BALANÇO ENERGÉTICO NUM SISTEMA TERMODINÂMICO

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1 BALANÇO ENERGÉTICO NUM SISTEMA TERMODINÂMICO O que se pretende Determinar experimentalmente qual dos seguintes processos é o mais eficaz para arrefecer água à temperatura ambiente: Processo A com água a 0 C; Processo B com gelo a 0 C. Confrontar os resultados obtidos experimentalmente em cada das situações com os respetivos valores obtidos por resolução teórica dessas mesmas situações e indicar possíveis motivos para eventuais discrepâncias. Como é que vamos fazer Sabendo que dispomos de: Água à temperatura ambiente; Água a 0 C; Cubos de gelo a 0 C; Termómetro; Copos de plástico. No ensaio relativo ao processo A misturar a água à temperatura ambiente com água a 0 C e observar qual a temperatura mínima atingida pela mistura temperatura final. No ensaio relativo ao processo B misturar água à temperatura ambiente com cubos de gelo a 0 C e observar qual a temperatura mínima atingida pela mistura temperatura final. Comparar as temperaturas finais atingidas nos dois processos quanto menor for a temperatura final atingida mais eficaz será o processo. Calcular as respetivas temperaturas finais por resolução teórica de cada uma das situações e comparar estes valores com as observações experimentais indicar então justificações para as suas diferenças. Verificar significados Quais são as transferências de energia que ocorrem no processo A? Transferência de energia por calor da água inicialmente à T ambiente para a água inicialmente a 0 C. Transferência de energia por calor do ambiente para a mistura água + água a 0 C. 1

2 Podemos prever a temperatura final do mistura água + água 0 C? Indica a equação matemática que permite calcular a temperatura final da mistura água + água 0 C. Fazer um balanço energético. Aproximação: Desprezar a transferência de energia por calor do ambiente para o mistura é desprezável. Pela Lei da Conservação de Energia: á á 0 á á á á 0 0 á á á á 0 Conhecendo á, á, (valores medidos) e á (valor tabelado), resolvendo esta equação obtemos T f por resolução teórica desta situação. No processo B, a temperatura do gelo durante a fusão aumenta, diminui ou não varia? Porquê? Não varia, a energia recebida pelo gelo é utilizada para quebrar as ligações entre as moléculas do gelo (aumentar a sua energia potencial) e não para aumentar a energia cinética média das moléculas, mantendo se assim constante a sua temperatura. Depois do gelo ter fundido atinge se o equilíbrio térmico? Não, a temperatura da água resultante da fusão do gelo será pois ainda diferente (inferior) da temperatura da água que inicialmente se encontrava à temperatura ambiente. Quais são as transferências de energia que ocorrem no processo B (água + gelo a 0 C): Transferência de energia por calor do ambiente para a mistura água + gelo a 0 C. Transferência de energia por calor da água inicialmente à T ambiente para o gelo a 0 C. Transferência de energia por calor da água inicialmente à T ambiente para a água resultante da fusão do gelo. Transferência de energia por calor entre a superfície do gelo e o seu interior (o gelo retirado do congelador está uma temperatura muito inferior a 0 C, então quando posteriormente é colocado dentro de água a sua temperatura na interface gelo água é 0 C mas no seu interior a temperatura é na realidade ainda inferior a 0 C). A variação de entalpia de fusão do gelo é 3,33 x 10 5 J/kg. Qual é o significado físico deste valor? Para que 1 kg de gelo (água no estado sólido) passe ao estado líquido é necessário fornecer lhe a energia de 3,33 10 J 2

3 Indica a equação matemática para calcular a quantidade de energia envolvida na fusão de gelo. ã Podemos prever a temperatura final da mistura água + gelo 0 C? ndica a equação matemática que permite calcular a temperatura final da mistura água + gelo 0 C. Fazer o balanço energético. Aproximações: Desprezar a energia transferida por calor do ambiente para a mistura; Desprezar a energia transferida por calor entre a superfície do gelo e o seu interior. Pela Lei da Conservação de Energia: á ã á ã 0 á á ã á ã á 0 0 á á ã á 0 Conhecendo á,, (valores medidos), á, ã (valores tabelados) e resolvendo esta equação obtemos T f por resolução teórica desta situação. Aspectos experimentais relevantes A quantidade de água à temperatura ambiente utilizada pode variar de ensaio para ensaio? Deve ser aproximadamente a mesma, porque T f depende da massa de água a arrefecer (ver equações) logo para avaliarmos qual o método mais eficaz temos que manter este parâmetro constante. A quantidade de gelo 0 C e de água a 0 C em cada um dos ensaios deve ser a mesma ou pode ser diferente? Deve se aproximadamente mesma, pois T f depende da massa de gelo 0 C e da massa de água 0 C (ver equações) logo para avaliarmos qual o método mais eficaz temos que manter estes parâmetro constante. A relação entre a quantidade de água à temperatura ambiente e de gelo a 0 C pode ser qualquer? Pode ser mas por motivos de ordem prática há uma relação mais favorável, caso contrário o gelo não funde ou a sua fusão é muito demorada, impossibilitando a realização da experiência em tempo útil. Verificou se experimentalmente que esta relação deve ser de 6:1, recomenda se cerca de 120 g de água para 20 g. 3

4 Começamos a experiência pelo ensaio com água a 0 C ou pelo processo com gelo a 0 C? Começamos pelo ensaio com gelo a 0 C porque é muito difícil acertar com o gelo a mesma massa de água fria utilizada. Será melhor utilizar cubos de gelo inteiros ou gelo fragmentado? Para diminuir o gradiente térmico entre a superfície e o núcleo dos cubos de gelo previamente fragmentam se os cubos de gelo e colocam se num recipiente com um pouquinho de água. Lista de material e reagentes Descrição Quantidade Copo de plástico 2 Gelo 0 C 1 Água 0 C 1 Termómetro 1 Vareta 1 Pinça 1 Água 1 Picadora de gelo 1 Recipiente Térmico 1 Procedimento Processo B 1. Encaixar os copos de plástico um no outro, por forma a melhorar o isolamento térmico durante o ensaio. 2. Tranferir cerca de 120 g de água à temperatura ambiente para dentro do conjunto de copos de plástico. Fig. 1 Pesagem da água. 3. Registar o valor da massa de água transferida. 4. Medir a temperatura inicial da água e registar o seu valor. 4

5 Fig. 2 Medição da temperatura da água. 5. Transferir com uma pinça cerca de 20 g de gelo a 0 C para o conjunto copos de plástico com a água à temperatura ambiente. Registar o valor da massa de gelo a 0 C transferido. Fig. 3 Pesagem do gelo. 6. Observar atentamente a variação da temperatura da mistura, agintando continuamente e lentamente a mesma com a vareta (homogeneizar a temperatura da mistura). 7. Registar o menor valor de temperatura que a mistura atinge. Processo A 1. Encaixar os copos de plástico um no outro, por forma a melhorar o isolamento térmico durante o ensaio. 2. Transferir cerca de 120 g de água à temperatura ambiente, para dentro do conjunto de copos de plástico. A massa de água transferida deve ser o mais próxima possível da massa de de água utilizada no processo B. 3. Registar o valor da massa de água transferida. 4. Medir a temperatura inicial da água e registar o seu valor. 5. Transferir a água a 0 C, que se encontra dentro do recipente térmico, para dentro do conjunto de copos de plástico com a água à temperatura ambiente. A massa transferida deve ser o mais próxima possível da massa de gelo a 0 C utilizada no processo B. 6. Registar o valor da massa de água a 0 C transferida. 7. Observar atentamente a variação da temperatura da mistura, agintando continuamente a mesma com a vareta, e registar o menor valor de temperatura que a mistura atinge. 5

6 Registos Processo B Mistura água + gelo 0 C m água (kg) m gelo 0 C (kg) T i ( C) T f ( C) 0, , ,00 9,30 Processo A Mistura água + água 0 C m água (kg) m água 0 C (kg) T i ( C) T f ( C) 0, , ,20 18,80 Cálculos Processo B á ã á ã 0 á á ã á 0 Substituindo os valores tabelados á 4186 J kg e ã 3,33 10 J kg: á , á , Substituindo os valores medidos á 0,12067 kg, 0,02303 kg e 22,00 : 0, ,00 0, , , ,38 Processo A á á 0 á á á á 0 Substituindo o valor tabelado á 4186 J kg á 4186 á Substituindo os valores medidos á 0,12050 kg, á 0,02350 kg e 22,20 : 0, ,20 0,

7 18,57 Conclusões Para arrefecer água é mais eficaz utilizar gelo a 0 C do que água a 0 C. A temperatura mínima experimental atingida pela mistura é em ambos os processos superior ao seu valor previsto teoricamante. Porque no respetivo cálculo não se considerou a transferência de energia por calor, que na realidade ocorre, do ambiente para a mistura água + água 0 C ou do ambiente para a mistura água + gelo a 0 C. No caso do processo água + água 0 C a previsão teórica por defeito em relação ao valor experimental também se poderá dever ao facto de a água supostamente a 0 C não estar eventualmente precisamente a esta temperatura mas sim a uma temperatura ligeiramente superior. O afastamento do valor previsto teoricamente em relação ao valor experimental é maior no caso do processo B talvez porque este processo decorreu num período de tempo um pouco mais lato sendo então maior a quantidade de energia transferida por calor do ambiente para a mistura. 7