DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO DE AMOSTRAS DE METAIS E ÁGUA

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1 DETEMINAÇÃO DO CALO ESPECÍFICO DE AMOSTAS DE METAIS E ÁGUA 1. Introdução O Calor Específico ou Capacidade Calorífica Específica, c, é a razão entre a quantidade de calor fornecida à unidade de massa da substância (por exemplo 1,00g) e a elevação de temperatura provocada na substância. Matematicamente, escreve-se: calor específico = quantidade de calor fornecido (massa do corpo).(variação de temperatura) Os calores específicos de alguns elementos e substâncias foram medidos experimentalmente e alguns exemplos estão na tabela 1. TABELA 1: Calores específicos de alguns elementos e substâncias medidos experimentalmente. Elemento ou Substância Cp / J.g -1.K -1 Alumínio 0,902 Ferro 0,451 Cobre 0,385 Água 4,184 Sob condições de pressão constante, a quantidade de calor, q, que é transferida de ou para um corpo de massa, m, está relacionada à variação de temperatura ΔT pela expressão: q = C p. m. ΔT (01) A equação 01 evidencia não apenas a quantidade de calor, mas também o sentido da transferência de calor, ou seja, quando se determina a variação de temperatura do corpo, ΔT = (Temperatura final Temperatura inicial). A diferença de temperatura tem sinal algébrico positivo (+) quando a temperatura do corpo se eleva (T f > T i ) e q terá sinal positivo, também, isto significa que o calor foi transferido para o corpo. No caso oposto, o abaixamento de temperatura do corpo, significa que ΔT tem sinal negativo (-) e também q também será negativo; o calor foi transferido do corpo. Assim, a amostra de um metal foi aquecida em água fervente e transferida para um béquer contendo água na temperatura a 21ºC, a temperatura final do metal e da água foi de 23,1ºC. Aspectos importantes que devem ser compreendidos: A amostra metálica e a água ficam, ao final, na mesma temperatura (T final ). Princípio da conservação da energia: a energia térmica transferida para a água, ao se aquecer e a energia térmica transferida do metal ao se esfriar são numericamente iguais. A quantidade de calor do metal (q metal ) tem valor negativo, pois houve queda de temperatura quando o calor foi transferido do metal. A quantidade de calor da água (q água ) tem valor positivo, pois a temperatura da água se elevou pela transferência de calor para a água.

2 Então, q metal = - q água. Se a quantidade de calor é transferida de um corpo para outro, então a equação 01 pode dar origem à equação 02: Cp metal. m metal. (T final - T inicial ) = - Cp água. m água. (T final T inicial ) (02) A equação 02 pode ser usada para calcular a capacidade calorífica específica de uma substância (por exemplo um metal puro) a partir de medidas calorimétricas quando a capacidade calorífica específica do calorímetro e de seus conteúdos é conhecida. O calor específico de muitos metais pode ser determinado, satisfatoriamente, desta maneira usando calorímetros de copo de poliestireno. A capacidade calorífica da água pode ser determinada pelo aquecimento de uma certa massa, m, conhecida de água, sendo conhecidos a variação da temperatura (ΔT) e a quantidade de energia fornecida. Esse aquecimento pode ser efetuado com o uso de um ebulidor, onde a energia elétrica é transferida como energia térmica (E), e daí: Por outro lado, sabemos que: E = V. I. t Cp E m. T V I, então, V. V. t E, ou seja, 2 V. t E. Assim, 2 V. t Cp (03). m. T Sendo V a voltagem, t o tempo de fornecimento de energia elétrica e a resistência do ebulidor. Este trabalho prático tem como objetivo medir a capacidade calorífica de um metal e da água. 2. Materiais e reagentes Um termômetro digital precisão: 0,1ºC Agitador magnético e barra magnética Cronômetro Balança (0,01g) Um multímetro Ebulidor ecipiente de alumínio (volume aproximadamente de 1,7L) Amostras de metais (cobre, alumínio e latão) em forma de cubo ou pequenos cilindros

3 Copo de isopor Fio de linha Suporte universal, garra metálica e pinça de madeira Béquer de 200mL com água 3. Procedimento Experimental 3.1 Medida do Cp das amostras metálicas: Pesar a amostra metálica (m amostra ). Contornar a amostra metálica com o fio de linha prendendo-a em um dos lados e ficando uma extremidade mais longa que será usada para movimentar a amostra (figura 1). Figura 1: Amostras dos metais suspensas pelos fios Colocar 1,0 L de água destilada no recipiente de alumínio e, em seguida, mergulhar o ebulidor na água, prendendo-o com a garra no suporte universal. Colocar a mostra do metal no interior da água, deixando-a imersa sem entrar em contato com as paredes da caneca. Ajustar o fio no suporte de madeira. Observar a voltagem do ebulidor e da tomada a que será conectado (CUIDADO: o ebulidor deve estar mergulhado na água quando for ligado na rede elétrica). Aquecer a água até a ebulição e esperar o cubo entrar em equilíbrio térmico com a água. Medir a temperatura da água em ebulição, será esta a temperatura da amostra metálica. Colocar o agitador magnético e um béquer com água próximo ao sistema de aquecimento. Por o copo de isopor com a barra magnética sobre a placa do agitador e adicionar 200,0 ml de água destilada. Após fazer a leitura da água em ebulição imergir o termômetro na água do béquer para que resfrie e volte à temperatura ambiente. Em seguida, medir a temperatura da água no copo de isopor que será a temperatura inicial da água (T i água ). apidamente (evitar trocar calor com o meio) passar a amostra metálica quente que está imersa na água em ebulição para a água no copo de isopor. Segurá-la mantendo-a imersa na água sem tocar o fundo do copo. Ligar o agitador magnético para homogeneizar o sistema e esperar a temperatura estabilizar (cerca de 30s) e medir a temperatura final (T f ).

4 Efetuar este procedimento três vezes, sem necessidade de trocar a água do copo de isopor. Todos os dados experimentais devem ser anotados na tabela 2. Figura 2: ecipiente de isopor contendo a amostra aquecida imersa em água sob agitação. 3.2 Medida da capacidade calorífica da água: Anotar a resistência do ebulidor. Medir a voltagem da rede elétrica na tomada onde será ligado o ebulidor. Medir 1,0 L de água e transferir para o recipiente de alumínio. Colocar o ebulidor no interior da água. Ligar o ebulidor e acionar o cronômetro simultaneamente. Utilizando um termômetro digital (termopar) medir a temperatura, assim que atingir a faixa de 70 a 80ºC desligar o ebulidor e parar o cronômetro. Anotar o tempo e fazer a leitura da temperatura. Efetuar este procedimento três vezes. Todos os dados obtidos devem ser anotados na tabela 3.

5 4. Apresentação e Discussão dos esultados 4.1 Medida do Cp dos metais: Os valores de temperatura e massa obtidos devem ser registrados na Tabela 2. TABELA 2: Valores de temperatura e massa da água e da amostra. Medida Primeira Segunda Terceira T i amostra / ºC T i água / ºC T f / ºC T água = T f T i água T amostra = T i amostra - T f Massa da amostra / g Massa de água / g NOTA: Temperatura inicial do bloco metálico = Temperatura da água em ebulição = T i amostra Temperatura inicial da água = T i água Temperatura de equilíbrio = Temperatura final do sistema = T f Cp H2O = 4,184 J.g -1.K -1 Calcular o Cp dos metais utilizando a equação Medida do Cp da água: Os valores de temperatura e massa obtidos devem ser registrados na Tabela 3. TABELA 3: Valores medidos de temperatura e tempo da água. Medida Primeira Segunda Terceira T i / ºC T f / ºC T / ºC Tempo / s esistência / Voltagem / V Massa da água / g O calor específico da água pode ser calculado pela equação 03. Discutir os resultados obtidos, os erros experimentais (%), as fontes desses erros e como minimizá-los.

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