BAC 014 Prática 2 Equilibrio Termico e Calor Especifico

BAC 014 Prática 2 Equilibrio Termico e Calor Especifico

Engenharia de Fluidos – BAC 014 Roteiro da Aula Prática I

Prática 2 - Equilíbrio Térmico e Calor Específico Equipe Matrícula Nome Assinatura

Prof. Dr. Rogério Fernandes Brito – E-mail: rogbrito@unifei.edu.br

O equilíbrio térmico entre dois corpos em contato entre si só ocorre quando estes atingem a mesma temperatura. Quando estes corpos atingem um equilíbrio térmico com um terceiro corpo, significa que todos estão em equilíbrio térmico entre si Esta ultima afirmação é conhecida como a "Lei Zero da Termodinâmica."

1.2. Calorímetro

O calorímetro é basicamente constituído de uma câmara com paredes adiabáticas, que não permite a troca de calor entre seu interior com o meio externo, O calorímetro é utilizado para determinar a quantidade de calor liberada ou absorvida por uma transformação física ou química realizada em seu interior. Além disso, um calorímetro pode ser utilizado para determinar o calor especifico de uma substância, o calor latente de uma substância, o calor de reação, etc.

Calor Especifico (c): é a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita trocar para variar sua temperatura em 1 °C. Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura. Obs.: O calor específico depende da substância e não da quantidade da mesma. Diferente da capacidade térmica.

Calor latente: é a grandeza física relacionada a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber ou ceder. Para mudar de fase, ou seja, passar do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa. Durante a mudança de fase a temperatura da substância não varia, mas seu estado de agregação se modifica. O calor latente pode assumir tanto valores positivos quanto negativos. Se for positivo quer dizer que a substância está recebendo calor, se negativo ela está cedendo calor. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade é kJ/kg (quiloJoule por quilograma). Outra unidade usual é a caloria por grama (cal/g). A unidade caloria tende a desaparecer a medida que o SI vá sendo implantado pelos países que o aprovaram.

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

Para a determinação do calor específico de uma substância, coloca-se dentro do calorímetro uma porção da substância de massa e temperatura inicial conhecidas, e também conheidas as temperatura inicial e a temperatura ambiente (Ta).

1.3. O Método das Misturas - Trocas de calor dentro de um calorímetro

Com um corpo de prova no interior do calorímetro é possível determinar o calor necessário para atingir o equilíbrio térmico, adicionando-se uma determinada quantidade de água quente, com temperatura T (T>Ta), fechando o calorímetro. Estando o sistema (calorímetro, corpo de prova e água) isolado termicamente, este entrará em equilíbrio térmico com uma temperatura Te. Neste caso temos a igualdade entre o calor perdido pela água quente e o calor adquirido pelo calorímetro, corpo de prova e meio ambiente. O fato do meio ambiente também receber calor, se deve ao calorímetro não possuir isolamento ideal. Por essa razão, as medidas de temperatura nesse processo devem ser tomadas rapidamente.

O equivalente em água do calorímetro se trata de uma suposição de que o calorímetro fosse constituído de água. Neste caso, determina-se a quantidade de água que seria necessária para absorver a mesma quantidade de calor que o calorímetro. Esta quantidade seria o "equivalente em água (me)" do calorímetro. Com essa informação é possível equacionar as trocas de calor, como apresentado abaixo:

ma ca (T-T0) = (me ca + mcp ccp)(Te -Ta)(1)

Onde ma = massa de água no calorímetro (g); me = equivalente em água do calorímetro (g); mcp = massa do corpo de prova (g); ccp = calor especifico do corpo de prova (cal/g°C); ca = calor especifico da água (cal/g°C); Ta = temperatura inicial da água (°C); Te = temperatura de equilíbrio térmico (°C).

1.4.1. O Calorímetro Elétrico

Dentre os calorímetros, existem os elétricos, os quais possuem uma resistência adicional R. Estes calorímetros são capazes de elevar a temperatura do sistema por meio do fornecimento de energia elétrica à resistência que dissipa grande parte dessa energia na forma de calor. Nestes calorímetros temos a igualdade entre o calor devido à dissipação de W no resistor (Q) e a diferença entre o calor absorvido do sistema (Qa) e o calor dissipado pelo sistema ao meio ambiente (Qt). Porém, se for adotado como desprezível a transferência de energia ao meio ambiente pelo calorímetro, temos exatamente o calor absorvido pelo sistema como sendo a energia dissipada pela resistência.

Nesta prática, a lei zero da termodinâmica será constatada pela determinação da temperatura de equilíbrio entre corpos de diferentes temperaturas; e calores específicos de algumas substâncias serão determinados com o uso do equivalente em água do calorímetro e, portanto, com o uso do calorímetro.

2.1. Objetivos São eles:

9 reconhecer que ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo com temperatura maior para o de menor temperatura;

9 reconhecer que a temperatura de equilíbrio estará entre as temperaturas iniciais dos corpos em contato.

2.2. Preparação do Experimento Materiais necessários: 9 01 Tripé delta com sapatas e haste metálica de 500 m; (1), (2); 9 02 Mufas duplas e pinças com cabos (3) (4); 9 01 Agitador grande (7); 9 02 Termômetros (-10°C a 110°C) (8) e 01 agitador pequeno (18); 9 01 Becker 250 ml (1); 9 01 Fio de argola e gancho (12); 9 01 Proveta graduada de 100 ml (13); 9 01 Calorímetro de água de 200 ml sem a tampa (14); 9 01 Rolha de borracha e tubo de ensaio (15) (16); 9 01 Aquecedor elétrico de imersão (ebulidor) (19); 9 01 Cronômetro;

9 03 Baldes com água (descarte, água a Tamb, água Fria).

2.3. Procedimento Experimental

Etapa l:

a) Coloque no tubo de ensaio maior, 30 ml (30 cm3) de água à temperatura ambiente. Feche o tubo com a rolha e agitador pequeno. ANOTE a temperatura da água do tubo de ensaio (Figura 2).

b) Aqueça 200 ml (200 cm3) de água num Becker a 90°C e coloque-o no calorímetro. c) Anote a temperatura da água quente do calorímetro.

d) Coloque o tubo de ensaio no interior do calorímetro e prenda-o à haste conforme a Figura 3.

e) Agitando levemente a água dos dois frascos, determine e anote de 30 em 30 segundos a temperatura da água contida em cada local (tubo, de ensaio e calorímetro) no mesmo gráfico. Utilizar a tabela no final do relatório.

f) Utilize papel logarítmico e compare as curva e discuta a validade das seguintes afirmações:

"Ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo de temperatura maior para o de temperatura menor."

"A temperatura de equilíbrio térmico entre dois corpos, colocados em cantato, estará entre as temperaturas iniciais dos dois corpos."

3. Experimento 2: Determinação do Equivalente em Água de um Calorímetro

3.1. Objetivos São eles: 9 identificar as trocas de calor envolvidas no processo. 9 determinar o equivalente em água de um calorímetro.

3.2. Preparação do Experimento Materiais necessários: (1) Aquecedor elétrico (ebulidor); (2) Proveta graduada 100 ml;

(3) 2 Béqueres de 250 ml, um com 100 ml de água destilada gelada e um com 100 ml de água destilada a temperatura ambiente;

(4) Termômetro; (5) Calorímetro de água de 200 ml com tampa.

3.3. Procedimento Experimental

Etapa 1 a) Coloque 50 ml de água fria com temperatura em torno de 10°C abaixo da temperatura ambiente no calorímetro; b) Tampe o conjunto e introduza o termômetro no calorímetro; c) Prepare um copo de Béquer com 50 ml de água morna com temperatura em torno de 10°C acima da temperatura ambiente. (OBS: fazer rápido as etapas a, b e c).

d) Meça a temperatura inicial T0af do calorímetro com água fria (ela pode ter variado); e) Meça a temperatura da água mornaT0aq; f) Coloque a água morna no calorímetro, tapando-o; g) Introduza o termômetro no calorímetro; h) Agite leve e eonstantemente a mistura; i) Anote a temperatura máxima alcançada (temperatura de equilíbrio térmico entre o calorímetro e a mistura), Te; j) Calcule a massa total de água utilizada; k) Determine o equivalente em água me do calorímetro, sabendo-se que: calor perdido = calor ganho , ou seja, onde:

maq = massa de água morna (g). Ca = calor específico da água (cal/g°C). T0aq = temperatura inicial da água morna (°C). Te = temperatura de equilíbrio térmico (°C). me = equivalente em água do calorímetro (g). maf = massa de água fria (g). Toaf = temperatura inicial da água fria (°C).

4. Experimento 3: Reconhecimento da Capacidade Calorífica e Determinação do Calor Específico de Sólidos

4.1. Objetivos: São eles: 9 Reconhecer as diferentes capacidades caloríficas dos corpos. 9 Identificar as trocas de calor envolvidas no processo. 9 Determinar o calor específico de corpos sólidos.

4.2. Preparação do Experimento: Materiais necessários: a) Tripé delta com sapatas e haste metálica. b) Pingas com cabos e mufas duplas. c) Béquer de 250 ml. d) Termômetro. e) Calorímetro de água de 200 ml sem tampa. f) Agitadores. g) Aquecedor elétrico (ebulidor). h) Corpo de Prova com argolas e gancho. i) Álcool etílico.

4.3. Procedimento Experimental:

Etapa l:

a) Aqueça a massa de 300g ( 300 ml) da amostra de água destilada, num béquer mantendo o aquecedor afastado do termômetro até aproximadamente 60°C.

b) Retire o aquecedor e aguarde por 3 minutos. c) Agite levemente o liquido e anote a temperatura inicial da água. d) Agitando suavemente a água, meça e anote a temperatura da água a cada 30s.

Etapa 2: a) Repita os procedimentos dos itens (a) a (d) da etapa l anterior, com álcool etílico OBS: Muito cuidado com o ponto de ebulição do álcool. 78,29°C Trace as curvas de temperatura versus tempo das duas amostras (água e álcool) no mesmo gráfico, identificando a substância correspondente aos dados de cada curva e discuta a validade das seguintes afirmações:

"O gráfico (Temperatura x Tempo) nos mostra que a curva de resfriamento depende da substância da qual o corpo é feito e a tangente a curva representa a velocidade de resfriamento que, por definição, e a capacidade térmica (C), onde:

(3)

Etapa 3: a) Coloque 100 ml de água a temperatura ambiente, no interior do calorímetro. b) Tampe o conjunto e introduza o termômetro no calorímetro. c) Anote a massa do corpo de prova de alumínio.

d) Coloque o corpo de prova de alumínio no interior do Béquer com 100 ml de água destilada a temperatura ambiente.

e) Aqueça o conjunto (Béquer mais corpo de prova) até a ebulição. f) Desligue o sistema de aquecimento. g) Aguarde 3 minutos, agitando levemente o corpo de prova no interior da água, quente. h) Leia e anote a temperatura inicial do alumínio. i) Anote a temperatura ambiente (temperatura inicial do calorímetro). j) Transporte o corpo de prova de alumínio pelo fio, colocando-o dentro do calorímetro, k) Tampe o calorímetro e introduza o termômetro no orifício da tampa. l) Agite levemente e constantemente a mistura.

m) Anote a temperatura máxima alcançada (temperatura de equilíbrio térmico do calorímetro).

n) Obtenha o calor especifico (Cal) da substância que compõe o corpo de prova, o qual pode ser obtido pela equação:

(4)

onde: mAl massa do corpo de prova de Alumínio (g); ma massa de água no calorímetro (g); me equivalente em água do calorímetro (g); CAl calor específico do Alumínio (cal/g°C); Ca calor especifico da água (cal/g°C); ToAl temperatura inicial do corpo de prova de Alumínio (°C); Ta temperatura inicial da água (°C); Te temperatura de equilíbrio térmico do sistema (°C);

Etapa 4 a) Realize os mesmos procedimentos de (a) a (m) da etapa 3, para a amostra de latão. Determine seu calor especifico.

Referência Bibliográfica:

[1] Livro de Atividades Experimentais - Física Experimental - Termodinâmica - Trocas de Calor e Expansão Térmica dos Líquidos - Cidepe.

Tabela para anotação das medidas

Dados referentes à variação de temperatura na água fria TafDados referentes à variação de temperatura na água quente Taq

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