Diretoria de Ciências Exatas. Laboratório de Física. Roteiro 04. Física Geral e Experimental III 2012/1

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1 Diretoria de Ciências Exatas Laboratório de Física Roteiro 04 Física Geral e Experimental III 2012/1 Experimento: Capacidade Térmica de um Calorímetro

2 1. Calorimetria Nesta tarefa serão abordados os seguintes assuntos: Capacidade térmica de um calorímetro Calor específico de um sólido 2. Objetivos do experimento: Determinar a capacidade térmica de um calorímetro. 3. Equipamentos utilizados: Balança digital de precisão; Calorímetro; Termômetro de mercúrio (ou de álcool) graduado (de -10 ºC a 120 ºC); Becker; Aquecedor; Água; Amostra de material sólido. 4. Calorimetria Capacidade térmica de um calorímetro Durante a análise de um projeto, que deverá ser executado para atender a determinada demanda e às necessidades inerentes a um processo industrial, o profissional competente, técnico ou engenheiro, deverá atentar para o material que deverá ser utilizado. A escolha do material é feita mediante o conhecimento de muitas de suas propriedades: mecânicas, elétricas e termodinâmicas. E para que se analisem estas propriedades é necessário que o profissional tenha um bom conhecimento de toda a teoria que as envolve. Particularmente, no que diz respeito às propriedades termodinâmicas dos materiais, deve-se ter assimilado, essencialmente, os conceitos de temperatura e de energia térmica. 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. Por isso devem-se ter também os conceitos de calor sensível e calor latente. Estes conceitos são quantizados e determinados a partir de leis matemáticas que foram obtidas empiricamente. De maneira especial, nesta etapa será contemplado o calor sensível e, particularmente, a capacidade térmica de um corpo. A partir da lei empírica denominada equação fundamental da calorimetria estabelecem-se os conceitos de capacidade térmica de um corpo e de calor específico de uma substância, os quais se caracterizam como constantes de proporcionalidade, características, respectivamente, do corpo e da substância que constitui o elemento em análise. É possível determinar, experimentalmente, tanto a capacidade térmica de um corpo, quanto o calor específico de uma substância, através da utilização do método das misturas: Q recebida Q cedida 0 UNINOVE FGE III

3 Quando se transfere energia térmica a uma substância por intermédio do aquecimento, sua temperatura normalmente sobe. A quantidade de energia térmica (Q) necessária para elevar a temperatura de uma substância é proporcional à variação de temperatura e à massa da substância: Q C T onde C é a capacidade térmica, definida como a quantidade de energia transmitida,por intermédio de aquecimento, necessária para elevar a temperatura de uma substância de um grau (Celsius). Pode-se escrever, também: Q mc T, onde c é o calor específico definido como a capacidade térmica por unidade de C massa c. m Na Tabela 1 são indicados os valores dos calores específicos de alguns materiais sólidos e líquidos: Tabela 1: Calores específicos de sólidos e líquidos Substância c (kj/kg.k ou kj/kg.ºc) Alumínio 0,900 Bismuto 0,123 Cobre 0,386 Vidro 0,840 Ouro 0,126 Gelo (-10ºC) 2,05 Chumbo 0,128 Prata 0,233 Tungstênio 0,134 Zinco 0,387 Álcool Etílico 2,40 Mercúrio 0,140 Água 4,184 UNINOVE FGE III

4 5. Procedimento Experimental Abaixo estão ilustrados os dispositivos para o estudo da calorimetria. Figura 1: Ilustração do equipamento utilizado Medir inicialmente a massa do calorímetro (m C ) vazio (Obs. O termômetro é parte integrante do calorímetro); m C 5.2. Medir 100 ml de água em um becker, de capacidade volumétrica 600 ml, e colocar essa quantidade de água dentro do calorímetro; 5.3. Medir a massa m 1 = (calorímetro ml de água). Determinar a massa de água dentro do calorímetro ( m m m ); H2O 1 m l C m H2 O 5.4. Com muito cuidado, colocar dentro do calorímetro uma amostra sólida de um material conhecido (com calor específico c s conhecido) e medir a massa m 2 = ( calorímetro + água + amostra metálica). Determinar a massa da amostra sólida ( ms m2 m1); m 2 m s 5.5. Aguardar o sistema entrar em equilíbrio térmico e registrar a temperatura inicial (T i ); T i UNINOVE FGE III

5 5.6. Medir 100 ml de água em um becker e aquecer essa água até atingir uma temperatura de aproximadamente 70ºC. Registrar a temperatura inicial da água aquecida (t a ); T a 5.7. Colocar imediatamente a água aquecida dentro do calorímetro; 5.8. Medir a massa m 3 = (calorímetro + água + amostra metálica + a água aquecida). Determinar a massa de água aquecida acrescentada ao sistema ( ma m3 m2); m 3 m a 5.9. Aguardar o sistema entrar em equilíbrio térmico e registrar a temperatura final (t f ). 6. Análise dos Dados T f Utilizar os valores encontrados para calcular os itens abaixo com as devidas propagações de erros: 6.1. A quantidade de calor transferida para água fria ( Q ) A quantidade de calor transferida para a amostra metálica ( Q S ). HO A quantidade de calor transferida pela água quente ( Q a ) A quantidade de calor transferida para o calorímetro (Q C ) Utilizando o Princípio Geral das Trocas de Calor determinar a capacidade térmica do calorímetro (C). Q Q Q Q 0, C H2O s a UNINOVE FGE III

6 Curso Diretoria de Ciências Exatas Professor Unidade Turma Período Sala Nome do experimento: Data Nome completo 1 RA 1 Nome completo 2 RA 2 Rubrica do Professor Assinatura dos alunos Nota Objetivo (s): (Qual a finalidade do trabalho realizado?) Análise dos Dados e Resultados 1. Quais os dados relevantes do problema (preencher a tabela): Calor Temperatura Temperatura Massa Elemento Específico Inicial Final (kg) (kj/kg.ºc) (ºC) (ºC) Água Fria mho 2 Amostra sólida Água Quente Calorímetro m s = cho 4,184 2 cs ma HO 2 ti ti c 4,184 ta C= ti t f 2. Qual a expressão para o cálculo da quantidade de calor parcial? E para o cálculo da expressão geral (princípio geral das trocas de calor)? 3. Qual a expressão para a incerteza da quantidade de calor parcial? E para a expressão geral (princípio geral das trocas de calor)? UNINOVE FGE III

7 4. Quais os valores das quantidades de calor, acompanhadas de suas incertezas: Q H2 O (água) = Quantidade de Calor (kj) Q S (amostra sólida ) = Q a (água quente ) = Q C (calorímetro) = 5. Qual a capacidade térmica do calorímetro, acompanhada de sua incerteza? Conclusão: (comentários e avaliação dos resultados obtidos) UNINOVE FGE III

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