Experimento de Equilibrio Termico - Termodinamica Experimental I

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UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTE 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
TERMODINÂMICA EXPERIMENTAL 
 
 
 
 
 
2021.2 
 
 Termodinâmica Experimental I – Equilíbrio Térmico 
ELOY, Laura1; SOARES, Geilson²; MEDEIROS, Eloísa³; JUNIOR, Genilson4 
1UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
<geilson.lima.093@ufrn.edu.com.br > 
 
RESUMO 
Este artigo é referente à prática do experimento de equilíbrio térmico, da matéria de 
Termodinâmica Experimental I. Neste documento estará presente a descrição do procedimento 
experimental, os resultados obtidos e a discussão destes, interligando-os com os conteúdos 
aprendidos em sala de aula. Este experimento tem como objetivo ampliar os conhecimentos 
acerca do equilíbrio térmico, utilizando o que foi aprendido na matéria de termodinâmica 
química. 
 
Palavras-chave: calorimetria, equilíbrio, termodinâmica 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
Equilíbrio térmico é o nome dado ao estado em que dois corpos ou substâncias com certa 
temperatura inicial se igualam quando em contato, atingindo a mesma temperatura. Está 
relacionado com a transferência de calor espontânea que ocorre no sentido do corpo de maior 
temperatura para o de menor temperatura. As partículas do corpo mais quente transferem 
energia às partículas do corpo mais frio. Como consequência desta transferência, a energia 
interna das partículas do corpo mais quente diminui, enquanto a energia interna das partículas 
do corpo mais frio aumenta, até ao momento em que a temperatura dos dois corpos se iguala. 
 
1.1. Equilíbrio Térmico 
1.1.1. Lei Zero da Termodinâmica 
A Lei Zero da Termodinâmica está diretamente relacionada com o conceito de energia 
térmica, visto que é alusiva a energia interna dos materiais expressa indiretamente pela 
temperatura. Sua definição é: “Se dois corpos estiverem em equilíbrio com um terceiro, estarão 
em equilíbrio entre si’’. (AFONSO, 2012). 
Analogamente temos o conceito de conservação de energias, a qual elucida que toda quantidade 
de calor que um corpo emite é absorvido por suas vizinhanças e se considerarmos um sistema 
fechado, temos que: 
 QR + QC = 0 
 
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1.1.2. Calorimetria 
 
O conceito de calor diz que a temperatura de um corpo está relacionada à agitação das 
partículas que o constituem, relacionado ainda com o conceito de calorimetria a qual explica à 
transferência de energia térmica entre corpos, dando mecanismos para calcular a quantidade de 
energia transferida entre corpos de diferentes temperaturas. 
Quando um corpo absorve calor e sofre uma mudança, como por exemplo, uma dilação 
térmica ocasionando uma mudança em seu tamanho, ou então uma mudança em seu estado 
físico, temos dois pontos chaves dentro da calorimetria denominados de calor sensível e calor 
latente. (RAFAEL HELERBROCK, 2021) 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. A calorimetria estuda, entre outras coisas, as mudanças de estado físico da 
matéria. (RAFAEL HELERBROCK, 2021) 
1.1.3 Calor Sensível 
Diz respeito ao calor fornecido a um corpo que gera apenas variação na 
temperatura, é calculado através da seguinte equação 
 Q = m.c. Δt 
Onde: 
Q = calor sensível (cal) 
m = massa (g) 
c = calor específico (cal/g Cº) 
Δt = variação de temperatura (Cº) 
1.1.4 Calor Latente 
Quando o calor recebido pelo corpo causa mudança de estado físico, sendo 
calculado pela seguinte equação: 
 Q = m.L 
Onde: 
Q = calor latente (cal) 
m = massa (g) 
L = calor latente específico (cal/g Cº) 
 
 
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1.1.5 Métodos de transferências 
O calor pode ser transferido entre corpos por meio de três processos distintos, 
são eles: 
Condução – ocorre por meio das colisões entre átomos vizinhos, sendo esse 
mais comum em sólidos. 
Convecção – processo de transferência de calor que acontece em meios fluidos 
(líquidos e gasosos), ocorre por meio da movimentação dos fluidos em razão 
da variação de densidade, ocasionando a variação da temperatura, é o único em 
que acontece transporte de matéria. 
Radiação – é a transferência de calor por meio da emissão e absorção de ondas 
eletromagnéticas, onde todos os corpos que estão acima da temperatura 0 Kº 
emitem ondas. 
 
Tabela 1 – Calores específicos de substâncias 
 
Substância Calor Específico (cal/g.ºC) 
Água 1 cal/g.ºC 
Álcool Etílico 0,58 cal/g.ºC 
Alumínio 0,22 cal/g.ºC 
Ar 0,24 cal/g.ºC 
 
Fonte: Guimarães, L. A. M; Boa, M. C. F. Termologia e óptica. São Paulo: Editora Harbra, 1997). 
 
O objetivo deste experimento é estudar o processo envolvendo o equilíbrio térmico e a 
transferência de calor em diferentes materiais, na situação em que nenhum dos processos ocorre 
a perda de energia térmica. A partir dos dados experimentais obteremos os calores específicos 
e outras informações, como a entropia e a eficiência de transferência térmica dos materiais 
envolvidos 
 
METODOLOGIA 
O método que foi utilizado para a realização deste artigo é o quantitativo, com a 
finalidade de analisar, em valores numéricos, as variáveis pertencentes ao processo de 
transferência de calor e equilíbrio térmico em diferentes sistemas. 
 
1.2. Materiais Utilizados 
Os materiais utilizados neste experimento foram: calorímetro; termômetro; chapa de 
aquecimento; béqueres; fio de cobre; água destilada; bastão de vidro; óleo de soja. 
 
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Para obter os dados necessários foram realizados cálculos acerca dos dados fornecidos para a 
determinação de outras variáveis pertencentes ao processo. 
1.3. Procedimento Experimental 
O procedimento experimental deste experimento pode dividir-se em três etapas. 
1. Calibração do calorímetro 
 
Separou-se 100mL de água destilada. Foi transferida a água para o calorímetro e medida a 
temperatura, anotando o valor. Em seguida, separou-se novamente mais 100mL de água 
destilada num béquer e aqueceu-se até 50°C na chapa de aquecimento. Quando a água chegou 
à temperatura indicada, adicionou-se, rapidamente, no calorímetro e agitou-se. Foi anotada a 
temperatura. Resfriou-se o calorímetro com água da torneira. Lavou-se, ao fim, com água 
destilada e o secado com papel. 
2. Determinação da temperatura de equilíbrio para sistema água - fio de cobre 
 
Separou-se 100mL de água destilada, colocou-se no calorímetro e foi medida sua 
temperatura. Pesou-se o fio de cobre e foi anotada a massa medida. Aqueceu-se na chapa de 
aquecimento quente. Foi medida sua temperatura, ainda na chapa, com o auxílio de um 
termopar por 5 minutos. Em seguida, com o auxílio da ferramenta e da proteção adequadas, 
adicionou-se o fio de cobre ao calorímetro delicadamente. Agitou-se a mistura com o auxílio 
de um bastão de vidro e foi anotada a temperatura. Após todas as anotações, resfriou-se o 
calorímetro com água da torneira. Lavou-se, ao fim, com água destilada e o secado com papel. 
3. Determinação da temperatura de equilíbrio para sistema óleo-óleo 
Separou-se 100mL de óleo de soja. Foi transferido o óleo para o calorímetro e medido a 
temperatura, anotando o valor. Em seguida, separou-se novamente mais 100mL de óleo de soja 
num béquer e aqueceu-se até 50°C na chapa de aquecimento. Quando o óleo de soja chegou à 
temperatura indicada, adicionou-se, rapidamente, no calorímetro e agitou-se. Foi anotada a 
temperatura. Resfriou-se o calorímetro com água da torneira. Lavou-se, ao fim, com água 
destilada e o secado com papel. 
4. Determinação da temperatura de equilíbrio para sistema óleo-fio de cobre. 
Separou-se 100mL de óleo de soja, colocou-se no calorímetro e foi medida sua 
temperatura. Pesou-seo fio de cobre e foi anotada a massa medida. Aqueceu-se na chapa de 
aquecimento quente. Foi medida sua temperatura, ainda na chapa, com o auxílio de um 
termopar por 5 minutos. Em seguida, com o auxílio da ferramenta e da proteção adequadas, 
adicionou-se o fio de cobre ao calorímetro delicadamente. Agitou-se a mistura com o auxílio 
de um bastão de vidro e foi anotada a temperatura. Após todas as anotações, resfriou-se o 
calorímetro com água da torneira. Lavou-se, ao fim, com água destilada e o secado com papel. 
 
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1.4. Tratamento de Dados 
Os dados que nós obtivemos foram dados quantitativos, tendo em vista a natureza dos 
dados, utilizamos a técnica da análise descritiva, onde analisamos o comportamento gráfico dos 
dados e também utilizamos cálculos termodinâmicos para termos uma análise com maior 
precisão. Agrupamos os dados em tabelas no programa Excel, dessa forma, conseguimos ter 
uma melhor visualização dos dados para efetuarmos os cálculos termodinâmicos dos dados. 
 
2. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
2.1. Dados Quantitativos 
Tabela 2. Valores de temperatura inicial e final, massa e equilíbrio 
Ensaios T(1) Inicial T(2) Inicial T Equilíbrio m(1) (g) m(2) (g) 
Água(1) + Água(2) 25 50 34 100 100 
Óleo(1) + Óleo(2) 25 50 40 90 90 
Água(1) + Cobre(2) 25 70 27 100 5 
Óleo(1) + Cobre(2) 27 70 32 90 5 
 
 
Tabela 3 – Resultados da Eficiência Térmica 
 
Ensaio Eficiência Térmica 
Água(1) - água(2) 9,8% 
Água(1) - fio(2) 99,8% 
Óleo(1) - óleo(2) 11% 
Óleo(1) - fio(2) 94% 
 
Tabela 4 – Valores da Entropia 
Ensaio Entropia (cal/°C) 
Água(1) - água(2) 3,589 
Água(1) - fio(2) 69,09 
Óleo(1) - óleo(2) -31,54 
Óleo(1) - fio(2) 5,748 
 
 
Tabela 5 – Calor específico do óleo e cobre; Erro; 
Ensaio Calor específico 
(cal/°C) 
Erro 
Óleo 0,4 1% 
Cobre 0,094 2% 
Podemos observar também que a eficiência de transferência térmica entre os líquidos 
(água e óleo) com o fio de cobre obteve uma taxa alta de eficiência. Utilizamos a seguinte 
equação: 
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𝑛 = 1 −
𝑄𝑠𝑎𝑖
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
 
Onde: 
n = eficiência térmica 
Qsai = calor que sai do sistema 
Qentra = calor que entra no sistema 
Percebemos que, tanto nos cálculos quanto no calorímetro, houve uma variação de 
temperatura e de entropia, quando os ensaios entraram em contato entre si, fazendo uso da lei 
do equilíbrio térmico. Calculamos os valores de entropia fazendo uso da equação: 
ΔS =∫
1
𝑇(𝑄)𝐴
𝑑𝑄 
Onde: 
ΔS = variação de entropia 
T(Q) = temperatura absoluta em função da quantidade de calor 
 
 Quanto ao calor especifico do óleo e do cobre no experimento, calculamos essa 
grandeza utilizando as seguintes equações: 
C = Q/ΔT 
c = C/m 
Onde: 
C = capacidade térmica (cal/g Cº) 
Q = calor latente (cal) 
ΔT = Variação de temperatura (Cº) 
c = calor especifico (cal/g Cº) 
m = massa (g) 
 
Calculamos o erro experimental usando a relação: 
|𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛ℎ𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜|
𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛ℎ𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜
 
 
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3. CONCLUSÕES 
De acordo com a fundamentação teórica vista neste mesmo documento, é possível reconhecer 
a importância do experimento de equilíbrio térmico ser feito em um calorímetro, isto significa, 
sem perdas de energia para o ambiente. 
Além disso, foi necessário reconhecer o papel fundamental do equilíbrio térmico na vida 
terrestre, já que, sem a presença dos gases estufa na atmosfera terrestre, grande parte da radiação 
térmica do planeta o deixaria, propagando-se para o espaço. Com o passar do tempo, isso 
causaria um grande resfriamento em todo o planeta, fazendo com que os oceanos congelassem 
com o passar do tempo. 
Analogamente, os oceanos têm um papel fundamental no equilíbrio térmico do planeta. Em 
virtude de sua grande massa e calor específico, os oceanos são dotados de uma 
enorme capacidade térmica, isto é, precisam receber enormes quantidades de calor para ter a 
sua temperatura alterada. Por esse motivo, são capazes de regular de maneira muito eficiente a 
temperatura do planeta. 
Portanto, o equilíbrio térmico é um processo de fundamental importância para a manutenção 
dos processos físicos, químicos e biológicos do planeta e, dessa maneira, imprescindível para a 
existência da vida na Terra. 
 
4. REFERÊNCIAS 
ABNT. NBR 14724: informação e documentação: trabalhos acadêmicos: apresentação. Rio de Janeiro, 
2002. 6 p. 
FRANÇA, Júnia Lessa et al. Manual para normalização de publicações tecnico-cientificas. 6. ed. rev. 
e ampl. Belo Horizonte: UFMG, 2003. 230 p. 
IBGE. Normas de apresentação tabular. 3. ed. 1993. 
LAKATOS, Eva Maria; MARCONI, Marina de Andrade. Fundamentos de metodologia cientifica. 3. 
ed. rev. e ampl. São Paulo: Atlas, 1991. 270 p. 
RELATÓRIO final de projetos de pesquisa: modelo de apresentação de artigo científico. Disponível 
em: <http://www.cav.udesc.br/anexoI.doc.>. Acesso em: 03 dez. 2003. 
AFONSO, C. Termodinâmica para Engenharia. Porto: FEUP Edições, 2012. 
 
 
 
 
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APÊNDICE A 
Elemento opcional. “Texto ou documento elaborado pelo autor a fim de complementar o texto 
principal.” (NBR 14724, 2002, p. 2). Dever estar em uma página isolada. 
 
ANEXO A 
Elemento opcional, “texto ou documento não elaborado pelo autor, que serve de 
fundamentação, comprovação e ilustração.” (NBR 14724, 2002, p. 2). Deve estar em uma 
página isolada.