RELATORIO 5 - CAPACIDADE TERMICA DE UM CAPACITOR

Prévia do material em texto

DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE TÉRMICA DE UM CALORÍMETRO 
 
 
Gabriel Garcia 
Gabrielly Morais 
Gustavo Lemos 
Karine Druzian 
Paola Silva 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VOTUPORANGA 
2022 
 
Gabriel de Jesus Garcia 
Gabrielly Morais Monteiro 
Gustavo Lemos da Silva 
Karine Nunes Druzian 
Paola da Silva Souza 
 
 
 
 
 
 
 
 
DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE TÉRMICA DE UM CALORÍMETRO 
 
 
 
 
 
 
Relatório apresentado como parte dos requisitos para aprovação na 
disciplina Física Experimental II, do curso Bacharelado em 
Engenharia Elétrica, do Instituto Federal de Educação, Ciência e 
Tecnologia de São Paulo – IFSP. 
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Melo de Oliveira 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VOTUPORANGA 
2022 
 
 
SUMÁRIO 
1 OBJETIVO ................................................................................................................................ 4 
2 INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 5 
3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ........................................................................................ 7 
3.1 MATERIAIS.............................................................................................................................. 7 
3.2 METODOLOGIA ...................................................................................................................... 7 
4 RESULTADOS ........................................................................................................................ 11 
5 CONCLUSÃO ......................................................................................................................... 13 
6 REFERÊNCIAS…………………………………………………………………………………………………………………..14 
ANEXO – CÁLCULOS……………………………………………………………………………………………………………….15 
 
 
4 
 
 
1. OBJETIVO 
 
O objetivo do experimento em sala de aula é medir a capacidade térmica de um 
calorímetro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
 
2. INTRODUÇÃO 
 
A calorimetria é a área da física que analisa os fenômenos relacionados ao 
calor e à temperatura dos corpos, ou seja, é uma energia que flui entre um sistema 
e a sua vizinhança devida a uma diferença de temperatura entre elas. Ademais, 
sabemos que a mesma está presente em diversas situações de nossas vidas, sua 
importância não se dá apenas para a física, como também para todo cotidiano. 
Essa discussão do uso das palavras no contexto do cotidiano e no contexto 
científico é de capital importância para o ensino das ciências e constitui ramo de 
pesquisa na área de educação (BARROS 2009, LIMA 2008, MORTIMER 1998). 
Além do mais, sabe- se que a partir da área da calorimetria é possível que 
se faça a medição do calor específico. 
O calor específico 𝑐 é a capacidade térmica específica, ou a capacidade 
térmica por unidade de massa (TIPLER, Paul A. Física para cientistas e 
engenheiros, 2009). 
Quando um sistema absorve calor, pode haver um aumento em sua 
temperatura, dependendo do processo termodinâmico envolvido. Define-se 
capacidade térmica 𝐶𝑠 de um sistema como sendo a razão entre a quantidade de 
calor Q que ele recebe e a consequente variação de temperatura T, ou seja, 
 𝐶𝑠 = 
𝑄
T
=
𝑄
𝑇−𝑇𝑜
 (I) 
em que To e T são as temperaturas inicial e final no processo, respectivamente. 
A capacidade térmica por unidade de massa é chamada calor específico 
do sistema. A determinação da capacidade térmica é feita, em geral, com o uso 
de um calorímetro, que é um sistema fechado que não permite troca de calor com 
o ambiente. O procedimento é, então, de fornecer uma quantidade de energia 
conhecida e medir a consequente variação da temperatura. Uma maneira prática 
de fornecer energia é com o uso de um sistema elétrico. Ao se aplicar a um 
aquecedor elétrico uma tensão elétrica V aparecerá nele uma corrente I. A energia 
E liberada por esse aquecedor, em um intervalo de tempo t, é dada por: 
 
6 
 
 𝛥𝐸 = 𝑉. 𝐼. 𝛥𝑡 (II) 
 
Para um sistema que não perde energia para a vizinhança, mostre que sua 
temperatura final , após o aquecedor ficar ligado durante um tempo t, será dada pela 
equação: 
 𝑇 = 𝑇𝑜 + (
(𝑉𝐼)
𝐶𝑠
)𝑡 (III) 
em que To é a temperatura inicial e Cs, a capacidade térmica do sistema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
3. PROCEDIMENTOS 
3.1 MATERIAIS 
 
Fonte de alimentação 
Ebulidor 
Termômetro 
Cronômetro 
Recipiente termicamente isolado (Calorímetro) 
Agitador 
Água 
Cabos para ligações elétricas 
Proveta 
 
3.2 MÉTODOS 
 
O passo inicial foi determinar a massa da água utilizando uma proveta e considerando a 
incerteza da mesma (±2) g, disponibilizada no próprio objeto de medição. 
Figura 1: Proveta com a quantidade de água para o experimento. 
 
Fonte: Os autores (2022) 
 
 
8 
 
Analisando a massa de agua devida para encher o calorímetro e cobrir 
o resistor do mesmo, foi necessária fazer mais uma medição da mesma, mas 
dessa vez, apenas com a quantidade água que faltou para completar de 
preencher o calorímetro, como mostra a figura 2. 
Figura 2: Segunda medição da massa de água. 
 
Fonte: Os autores (2022) 
 
Em seguida, o líquido foi adicionado no recipiente termicamente 
isolado. 
O próximo passo foi aquecer o termômetro até entrar em equilíbrio 
térmico com a água adicionada. Para aquecer, foram ajustados na fonte de 
alimentação a tensão e a corrente necessárias para ligar o calorímetro, sendo 
elas: Tensão 6,5V e Corrente 3,58A. 
 
 
9 
 
 
Figura 3: Ajuste da Tensão e Corrente na fonte de alimentação disponível 
no laboratório para ligar o calorímetro. 
 
Fonte: Os autores (2022). 
 
Depois de ajustados, o recipiente foi fechado e adicionado o 
termômetro, em que temperatura de equilíbrio escolhida foi de 24°C. 
Figura 4: Ligação do capacitor 
 
Fonte: Os autores (2022). 
 
 
10 
 
Atingindo essa temperatura, foi acionado um cronômetro para contar 
10 medições da variação de temperatura, até atingir uma temperatura final de 
34°C. A cada variação, o cronômetro era interrompido e anotado em uma 
tabela, o tempo que levou de uma variação de temperatura até a outra. Nesse 
processo, foi utilizado um agitador foi utilizado para uniformizar a temperatura 
dentro do capacitor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11 
 
4. RESULTADOS 
Como dito, foram necessárias duas medições para a massa de água pois na 
primeira medição, não foi atingida a quantidade precisa para encher todo o calorímetro 
e assim cobrir o resistor presente no mesmo, resultando na tabela 1. 
Tabela 1: Resultados da medição das massas de água utilizando a proveta. 
Massa da água na 
primeira medição (±2) g 
Massa da água na 
segunda medição (±2) g 
Massa da água 
total (±2) g 
100 60 160 
Fonte: Os autores (2022). 
As medições da variação da temperatura e do tempo de cada oscilação estão 
presentes na tabela 2. 
 Tabela 2: Tempo de cada oscilação da temperatura 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Os autores (2022). 
 
 
 
Tempo (s) Temperatura (°C) 
0,00 24,00 
63,00 25,00 
96,00 26,00 
120,00 27,00 
154,00 28,00 
182,00 29,00 
214,00 30,00 
250,00 31,00 
282,00 32,00 
312,00 33,00 
348,00 34,00 
 
12 
 
Em seguida, foram utilizados os valores do tempo e da temperatura para plotar o 
gráfico utilizando o software SCIDavis e o valor de Cs (capacidade térmica do sistema). 
 
Fonte: Os autores (2022). 
Em que A = (0,0303 ± 0,0007) 
Com o valor de A em mãos, foi possível determinar o valor de Cs, sendo ele a 
capacidade térmica dosistema, através das devidas manipulações na equação III, e 
comparando com o ajuste linear Y= Ax + B, temos que: 
𝐶𝑠 = (7,7 ± 0,6) ∗ 10²
𝐽
𝑔°𝐶
 
Feitas as devidas substituições, foi descoberto o valor da capacidade térmica da 
água e consequentemente do calorímetro, sendo elas: 
𝐶𝐻2𝑂 = ( 0,6 ± 1,3) ∗ 10³
𝐽
°𝐶
 
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = (0,9 ± 1,3) ∗ 10²
𝐽
𝑔°𝐶
 
 
 
13 
 
5. CONCLUSÃO 
A partir do experimento realizado, admite-se que o conhecimento adquirido por 
meio dos resultados do relatório orientou a tomada de decisão em relação a medição da 
capacidade térmica do calorímetro. 
Portanto, a partir dessas informações, temos que o resultado da capacidade 
térmica do calorímetro é equivalente a (0,9 ± 1,3) ∗ 10²
𝐽
𝑔°𝐶
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
 
6. REFERÊNCIAS 
MAGALHÃES, W. F. et al. Termodinâmica do Equilíbrio. UNIVERSIDADE 
FEDERAL DE MINAS GERAIS, 2018. Disponível em: 
https://www2.ufjf.br/quimicaead//files/2013/05/YAula8_FQI.pdf. Acesso em: 04 
maio 2022. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
ANEXO - CÁLCULOS 
1. Linearização da equação 
T = To + (
(VI)
Cs
) t 
2. Fazendo as devidas substituições e achando o valor da capacidade térmica do 
sistema: 
𝐴 = (
(VI)
Cs
) =, 0303 
0,0303 = (
6,5 ∗ 3,58
Cs
) 
Cs = 768
J
g°C
 
3. Para determinar a capacidade térmica da água: 
CH2O = mH2O ∗ cH2O 
𝐶𝐻2𝑂 = 160 ∗ 4,18 = 668,8 
𝐽
°𝐶
 
4. Capacidade térmica do calorímetro: 
Ccal = CS − CH2O = 99,2
J
°C
 
5. Incerteza da capacidade térmica do sistema: 
uCS= 
√(
∂Cs
∂U
)
2
∗ uU
2 + (
∂Cs
∂I
)
2
∗ uI
2 + (
∂Cs
∂A
)
2
∗ uA
2 
𝑢𝐶𝑆= 
√(
3,58
0,0303
)
2
∗ (0,5)2 + (
6,5
0,0303
)
2
∗ (0,05)² + (
−23,27
0,0303²
)
2
∗ (0,0007)² 
𝑢𝐶𝑆= 60,04415454 
 
16 
 
6. Incerteza da capacidade térmica da água: 
𝑢𝐻2𝑂 = √(
𝜕𝐶𝐻2𝑂
𝜕𝑚𝐻2𝑂
)
2
∗ 𝑢𝑚𝐻2𝑂
2 + (
𝜕𝐶𝐻2𝑂
𝜕𝑐𝐻2𝑂
)
2
∗ 𝑢𝑐𝐻2𝑂
2
 
𝑢𝐻2𝑂 = √(68,8)
2 ∗ (2)2 + (160)2 ∗ (0,01)2 = 1337,600957 
𝑢𝐻2𝑂 = 1337,600957 
7. Incerteza da capacidade térmica do calorímetro 
𝑢𝑐𝑎𝑙 = 𝑢𝐶𝑆+𝑢𝐻2𝑂 
𝑢𝑐𝑎𝑙 = 60,04415454 + 1337,600957 = 1397,645112 
 
8. Ajustando os valores das incertezas e com os algarismos significativos e 
aplicando-os as capacidades térmicas: 
 𝐶𝑠 = (7,7 ± 0,6) ∗ 10²
𝐽
𝑔°𝐶
 
 𝐶𝐻2𝑂 = ( 0,6 ± 1,3) ∗ 10³
𝐽
°𝐶
 
 𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = (0,9 ± 1,3) ∗ 10²
𝐽
𝑔°𝐶