CONJUNTO DE TERMOMETRIA E CALORIMETRIA

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1 Manual de Instruções e Guia de Experimentos CONJUNTO DE TERMOMETRIA E CALORIMETRIA OBSERVAÇÃO SOBRE OS DIREITOS AUTORAIS Este manual é protegido pelas leis de direitos autorais e todos os direitos são reservados. Entretanto é permitida e garantida para instituições de ensino a reprodução de qualquer parte deste manual para ser fornecida e usada nos laboratórios e não para venda. A reprodução em qualquer outra circunstancia, sem a permissão da AZEHEB é proibida. GARANTIA A AZEHEB garante este produto contra defeitos de fabricação por um período de 3 anos a partir da data de envio para o cliente. A AZEHEB consertará OU trocará, o produto com defeito se for constatado que defeito foi causado por problemas nos materiais que o compõe o produto ou falhas na fabricação. Esta garantia não cobre problemas causados por abuso ou uso incorreto do produto. A determinação se o defeito do produto é resultado de falha na fabricação ou se foi causado por uso impróprio será feita unicamente pela AZEHEB. A responsabilidade pelo envio do equipamento para o reparo dentro do período da garantia pertence ao consumidor O equipamento deverá se embalado corretamente para evitar danos e enviado com frete pré-pago. (Danos causados pelo transporte devido à embalagem imprópria não serão cobertos pela garantia). O transporte do equipamento, após o reparo, será pago pela AZEHEB. DEVOLUÇÃO DE PRODUTOS Se for necessário devolver o produto para a AZEHEB, por qualquer razão, é necessário notificar a AZEHEB por carta, ou por telefone ANTES de devolver o produto. Após a notificação, serão enviadas imediatamente a autorização e as instruções de devolução e transporte. Nota: Não será aceita a devolução de nenhum produto sem autorização prévia. Ao devolver produtos para o reparo, eles devem ser embalados corretamente. Os transportadores não aceitarão a responsabilidade dos danos causados pela embalagem imprópria. Para estar certo que o produto não será danificado no transporte, observe as recomendações abaixo: 1. A caixa deve ser forte o bastante para o produto enviado. 2. Assegure-se que há pelo menos 5cm entre o produto e as paredes da embalagem, evitando assim que o produto seja comprimido. 3. Assegure-se que o produto não balançará dentro da embalagem. Para evitar que o produto balance dentro da embalagem utilize calços para travá-lo. Endereço: AZEHEB Laboratórios de Física Rua Evaristo F.F. da Costa, 621 Bairro Jardim das Américas Curitiba PR CEP Telefone: (41) [email protected] 1

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3 EQUIPAMENTO 01 termoscópio; 01 termômetro -10º C a 110º C; 01 termômetro clínico; 01 termômetro de máxima e mínima; 01 calorímetro copo interno 220ml de alumínio, e tampa com furo para termômetro; 01 proveta de vidro 150ml com pé de plástico; 01 copo Becker de vidro 250ml; 01 carretel de linha; 03 corpos de prova em alumínio; 03 corpos de prova em ferro; 01 aquecedor elétrico de imersão 1000W; 01 tela de amianto; 01 queimador a álcool gel com abafador, tampa e reservatório; 01 tripé triangular de ferro zincado; 01 unidade de armazenamento; 3

4 TERMÔMETROS SUBSTÂNCIAS TERMOMÉTRICAS que são líquidos, sólidos e gases cujas propriedades variam quando submetidos a uma variação de temperatura. GRANDEZAS TERMOMÉTRICAS são aquelas propriedades das substâncias termométricas que sofrem variação com a temperatura. Vamos conhecer alguns exemplares de termômetros e suas principais características. EXPERIÊNCIA 01 - Termometria Material Necessário - 01 termômetro 10 o C a 110 o C - 01 termômetro clínico - 01 termômetro de máxima e mínima Procedimentos - observar atentamente cada termômetro; - identificar a escala termométrica e sua precisão; - identificar os valores limites da escala; - citar as aplicações de cada tipo; - anotar os dados característicos dos termômetros. TERMÔMETRO CELSIUS -10º C a 110º C 1. Qual é a substância termométrica usada? 2. Qual é a grandeza termométrica? 3. Quais são os valores limites deste termômetro? 4. Qual é a precisão deste termômetro? 5. Em que situações ele pode ser usado? TERMÔMETRO CLÍNICO 1. Qual é a substância termométrica? 2. Qual é a grandeza termométrica? 3. Quais são os valores limites? 4. Qual é a precisão deste termômetro? 5. Para que se usa o termômetro deste tipo? 6. O que devemos fazer para que o termômetro possa ser utilizado novamente? Se o tubo do termômetro é capilar, porque ele parece ter um diâmetro maior quando fazemos à leitura da temperatura? 4

5 TERMÔMETRO DE MÁXIMA E MÍNIMA 1. Qual é a substância termométrica? 2. Qual é a grandeza termométrica? 3. Quais são os valores limites? 4. Qual é a precisão deste termômetro? 5. Qual é a finalidade deste termômetro? Atividade Complementar 1. O que é um termômetro? 2. O que é uma substância termométrica? Cite exemplos. 3. O que é uma grandeza termométrica? Cite exemplos. 4. Quais foram as substâncias termométricas usadas nos termômetros dos experimentos acima? 5. Porque o mercúrio é a substância mais usada na confecção de termômetros? Quais são as suas vantagens e desvantagens, principalmente as ecológicas? 6. Que escalas termométricas você encontrou nos termômetros estudados? Procure ver se existem outras e quais suas características. 7. O que são pontos fixos? Quais os pontos fixos adotados na construção dos termômetros que usamos? 8. Que valores atribuem aos pontos fixos as diferentes escalas que você conhece? 9. Faça uma análise a respeito da influência do tamanho do bulbo sobre a precisão e a sensibilidade de um termômetro. (Sensibilidade = rapidez do equilíbrio térmico do mesmo com o corpo cuja temperatura quer medir) 5

6 TERMOSCÓPIO Imagine se alguém removesse as escalas dos termômetros. A parte física do mesmo continuaria a funcionar como antes, apenas seria impossível fazer a leitura das temperaturas. A substância termométrica entraria em equilíbrio com os corpos e acusaria variações de temperatura do mesmo modo como antes. Pois é, um instrumento que acusa variações de temperatura, mas não permite efetuar leituras de temperatura, isto é, não apresenta uma escala, é denominado TERMOSCÓPIO. EXPERIÊNCIA 02 - Termoscópio em Termômetro Material Necessário - 01 termômetro -10º C a 110º C - 01 termoscópio - 01 copo plástico (não acompanha o kit) - 01 becker de vidro - 01 lamparina - 01 tela de amianto - 01 tripé para lamparina - 01 caixa de fósforos - 01 régua milimetrada 30cm (não acompanha o kit) Procedimentos 1. Preparar um copo de plástico com um pouco de água e algumas pedras de gelo. Aguardar para que entrem em equilíbrio térmico. 2. Colocar em um becker 50ml de água e esquentar com uma lamparina ou aquecedor elétrico. 6

7 3. Medir com a régua a altura da coluna líquida do termoscópio à temperatura ambiente. h = mm 4. Fazer a leitura da temperatura ambiente indicada no termômetro (evite segurar no bulbo com a mão) θ C = o C. 5. Colocar o termômetro na mistura gelo/água e fazer a leitura da temperatura. θ PG = o C. 6. Mergulhar o bulbo do termoscópio na mistura gelo/água. Após o equilíbrio térmico, marcar com a caneta a altura atingida pela coluna do líquido termométrico e medir esta altura com a régua. h PG = mm. 7. Medir a temperatura da água em ebulição colocando o termômetro em contato com o líquido e anotar o resultado. θ PV = o C. 8. Repetir o processo anterior com o termoscópio, marcando a altura com a caneta hidrográfica e depois medindo. Anotar o resultado. h PV = mm. 9. Reparar se no corpo do termoscópio, ao longo do tubo capilar, existem duas marcas já feitas de fábrica. Se existem estas marcas indicam o PG e PV. Verifique se as suas marcas feitas com a caneta hidrográfica coincidem com aquelas. Se não coincidem, procure encontrar uma explicação para o fato. (SUGESTÃO: observe qual é a altitude em relação ao nível do mar em que se localiza a sua região. Lembre-se que a pressão atmosférica normal vale 1 atm = 760 mmhg = 1, Pa.) 10. Preencher com os dados anotados anteriormente a tabela abaixo. Estado térmico θ ( o C) h (cm) Ponto do gelo Ambiente Ponto do vapor 11. Construir um gráfico de θ = f(h), no espaço abaixo. 12. Qual a forma de gráfico? 7

8 13. Determinar o coeficiente angular. O que ele significa? 14. Em vista disto, qual é a relação de proporcionalidade entre a temperatura θ e a altura h da coluna líquida? 15. Deduzir a relação matemática entre a temperatura e a altura da coluna líquida, sem substituir os valores de θ e h. 16. Substituir nesta equação o valor de h, calcular o valor da temperatura ambiente comparando-a com o valor medido no início da experiência. 17. Repetir as medidas de h para as marcas que a fábrica fez indicando as alturas de PG e PV. Completar a tabela abaixo. Estado térmico θ ( o C) h(cm) Ponto do gelo 0 Ambiente Ponto do vapor Escrever um texto, relatando o que se conclui com a realização deste experimento. 8

9 EXPERIÊNCIA 03 - Capacidade Térmica do Calorímetro Definimos capacidade térmica (equivalente em água) como sendo a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou perder para que sua temperatura varie de 1 o C. Expressão matemática: Q = m.c(θ 2 - θ 1 ) C = m.c Q - quantidade de calor θ - temperatura C - capacidade térmica M - massa c - calor específico Dentro de um calorímetro existe uma quantidade de água retirada da torneira e nela colocamos uma quantidade de água quente. Para um pequeno intervalo de tempo o sistema (calorímetro) isolado do meio ambiente ou seja não troca calor com o meio ambiente, as trocas de calor após a mistura, devem ocorrer obedecendo ao principio da conservação da energia. A quantidade de calor cedida pela água quente é igual à quantidade de calor recebida pela água fria e pelo calorímetro. Estas trocas estão representadas na equação abaixo: Q recebida (água fria) + Q recebida (calorímetro) + Q cedida (água quente) = 0 m 1.c água (θ E - θ 1 ) +C(θ E - θ 1 ) + m 2.c água (θ 2 - θ E ) = 0 Na equação temos: m 1 = massa de água fria m 2 = massa de água quente θ 1 = temperatura inicial da água fria e do calorímetro θ 2 = temperatura inicial da água quente θ E = temperatura do equilíbrio térmico Material Necessário - 01 calorímetro com capacidade de 230ml - 01 proveta 150ml - 01 termômetro 10º C a 110 o C - 01 lamparina, - 01 caixa de fósforos - 01 tripé para lamparina, - 01 tela de amianto 10x10cm - 01 becker 250ml Procedimentos 1. Utilizando uma balança e uma proveta, colocar 50g de água retirada diretamente da torneira na proveta. Medir primeiro a massa do recipiente vazio em seguida coloque 50g de água. m 1 = g 2. Colocar esta água no calorímetro, agitar e aguardar o equilíbrio térmico. Com o termômetro medir esta temperatura (temperatura inicial da água no calorímetro). θ 1 = ºC 3. Utilizando uma balança e uma proveta colocar 80g de água retirada diretamente da torneira. m 2 = g 9

10 4. Montar os acessórios conforme foto abaixo. 5. Colocar esta água no becker e aquecer até aproximadamente 60ºC. (esta temperatura pode ser um pouco maior ou um pouco menor que 60º C). θ 2 = o C 6. Antes de colocar a água quente no calorímetro, medir a massa de água em uma balança e sua temperatura, este procedimento é necessário, pois parte do líquido evapora durante o aquecimento. Em seguida, colocar o líquido no calorímetro, tampar e colocar o termômetro. Observar seguidamente o comportamento da temperatura indicada no termômetro. Agitar suavemente o calorímetro para facilitar a troca de calor entre as quantidades de água e o copo do calorímetro. Esperar aproximadamente 3min até que a temperatura estabilize, esta temperatura é a de equilíbrio térmico. θ E = o C 7. Completar a tabela com os dados coletados e determinar o valor da capacidade térmica do calorímetro em cada caso a partir da equação abaixo. Calcular também o valor médio da capacidade térmica. Q recebida (água fria) + Q recebida (calorímetro) + Q cedido (água quente) = 0 m 1.c água (θ E - θ 1 ) +C(θ E - θ 1 ) + m 2.c água (θ 2 - θ E ) = 0 calor específico da água c = 1cal/g o C C = [m 2. (θ 2 - θ E ) - m 1. (θ E - θ 1 )] / (θ E - θ 1 ) C = Experiência m 1 (g) m 2 (g) θ 1 (º C) θ 2 (º C) θ E (º C) C(g) Média 8. Repetir a experiência mais duas vezes, colocar em uma delas uma maior quantidade de água quente e na outra uma maior quantidade de água fria. 10

11 9. Comentar sobre as possíveis fontes de erro experimental. 10. Calcular o valor médio da capacidade térmica para a turma. 11. Deduzir, passo a passo, a equação. 12. Comentar sobre as principais fontes de erro nesta experiência. 11

12 EXPERIÊNCIA 04 - CALOR ESPECÍFICO DO ALUMÍNIO O desenvolvimento desta experiência será baseado no princípio das trocas de calor. O calor será trocado entre a água, o corpo de prova (sólido) e o calorímetro. O calorímetro, tal como uma garrafa térmica, procura impedir a transmissão de calor através de suas paredes, portanto é considerado um recipiente adiabático. MATERIAL NECESSÁRIO 01 calorímetro com capacidade de 230mL, 01 proveta 150mL 01 termômetro 10º C a 110 o C, 01 lamparina, 01 caixa de fósforos 01 tripé para lamparina, 01 tela de amianto 10x10cm. 01 becker 250ml, 03 corpos de prova de alumínio 01 carretel de linha PROCEDIMENTOS 1. Determinar a massa do corpo de prova. m 1 = g 2. Colocar água no Becker 150mL e aquecer até a ebulição. 3. Medir na proveta aproximadamente 100ml de água tirada da torneira. 4. Determinar a massa de água contida na proveta. (1mL= 1g) m 2 =100g 5. Colocar esta água no calorímetro, agitar suavemente o conjunto durante 30s. 12

13 6. Medir a temperatura do conjunto (calorímetro com a água). θ 2 = C 7. Colocar o corpo de prova na água em ebulição. 8. Aguardar alguns minutos e medir a temperatura do corpo (temperatura da água em ebulição). θ 1 = C 9. Retirar o corpo de prova da água quente e colocá-lo rapidamente no calorímetro. Agitar o conjunto suavemente. 10. Durante o processo, observar seguidamente a temperatura indicada no termômetro. Aguardar até que temperatura se estabilize. 11. Medir a temperatura de equilíbrio térmico. θ E = o C 12. Calcular o calor específico do corpo de prova aplicando o princípio das trocas de calor. Q recebida + Q cedido = 0 Água = Q a Corpo de prova = Q p Calorímetro = Q c Q p + Q c + Q a = 0 Q p = m 1.c x. (θ 1 - θ E ) Q a = m 2.c 2. (θ E - θ 2 ) c água = 1cal/g.ºC calor específico da água. Q c = E. (θ E - θ 2 ) C = m.c = calculado no experimento anterior. CÁLCULOS Q recebida (água) + Q recebida (calorímetro) + Q cedido (corpo de prova) = 0 m 2.c água (θ E - θ 2 ) +C.(θ E - θ 2 ) + m 1. c x (θ 1 - θ E ) = 0 c x = 13. Comparar o valor do calor específico calculado com o tabelado. material Calor específico tabelado (cal/g o C) alumínio 0,22 ferro 0,11 Calor específico calculado (cal/g o C) 14. Qual a natureza da substância utilizada no experimento? 13

14 15. Por que o corpo de prova foi aquecido indiretamente? 16. Por que é necessário aguardar alguns minutos, após a ebulição da água para utilizar o corpo de prova? 17. Por que o calorímetro deve ser agitado após a introdução do corpo de prova? 18. Qual o valor obtido para o calor específico? 19. Comparar o valor calculado do calor específico com o valor tabelado. 20. O calor específico depende da substância? 21. O calor específico depende da massa da substância? 22. Qual a vantagem de se utilizar corpos de prova relativamente grandes? 14