Solidificação e fusão da água

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1 Solidificação e fusão da água A temperatura de solidificação é a temperatura à qual a substância passa de líquido a sólido. Temperatura de ebulição é a temperatura à qual a substância passa de sólido a líquido. As temperaturas de solidificação e de fusão são propriedades características de uma substância pura. Nesta experiência, pretende-se determinar e comparar as temperaturas de solidificação e de fusão da água. OBJECTIVOS Nesta experiência o aluno será capaz de: usar uma Calculadora Gráfica TI, o LabPro ou uma interface CBL 2, e um sensor de temperatura para medir a temperatura. Registar dados Fazer um gráfico com os dados Analisar os dados e o gráfico para determinar as temperaturas de solidificação e de fusão da água. determinar a relação entre as temperaturas de solidificação e de fusão da água aplicar os conceitos estudados numa nova situação. MATERIAIS Interface LabPro ou CBL 2 Calculadora Gráfica TI Programa DataMate Sensor Temperatura Tubo de ensaio 25x150 mm Copo graduado 400-mL Água da torneira Suporte universal+garra+noz Gelo e Sal Agitador magnético Figura 1

2 PROCEDIMENTO Parte I - Solidificação 1. Encha 1/2 de um copo graduado de 400-mL com gelo, a seguir adicione 100 ml de água. 2. Coloque 5 ml de água num tubo de ensaio e suspenda-o num suporte universal (ver a figura 1). O tubo de ensaio tem de estar acima da mistura água+gelo. Coloque o sensor de temperatura dentro do tubo de ensaio. 3. Ligue o sensor de Temperatura no Canal 1 (CH1) da interface CBL 2. Use o cabo de ligação para ligar a calculadora gráfica à interface. 4. Ligue a calculadora e seleccione o programa DATAMATE. Certifique-se que o número do canal e o tipo de sensor aparecem automaticamente no ecrã principal. Caso contrário ver nota Seleccione o modo de recolha de dados. a) Seleccione SETUP no ecrã principal. b) Seleccione MODE c) Seleccione TIME GRAPH. d) Seleccione CHANGE TIME SETTINGS. e) Introduza 30 como o tempo entre amostras. f) Introduza 30 como o número de amostras. g) Volte ao ecrã principal. 6. Seleccione START para começar a recolher dados. 7. Ao fim de 30 s o primeiro ponto será recolhido. Nesse momento mergulhe o tubo de ensaio no banho de água e gelo. (ver nota 2) 8. De seguida adicione ao banho 4 ou 5 colheres de sal ao copo graduado e agite. Continue a agitar o banho de água e gelo durante toda a parte I. 9. Lenta e continuamente agite o sensor durante os primeiros 10 min da parte I. Assegure-se que este está imerso na água. Ao fim desses 10 min deixe de agitar, permitindo que o gelo de forme. (ver nota 3) 10. Ao fim de 15 min terminará a recolha de dados. Mantenha o tubo de ensaio mergulhado. Parte II - Fusão 11. Seleccione START para recolher outro conjunto de dados. (ver nota 4) 12. Quando o primeiro ponto aparecer no ecrã, retire o tubo de ensaio da mistura de água e gelo. Não mexa no sensor ao longo da Parte II. 2

3 13. Ao fim de cerca de 10 min mergulhe o tubo de ensaio num banho de água tépida. (ver nota 5) DADOS Parte I Solidificação Temp vs Tempo Temperatura (ºC) Tempo (s) TEMPO (s) TEMPERATURA (ºC) 0 27, , ,9 90 7, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,9 Parte II Fusão

4 TEMPO (s) TEMPERATURA (ºC) 0-6,5 30-6,3 60-5,9 90-3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 TEMPERATURA EM FUNÇÃO DO TEMPO TEMPERATURA (ºC) TEMPO (s) QUESTIONÁRIO 1. O que aconteceu à temperatura da água durante a solidificação? E da durante a fusão? 2. De acordo com os dados obtidos, qual é a temperatura de solidificação da água? E a temperatura de fusão? 3. Compara as temperaturas de fusão e de solidificação da água.

5 OBSERVAÇÕES ANÁLISE DOS RESULTADOS Os dados obtidos na primeira parte da actividade experimental permitem verificar que no processo de arrefecimento da amostra de água a sua temperatura diminui até atingir um valor próximo de 0 ºC, por volta do instante 210 s. A partir desse instante a amostra mantém este valor de temperatura, apesar de se encontrar mergulhada num banho água+gelo+sal a uma temperatura inferior a 0 ºC. Assim o valor de 0 ºC corresponde ao valor de temperatura de solidificação da água. Podemos ainda verificar que, quando deixamos de agitar a amostra com o sensor, esta solidifica na totalidade e a sua temperatura diminui rapidamente. Esta diminuição aconteceu a partir do instante 480 s. O gráfico obtido na parte II da actividade experimental permite verificar que a amostra mantém uma temperatura constante e próxima de 0 ºC durante o processo de fusão. Este valor não é exactamente igual ao ponto de fusão da água, pois durante a actividade, apenas a extremidade do sensor se encontra imersa na amostra em estudo. Assim ocorrem trocas de calor com o ar circundante, conduzindo a incertezas na medição da temperatura. Neste gráfico podemos observar o rápido aumento da temperatura quando a amostra é retirada do banho água + gelo, atingindo o equilíbrio próximo de 0 ºC. Podemos ainda observar um novo rápido aumento de temperatura, a partir do instante 720 s, quando a amostra é mergulhada em água tépida. Da comparação dos dados obtidos nas duas partes da actividade podemos verificar que a temperatura de solidificação e de fusão da água são iguais e igual a 0 ºC, o que corresponde ao Ponto de Fusão da água. Os resultados foram obtidos com uma amostra de água da torneira. Seria interessante realizar esta actividade com água destilada. OUTROS ASPECTOS A actividade requer um período total de 45 a 50 minutos. Nesta actividade utilizou-se uma amostra de 5 ml de água. Uma maior quantidade de água melhorará o comportamento do sensor, pois uma maior parte deste estará mergulhada, no entanto, volumes maiores de água irão requerer mais tempo para a realização da actividade. Sugere-se o uso de um computador e impressora, com o programa TI-GRAPH LINK, de modo a imprimir o gráfico para fornecer aos alunos. Se não for possível os alunos poderão construir o gráfico, a partir dos dados registados, manualmente ou usando o programa EXCEL.

6 NOTAS: 1. Se o sensor não tiver identificação automática, efectue os seguintes procedimentos: a) no ecrã principal do DataMate prima Setup b) Mova o cursor para o canal adequado e prima Enter. c) Na lista de sensores seleccione o pretendido. 2. Este banho de água e gelo deverá ser continuamente agitado, com a ajuda do agitador magnético, de modo a obter uniformização da temperatura. 3. A adição de sal permite que a mistura água+gelo esteja a uma temperatura inferior a zero graus Celsius. Assim, para que a amostra de 5 ml de água não congele de imediato, será necessário agitála com a ajuda do sensor. Assim que a agitação cesse, o gelo forma-se e a temperatura baixará para valores próximos dos da mistura água+gelo+sal. 4. Os pontos 3, 4, e 5 não precisam de ser repetidos. Este novo conjunto de dados será recolhido de 30 em 30 s por um período de 15 min. 5. Este procedimento irá permitir uma mais rápida fusão da amostra e subsequente aumento da sua temperatura. 6