilíbrio térmico do sistema, (°C).

Δθe= diferença ente a temperatura de equilíbrio térmico do sistema e a temperatura inicial da água no calorímetro, (°C).

Δθa= diferença ente a temperatura de equilíbrio térmico do sistema e a temperatura inicial da água no calorímetro, (°C).

Ep= Erro Experimental

x= valor experimental.

xc= valor teórico conhecido.

- 7° Realizamos os mesmos procedimentos com o estanho, latão e cobre;

Obs. Consideramos que 1cm3 de água equivalendo a 1 ml e aproximadamente 1 grama e com base na tabela (1) onde são especificado o calor especifico de cada substância.

Substância

Calor especifico

(cal/g.°C)

Água

1

Alumínio

0,22

Estanho

0,055

Latão

0,092

Cobre

0,094

Tabela (1)

  1. DISCUSSÃO

Calor é uma forma de energia que é transferida de um corpo para o outro devido à diferença entre suas temperaturas. À medida que a temperatura dos corpos se iguala, cessa a transferência de energia, e nessa situação é atingido o equilíbrio térmico. O fluxo de calor depende não apenas da diferença entre as temperaturas da substância, mas também da quantidade de material que existe. O termo calor é usado para indicar a energia transferida de um corpo ou sistema, não sendo para indicar a energia que um corpo possui. A unidade de calor “Q”, no sistema internacional é em joules (J). As unidades mais usadas é a caloria (cal) que é a quantidade de calor requerido para alterar a temperatura de um grama de água em um grau Celsius.

A matéria não contém calor, mas contém energia cinética molecular. Calor em outras palavras é a energia em trânsito de um corpo a uma temperatura mais alta para outro a temperatura mais baixa. Já o calor sensível é a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo. Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação FundamentaldaCalorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico. Calor específico é a quantidade de calor requerida para alterar a temperatura de uma unidade de massa da substância em um grau.

Ao se realizar uma medida, há sempre fontes de erro que a afetam. As fontes de erro fazem com que toda medida realizada, por mais cuidadosa que seja, esteja afetada por um erro experimental. Os erros experimentais podem ser classificados em erros sistemáticos e erros aleatórios. Os erros sistemáticos são causados por fontes identificáveis, e, em princípio, podem ser eliminados ou compensados e fazem com que as medidas feitas estejam consistentemente acima ou abaixo do valor real, prejudicando a exatidão. Os erros aleatórios são flutuações, para cima ou para baixo, que fazem com que, aproximadamente a metade das medidas realizadas de uma mesma grandeza em uma mesma situação experimental esteja desviada para mais, e a outra metade esteja desviada para menos. Os erros aleatórios afetam a precisão da medida. Para que os erros experimentais fornecessem resultados aceitáveis, o corpo deveria estar na estufa algum tempo. Assim, é muito provável que este ponto do procedimento já tenha sido iniciado antes de começar a aula, com a realização de trocas do ambiente.

3.1 Calor específico do Alumínio

  O alumínio é um metal leve, macio e resistente. Possui um aspecto cinza prateado, fosco,  maleável, muito dúctil, adequado para a mecanização e fundição, além de ter uma excelente resistência à corrosão e durabilidade devido à camada protetora de óxido. Por ser um bom condutor de calor, é muito utilizado em panelas de cozinha. Colocamos na tabela (2) todas as informações práticas que conseguimos identificar referente ao alumínio.

m(al)

m(a)

m(e)

θ(al)

θ(a)

θ(e)

c(a)

Alumínio

(g)

(g)

(g)

(°C)

(°C)

(°C)

(cal/g.°C)

60

200

200

92

25

27

1

Tabela (2)

Com essas informações e utilizando a fórmula do calor específico (02), temos que o valor prático do alumínio é de aproximadamente 0,21 cal/g.°C, e o teórico 0,22 cal/g.°C. Com base na tabela (1), calculamos o erro (4), de 4,5%. Esta porcentagem identifica que o erro foi do tipo sistemático, variando 4,5% para mais ou para menos. Devido às circunstâncias não foi possível realizar replicata do experimento. Caso fosse aplicado, poderíamos utilizar duas ferramentas estatísticas, a média aritmética e o desvio padrão, diminuindo assim os erro. Durante a prática não apresentamos os dados teóricos de cada material. Por esse motivo mesmo calculando o calor especifico, não foi possível comprara-los e identificar os erros pela sua origem.

3.2 Calor específico do Estanho

O estanho é um metal de cor prateada, maleávelsólido nas condições ambientais, não se oxida facilmente com o ar e é resistente a corrosão. É empregado para produzir diversas ligas metálicas e em especial para proteger outros metais da corrosão através do revestimento. O estanho é obtido principalmente do mineral cassiterita onde se apresenta como um óxido. Os dados extraídos durante a prática do estanho foram organizadas na tabela (3).

 

m(es)

m(a)

m(e)

θ(es)

θ(a)

θ(e)

c(a)

Estanho

(g)

(g)

(g)

(°C)

(°C)

(°C)

(cal/g.°C)

 

42

200

200

91

25

24

1

Tabela (3)

Com base na tabela (3) e utilizando a fórmula do calor específico (02), temos que o valor prático do estanho é de 0,14 cal/g.°C, e o teórico de 0,055 cal/g.°C. Conforme tabela (1), calculamos o erro, utilizando a fórmula (4) e chegamos ao seguinte resultado de 158%. Este erro engloba a categoria dos erros aleatórios, que são aqueles que não conseguimos dominar. Eles acontecem de modo imprevisível e não são de quantificação possível. Só identificamos este erro após consulta do calor específico em literaturas.

3.3 Calor específico do Latão

O latão é uma liga metálica de cobre e do zinco dependendo do tipo de latão. Essa liga metálica tem uma cor amarelada semelhante a do metal ouro e é consideravelmente resistente a manchas. Um exemplo de latão é a parte dourada dos cadeados. Os dados extraídos durante a prática do estanho foram organizadas conforme a tabela (4).

 

m(l)

m(a)

m(e)

θ(l)

θ(a)

θ(e)

c(a)

Latão

(g)

(g)

(g)

(°C)

(°C)

(°C)

(cal/g.°C)

 

85

200

200

92

25

27

1

Tabela (4)

Utilizando essas informações e a fórmula do calor específico (02), temos que o valor prático do latão é de 0,069 cal/g.°C, e o teórico de 0,092 cal/g.°C. Conforme tabela (1). Calculamos o erro (4), de 25%. Este erro engloba a categoria dos erros aleatórios assim como já mencionado na prática do estanho.

3.4 3.3 Calor específico do Cobre

O cobre é normalmente fornecido em um grão fino de formulário policristalino de coloração avermelhada/alaranjado. Apresentam as propriedades de ser dúctil, maleável e alta condutividade eletrica.

 

m(cu)

m(a)

m(e)

θ(cu)

θ(a)

θ(e)

c(a)

Cobre

(g)

(g)

(g)

(°C)

(°C)

(°C)

(cal/g.°C)

 

91

200

200

93

25

27

1

Tabela (5)

Utilizando as informaçooes da tabela (4) e a fórmula do calor específico (02), temos valores pratico 0,066 cal/g.°C, e 0,092 cal/g.°C no teórico. Conforme tabela (1). Calculando o erro (4), sendo de 28,3%. Erro classificado como aleatório, podendo haver trocas de calor do material com o ar, entre o momento da retirado do metal da água em ebulição e a sua colocação calorímetro, bem como o erro da leitura instrumental do termômetro dentro do calorímetro.

4.0 CONCLUSÃO

Verificamos que, devido ao erro experimental ser considerado alto para o calor específico do estanho, latão e cobre o mesmo não assumiu o valor teórico esperado. O erro experimental pode ter ocorrido devido à observação da temperatura no termômetro, ou seja, operacional, assim como trocas de calor com o material utilizado. Esta experiência proporcionou a verificação do calor específico dos materiais metálicos através de uso do calorímetro de água e aplicação de cálculos experimentais.

Verificou-se que quando vários corpos a diferentes temperaturas se encontram em um recipiente termicamente isolados, são produzidas trocas caloríficas entre eles alcançando a temperatura de equilíbrio há certo tempo. Quando foi alcançado este equilíbrio é obedecido que a soma das quantidades de calor trocadas é zero.

Analisando todos os experimentos por outro ângulo temos a transferência de energia dos movimentos de vibração entre as moléculas depende do material. Os matérias onde à condução é rápida são denominados de condutores. Já os que apresentam condução demorada são denominados de isolantes ou maus condutores.

Para que os experimentos dessem resultados aceitáveis os corpos deveriam se encontrar na estufa algum tempo. Assim, seria mais provável que este ponto do procedimento as trocas de calor tenha sido iniciado antes de começar a aula. Também podemos apontar como aprimoramento, ter sempre em mãos os valores teóricos do material a ser trabalhado.

5.0 REFERÊNCIAS:

BOSQUILHA, ALESSANDRA e PELLEGRINI, Minimanual Compacto de Física, Teoria e Pratica editora Rideel, 2°edição, São-Paulo, 2003, páginas (170-189).

HEWITT, PAUL G.Física Conceitual, editora Bookman,Porto-Alegre-RS,2008, 9°edição, páginas (268-280).

HALLIDAY, RESNICK e WALKER, Fundamentos da Física, volume 2, 8°edição páginas (183-200).

NUSSENZVEIG, H. Moysés, Física Básica Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor. Editora Blucher, 4° edição, São-Paulo. Páginas (167-176).

http://www.rc.unesp.br/igce/fisica/ervino/textos/calorespsol.pdf (acessado em 18 de fevereiro de 2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico (acessado em 19 de fevereiro de 2012).

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Calorimetria/calor.php acessado em 19 de fevereiro de 2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADnio (acessado em 19 de fevereiro de 2012).

http://www.ifi.unicamp.br/~brito/graferr.pdf (acessado em 20 de fevereiro de 2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%A3o (acessado em 20 de fevereiro de 2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cobre (acessado em 20 de fevereiro de 2012).

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