DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO DO COBRE (Cu), DO CHUMBO (Pb), E DO VIDRO UTILIZANDO UM CALORÍMETRO 1. TEORIA A quantidade de calor Q que é absorvida ou libertada quando um corpo é aquecido ou arrefecido é proporcional à variação de temperatura T e à sua massa M, Q = C M. T (1) O factor de proporcionalidade, C, denomina-se por calor específico mássico do corpo e é uma grandeza que depende do material, da temperatura e do processo de transferência de calor (volume constante ou pressão constante). No caso dos sólidos e líquidos o tipo de processo é pouco importante e podemos falar de um calor específico indiferenciado. Na experiência que se pretende realizar vai ser determinado o calor específico médio (na gama de temperaturas de trabalho) de corpos de várias substâncias no estado sólido (Cu, Pb, vidro). Em cada caso, determina-se a massa do corpo (m 1 ), aquece-se o corpo com vapor de água até uma temperatura T 1 100 C e coloca-se corpo num recipiente isolado com água (água com massa m 2, que se encontra a uma temperatura inicial T 2 ). Após algum tempo, corpo e a água atingem uma temperatura de equilíbrio T m, por permuta de calor, sendo a homogeneização da temperatura da água obtida através da agitação mecânica do sistema. A quantidade de calor libertada pelo corpo aquecido é Q 1 =C 1.m 1 (T 1 -T m ) (2) e é igual à quantidade de calor absorvida pela água Q 2 = C 2 m 2 (T m -T 2 ) (3) onde C 2 e m 2 são respectivamente o calor específico da água a pressão constante (4,186 kj kg -1 C -1 ) e a sua massa. A figura 1.1 representa esquematicamente o corpo aquecido à temperatura T 1, a ser lançado no calorímetro (água à temperatura T 2 ). A temperatura final, após se atingir o equilíbrio térmico, é T m. Podemos assim determinar o calor específico médio no intervalo [T m ;T 1 ] através da expressão C 1 =C 2 (m 2 /m 1 ) ( T m -T 2 )/(T 1 -T m ) (4)
T 1 T m T 2 Figura1.1: Processo de obtenção do equilíbrio térmico no calorímetro Na realidade, o recipiente (calorímetro) também absorve algum do calor libertado. Para o calorímetro utilizado nesta experiência, o fabricante corrige a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro indicando uma massa de água equivalente que absorveria o calor em questão, m equi. Assim, a expressão 3 altera-se para Q 2 = C 2 (m 2 +m equi ) (T m -T 2 ) (5) e a expressão 4 altera-se para: C 1 =C 2 ((m 2 +m equi )/m 1 ) ( T m -T 2 )/(T 1 -T m ) sendo m equi =0,024kg. (6)
2. EQUIPAMENTO calorímetro (recipiente isolado) (Figura 2.1) tampa do recipiente com abertura para termómetro e suporte do corpo (Figura 2.2) Figura 2.1: Recipiente isolado Figura 2.2. Tampa do recipiente isolado termómetro (menor divisão da escala 0,2 C) balança gerador de vapor (figura 2.3) sistema de aquecimento do corpo por vapor (figura 2.4) Figura 2.3: Gerador de vapor Figura 2.4: Sistema de aquecimento por vapor Cobre (mini lingotes), Chumbo (esferas) ou vidro (esferas) luvas de protecção térmica
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O esquema da montagem experimental completa está representado na figura 3.1. 6 7 5 Figura 3.1: Esquema da montagem experimental Para realizar as experiências realize as etapas que são descritas de seguida: 1. encha de água o recipente do gerador de vapor (5); 2. ligue os tubos ao recipiente de aquecimento (6) e ao recipiente de vidro (7) (ver figura 3.2); Figura 3.2: Ligação entre os vários recipientes utilizados no aquecimento dos materiais
3. encha o recipiente de aquecimento (6) com o material cujo calor específico C 1 pretende determinar (ver figura 3.3) e tape com a rolha; Figura 3.3: Recipiente de aquecimento com esferas de chumbo 4. ligue o disco eléctrico do gerador de vapor (tenha atenção para que o tubo de libertação do vapor não saia do recipiente de vidro) e espere entre 15 a 20 min ( 20 min no caso do vidro) para que o material a analisar atinja a temperatura do vapor de água em ebulição (T 1 100 C); 5. neste intervalo de tempo meça a massa de água que vai utilizar: meça a massa do calorimetro vazio, m c, utilizando a balança; coloque cerca de 180 a 200ml de água no calorímetro e meça a massa total (m c + m 2 ); determine a massa de água no calorímetro, m 2; 6. introduza o termómetro na tampa do calorímetro e meça a temperatura inicial da água, T 2 ; 7. após o aquecimento coloque a rede do calorímetro por baixo da saída do recipiente de aquecimento para receber o material a analisar e abra a porta inferior do recipiente de aquecimento, deixando cair os pedaços de material até encher a rede de recolha; coloque de imediato a rede no calorímetro, feche-o com a tampa e coloque na sua posição o termómetro (ver figura 3.4); Figura 3.4: Calorímetro fechado, com o material a analisar no seu interior e com o termómetro colocado
8. desligue o disco eléctrico de aquecimento; 9. vá deslocando para baixo e para cima a rede com o material aquecido de modo a homogeneizar a temperatura da mistura; vá observando a subida da temperatura da mistura até atingir a temperartura máxima T m ; 10. retire o material do calorímetro, seque-o e meça a sua massa m 1 (ver figura 3.5) verifique se caiu algum material no fundo do calorímetro; Figura 3.5: Processo de medida da massa do material utilizado na experiência Repita o processo para determinar os calores específicos dos outros dois materiais. ATENÇÃO, cuidado com as queimaduras: a manipulação do gerador de vapor requer cuidado; utilize as luvas térmicas e não deixe esgotar a água no gerador de vapor com o prato ligado; mantenha o tubo de saída do vapor seguro ao recipiente de vidro. Exemplo: Determinação do calor específico do Cu, Pb, vidro (experiência realizada a 29 de Setembro de 2005) m 1 (g) m 2 (g) T 1 ( C) T 2 ( C) T m ( C) C(kJ kg -1 C -1 ) C (kj kg -1 C -1 ) Cu 132,8 188,1 100 20,2 24,5 0,381 0,385 Pb 112,0 181,2 100 22,6 24,1 0,152 0,1295 vidro 39,6 186,2 100 20,6 23,8 0,933 0,746 Os valores C representam valores de referência obtidos na literatura.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Nº NOME, TURNO, GRUPO, DATA Cu m 1 (g) m 2 (g) T 1 ( C) T 2 ( C) T m ( C) C(kJ kg -1 C -1 ) C (kj kg -1 C -1 ) Pb Vidro Comentários ao procedimento experimental e sugestões para a melhoria da experiência Paulo J.P.Freitas 8 de Março de 2005