EXPERIMENTO 10 – CALORIMETRIA

1.OBJETIVO: • 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.

2.FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA: Calorímetro: é um sistema fechado que não permite trocas de calor com o ambiente semelhante à garrafa térmica (Figura 1). No calorímetro, utilizado para estes experimentos, o vaso interno é uma lata de alumínio, para eliminar a propagação do calor por radiação e um recipiente de isopor para eliminar a propagação do calor por condução. Capacidade Térmica: 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. Notação: C : 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 / oC Equivalente em água de uma substância: é a quantidade de água que apresenta o mesmo comportamento térmico de uma massa qualquer de outra substância. Numericamente é igual à capacidade térmica da substância. Exemplo 1: a capacidade térmica de 100 g de cobre é igual a 9,3 cal/ oC O equivalente em água é: Eágua = 9,3 g Significa que 9,3 g de água têm o mesmo comportamento térmico que 100 g de cobre. Calor Específico: no experimento 1, demonstramos que fornecendo a mesma quantidade de calor para diferentes substâncias com massas iguais, estas apresentavam comportamento térmico diferentes, ou seja, uma se aquecia mais rapidamente que a outra. Esta diferença de comportamento térmico está associada com outra característica do material que é o calor específico. Calor específico: para que haja uma variação unitária de temperatura de uma massa unitária de água é necessário fornecer uma quantidade de calor maior que para uma massa unitária de chumbo sofrer a mesma variação unitária de temperatura. Esta quantidade de calor, que é característica do material, é denominada calor específico. Notação: c: calor específico Introduzindo a constante de proporcionalidade c, obtém-se a equação fundamental da calorimetria: Q = m c T c = Q/ m T Unidade de calor específico decorrente da teoria do calórico: U (c) = 1 cal / g 0C Unidade de calor específico - Sistema Internacional: U (c) = 1 joule/ (kg 0C) É possível escrevermos as trocas de calor entre dois ou mais corpos de forma quantitativa. Quando a temperatura de um corpo varia, indo de uma temperatura inicial Ti até uma temperatura final Tf , isto significa que ele perdeu ou ganhou calor ∆Q. Se considerarmos uma relação linear da quantidade de calor absorvida ou cedida com a temperatura, podemos escrever:

A constante de proporcionalidade C é chamada capacidade térmica. A capacidade térmica de um corpo depende do material que ele é feito e de sua massa. Considerando também linear esta relação podemos escrever:

O calor específico é uma quantidade que varia de material para material e que depende também da temperatura, pressão e volume. Considerando c constante, a Tabela 1 abaixo fornece o valor de c a temperatura ambiente ( 25oC) e a pressão atmosférica para alguns materiais. Tabela 1: Calores específicos de metais e algumas substâncias líquidas.

Material Calor específico (cal/g.oC)

Chumbo 0,0305 Tungstênio 0,0321 Prata 0,0564 Cobre 0,0953 Alumínio 0,251 Latão 0,092 Granito 0,19 Vidro 0,20 Gelo 0,53 Mercúrio(líquido) 0,033 Álcool etílico 0,58 Água 1,00

Suponha agora que nas condições que faremos nosso experimento dois corpos de Determinação da capacidade térmica do calorímetro: para determinar a capacidade térmica do calorímetro, C, será utilizado o método das misturas. Neste método, aquecendo uma quantidade de água a uma temperatura maior que a da água contida no calorímetro que está, por exemplo, à temperatura ambiente, 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. Pelo princípio da conservação de energia: Qperdido+ Qganho =0 Entao:

onde mq= Massa de água quente; ma= Massa da água; Ti = Temperatura da água aquecida. Te= Temperatura de equilíbrio do sistema. T0= Temperatura do sistema água calorímetro. ca= Calor especifico d’água(ver tabela 1). Cc= Capacidade térmica da calorímetro. Determinação do calor especifico para um material :: Aplicando o mesmo método anterior de misturas e o principio de conservação de energia

onde mm= Massa do metal;. ma= Massa da água; Ti= Temperatura do metal aquecido.

me= Temperatura de equilíbrio do sistema. T0= Temperatura do sistema água calorímetro. cm= Calor especifico do metal. Ca= Calor especifico d’água. Cc= Capacidade térmica da calorímetro. Estudaremos os processos de transferência de calor entre dois ou mais corpos na situação em que nenhum deles sofra transição de fase. A partir dos dados experimentais determinaremos o calor específico de um metal desconhecido. Materiais e equipamentos:

• Balança digital, • Calorímetro, • fonte de calor, • copo de Becker graduado, • Proveta • termômetro de mercúrio, • bastão de vidro, • água • Blocos de diferentes materiais. • Lamparina ou bico de Bunsen • com suporte e tela de amianto

PROCEDIMENTO E TEORIA:

Figura 1 - Calorímetro de misturas e acessórios utilizados no experimento 1° Parte:Medida da Capacidade Térmica do Calorímetro. 1)Colocar uma quantidade de água no calorímetro, medindo sua massa ma e a temperatura da água no calorímetro. 2)Aquecer uma certa quantidade de água de massa mq previamente medida, aquecer a uma temperatura, aproximadamente, de 50° C. 3)Misturar a água aquecida no calorímetro, esperar até a temperatura estabilizar e medir a temperatura de equilíbrio. 4)Usando a equação (1) calcule a capacidade térmica do calorímetro. 5)Repetir cinco vezes o processo, do item (1) ao (4), usando o mesmo calorímetro, e calcule o valor médio da capacidade térmica. 2° Parte: Medida do Calor Específico de alguns sólidos: 1)Coloque no calorímetro uma quantidade de água que, posteriormente deverá encobrir o bloco de metal o qual será medido o calor específico cm. 2)A água no calorímetro deverá ter sua massa ma medida, em gramas, e a temperatura da água e do calorímetro T0, em °C,também deverá ser conhecida. 3)Um bloco de metal, de massa deve ser aquecido a uma temperatura Ti de, aproximadamente 50°C,. Após o bloco de metal aquecido deve ser colocado dentro do calorímetro, mergulhado dentro da água contida no calorímetro.

4)Agitar o sistema água metal, usando para isso o agitador. Após alguns minutos, quando o sistema estabilizar, medir a temperatura de equilíbrio Te. 5)Usar a equação de balanço de energia, equação (2), para calcular o calor específico do metal. Repetir o procedimento do item 1 ao 5 e calcular o calor específico de cada um dos blocos fornecidos. 6)Comparar os valores obtidos, calculando o erro relativo percentual, em cada caso, em relação aos calores específico dado na tabela abaixo. TABELA1. Medida da Capacidade do calorímetro.

Medida ma (g) mq (g) Ti (o C) T0 (

oC) Te (o C) Cc (cal/oC)

1 200

2 250

3 300

4 250

5 300

Média =

Tabela 2. Medida do calor específico de sólidos.

Média Tabela Calculado Material m0 (g) mm(g) T0 (ºC) Ti (ºC) Te (ºC) Cc(cal/ºC) cm(cal/ºC) cm(cal/ºC) er%

0,220

0,110

0,094

0,092

0,093

0,031

0,056

0,200

0,365