Aplicação de Conceitos de Termodinâmica

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Universidade Federal de São João Del Rei
Curso de Bacharelado e Licenciatura em Química
Experimento 1- Aplicação de Conceitos de Termodinâmica
Data: 25/08/2023
Grupo
Alexia Fernanda Félix
Julia Luiza Takenaka
Lorena Resende Rodrigues
Matheus Martins Guedes
Raphael Resende Bretz
1- Cálculos, resultados e discussão
Módulo 1 - O princípio zero da termodinâmica
(já respondido e entregue, vai colocar no relatório mesmo assim?)
Módulo 2 - Termômetros e temperaturas
Termômetros são comumente utilizados para medir temperatura e obedecer aos
princípios da Lei Zero da Termodinâmica. Esta lei afirma que quando dois corpos, A e B,
com temperaturas diferentes interagem até que o equilíbrio térmico seja alcançado, eles
eventualmente atingirão uma temperatura igual.
Os termômetros de mercúrio são projetados com um tubo de vidro com uma escala
de medição. Dentro do termômetro, há um bulbo em uma extremidade que contém
mercúrio e um capilar ao longo do comprimento do tubo. Quando o termômetro entra em
contato com um objeto de temperatura variável, o calor é transferido desse objeto para o
termômetro. Como resultado desta troca de calor, tanto o objeto quanto o termômetro
atingem o equilíbrio térmico ao atingirem temperaturas idênticas.
A temperatura é uma quantidade mensurável associada à energia do movimento
entre as moléculas em um sistema. Essencialmente, temperaturas mais altas
correspondem ao aumento do movimento molecular e da energia, enquanto temperaturas
mais baixas indicam agitação molecular reduzida. Esse fenômeno é compreendido
através do conceito de que à medida que as moléculas ganham energia cinética e
passam por movimentos mais vigorosos, elas tendem a ocupar uma quantidade maior de
espaço do que quando seus níveis de agitação são menores. Como tal, existe uma
relação entre o volume ocupado por um objeto, o seu nível de atividade molecular e,
consequentemente, a sua temperatura.
Lorena
Lápis
Quando um termômetro de mercúrio entra em contato com um objeto cuja
temperatura precisa ser medida, o calor é transferido entre os dois até atingirem o
equilíbrio. Se a temperatura inicial do termômetro for inferior à do objeto, haverá um
aumento na temperatura do termômetro no contato. Este aumento na temperatura
provoca aumento da agitação entre as moléculas de mercúrio dentro do seu reservatório,
levando à expansão e ao movimento ascendente da coluna de mercúrio. Por outro lado,
quando a temperatura diminui, ocorre uma contração do mercúrio e, posteriormente, a
posição da coluna de mercúrio desce. A presença de uma escala de graduação
juntamente com uma calibração precisa permite a medição precisa da temperatura
corporal usando este instrumento.
Existem vários tipos de termômetros, como termômetros laboratoriais e clínicos.
Vale ressaltar que termômetros clínicos não devem ser utilizados em laboratório devido à
sua faixa limitada de temperatura, medindo normalmente de 35 ºC a 42 ºC para
monitoramento da temperatura corporal. Por outro lado, os termômetros de laboratório
possuem uma faixa mais ampla, adequada para lidar com temperaturas comumente
encontradas em laboratórios – de baixas a altas. Embora ambos os tipos empreguem
métodos de medição semelhantes, a principal diferença está nas escalas que utilizam
para representar as leituras de temperatura.
Fazendo a comparação entre os dois termômetros, podem-se observar na Tabela 1
as medidas de temperaturas utilizando cada um deles:
Tabela 1: Medidas de temperaturas com termômetros diferentes.
Termômetro clínico Termômetro laboratorial
água - 24,5 °C
corpo 35,5 °C 34 °C
Como a escala do termômetro clínico é menor, não foi possível medir a
temperatura da água.
Módulo 3 - Temperatura e sensação de quente e frio
Alguns materiais são classificados como condutores térmicos ou isolantes térmicos,
em que se diferencia na propagação de calor. Como exemplo, tem-se o metal que é um
bom condutor térmico, ou seja, sua troca de temperatura com um corpo de temperatura
mais elevada, ocorre de forma rápida e contínua, e tem-se a madeira que é um isolante
térmico, ou seja, não conduz o calor com eficiência.
Neste experimento, observou-se que ao encostar a mão em uma superfície
metálica, a sensação era de que o objeto estava em uma temperatura menor que o
ambiente. Se continuasse com a mão sobre o objeto, com o passar do tempo, o metal
entra em equilíbrio térmico com a temperatura dela. Já com a madeira, a sensação
quando a mão foi encostada, é que a temperatura estava a mesma que a da mão, pois
não havia troca de calor. Contudo, mesmo que as sensações térmicas sejam diferentes
em cada material, a temperatura dos mesmos é igual. Para isso, mediu-se a temperatura
de ambas, que foi de 25,0 °C.
Seguindo a Lei Zero da termodinâmica, ambos materiais recebem determinada
quantidade de calor proveniente da diferença de temperatura entre estes e o ambiente.
Assim, as sensações térmicas de “mais frio” e “mais quentes” são provenientes da sua
capacidade calorífica.
Assim, o calor específico do metal é menor, o que significa que o metal precisa
ganhar menos quantidade de calor para variar em 1°C a temperatura de 1g do corpo.
Como o metal tem uma rápida condução, tem-se a sensação de frio atribuída ao contato
da mão. E ao se tocar na madeira, o calor irá fluir de forma mais lenta, fazendo com que a
temperatura da mão diminua lentamente, e assim tem-se a sensação térmica de quente.
Módulo 4 - Temperatura e calor
As alterações do estado físico de uma amostra estão relacionadas diretamente à
temperatura, assim como o movimento, agitação e colisão de partículas. O calor então
pode ser descrito como o fluxo de energia transferido de um corpo a outro via contato
entre eles que têm diferença de temperatura, sendo assim, temperatura e calor são
completamente diferentes, por isso quando há maior quantidade de calor em um corpo
com maior temperatura a quantidade de calor para variar a temperatura do corpo é
diretamente proporcional a variação de temperatura (ΔT), que multiplica a constante
calorimétrica (c ), como descrito pela equação 1 abaixo:
Equação (1)𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇
Primeiramente, ao iniciar o procedimento foram utilizados dois béqueres, um
contando água em temperatura ambiente e isolado com jornal externamente, o outro com
água em temperatura maior que 20ºC, onde a água aquecida foi adicionada a água em
temperatura ambiente. Portanto, foram medidas as variações de temperatura e pela
tabela 2 abaixo foi calculado o calor ganho e o calor perdido pelo volume de água nos
béqueres:
Tabela 2. Dados do procedimento 4.3 Parte A.
Béquer (H2O) Ti / K Tf / K Massa água/ g ΔT / K ΔH / KJ.mol-1
1 298,15 307,15 50 9,00
2 318,15 307,15 50 -11,00
O procedimento repetiu-se, porém, com diferentes valores de temperaturas, os
dados estão dispostos na tabela abaixo:
Tabela 3. Dados do procedimento 4.3 Parte B.
Béquer (H2O) Ti / K Tf / K Massa água/g ΔT / K ΔH / kJ.mol-1
1 323,15 322,15 50 -1,00 -0,2088
2 333,15 322,15 50 -11,00 -2,2968
Para o cálculo das variações de entalpia dos sistemas acima montados
experimentalmente, utilizou-se a seguinte relação:
Equação (2)∆𝐻 = 𝑛𝐶
𝑝
∆𝑇
Através dela afirma-se que calor, ΔH, maiores correspondem à variação de temperaturas
mais altas, então, a entalpia de uma substância aumenta quando a variação de
temperatura se eleva. O aumento da temperatura está relacionado com o aumento da
energia interna, sendo o calor transferido proporcional a variação de temperatura.
Módulo 5 - Calor latente e calor sensível
O ponto de ebulição de uma substância específica refere-se à temperatura na qual
seu estado líquido passa para a forma gasosa sob pressão atmosférica. Por exemplo, a
água tem um ponto de ebulição de 100°C, ao aquecê-la num recipiente fechado, tal como
um copo, está eventualmente atinge a sua temperatura de ebulição e mantém este nível
térmico consistente. Consequentemente, quando a água dentro do tubo entra em contacto
com a água já fervida no copo, não atinge uma temperatura elevada equivalentedevido à
cessação da transferência de energia da fonte de calor, uma vez que não há mais
aumento de temperatura dentro do copo. Como resultado, não ocorre ebulição dentro do
tubo.
Para demonstrar essas constatações, foi realizado um experimento utilizando um
sistema composto por um béquer cheio de água e um tubo de ensaio também contendo
água. O sistema foi aquecido até que a água no béquer atingisse o ponto de ebulição. Ao
longo do experimento, as temperaturas da água no béquer e no tubo de ensaio foram
registradas em intervalos de um minuto, e esses dados foram então organizados na
tabela fornecida:
Tabela 4. Variação da temperatura da água no béquer e no tubo de ensaio com o tempo.
Tempo /min Temperatura água béquer / ºC Temperatura água do tubo / ºC
0 24 24
1 26 26
2 29 28
3 32 31
4 36 35
5 38 37
6 41 40
7 44 44
8 47 47
9 50 49
10 52 52
11 55 54
12 61 59
13 66 64
14 73 70
15 77 76
16 80 79
17 83 82
18 87 85
19 90 88
20 94 92
21 95 95
22 96 96
23 96 96
24 96 96
Figura 1: Gráfico da Temperatura x tempo de ebulição da água.
Com base nos dados experimentais recolhidos e na representação gráfica na
Figura 1, é evidente que os resultados da experiência apoiam as conclusões discutidas
anteriormente. Conforme dito anteriormente, ao observar a água em um béquer,
observou-se que ela atingiu uma temperatura aproximada de 96°C, indicando que ela
havia atingido seu ponto de ebulição. Isto então levou ao equilíbrio térmico entre a água
no copo e a água no tubo, causando a cessação da transferência de energia de um para
outro. Consequentemente, isto resulta numa temperatura constante mantida a um nível
inferior ao necessário para a água ferver.
A diferença entre calor latente e calor sensível reside nos seus efeitos sobre o
corpo. O calor sensível altera apenas a temperatura de uma substância sem causar
qualquer alteração no seu estado físico, o que significa que se o estado inicial for líquido,
permanece como tal mesmo depois de ganhar calor sensível. Por outro lado, o calor
latente fornece energia térmica a um material, mantendo a sua temperatura constante,
mas facilitando uma transição na sua forma física. A aplicação desta distinção permite
inferir que a água no béquer apresentou características associadas ao calor latente,
enquanto a água no tubo apresentou comportamento relacionado ao calor sensível.
2 - Considerações finais
Na parte inicial do experimento é passível relacionar com a lei zero da
termodinâmica, levando em consideração o conceito de perda de calor ao haver interação
de um corpo com o ambiente, em vias de se igualar a temperatura.
Compreender o funcionamento de vários tipos de termômetros e analisar seus
mecanismos é crucial na investigação de fenômenos relacionados à temperatura. A
avaliação das escalas de temperatura de diferentes termômetros desempenha um papel
significativo no estabelecimento de uma base de comparação em experimentos realizados
neste tópico.
Outro aspecto explorado no experimento foi a compreensão do calor e do frio, que
está intimamente ligada à termoquímica. Foi determinado que as substâncias condutoras
tendem a nos dar uma sensação de frio, enquanto os materiais isolantes térmicos criam
uma sensação de calor entre si. Este fenômeno pode ser atribuído à capacidade térmica
de cada material, e a análise de sua capacidade térmica é crucial para determinar suas
características físicas, como sua capacidade de condução térmica.
Como este experimento não foi realizado à pressão atmosférica de 1 atm, os resultados
obtidos em relação ao ponto de ebulição da água foram satisfatórios e 96 °C foi uma
temperatura aceitável. Portanto, à medida que a pressão diminui, o ponto de ebulição
também diminui e, em última análise, este experimento resulta em melhorias substanciais
em vários aspectos da pesquisa, como termoquímica, calor latente, calor sensível e troca
de calor, capacidade de calor, troca de calor, etc. . Ser capaz de explicar a lei zero da
termodinâmica.
3-Referências Bibliográficas
[1]- ATKINS, P. W.; PAULA, J. Físico-Química, 9ª ed, vol. 1, LTC: Rio de Janeiro, 2012.
[2]- Miranda-Pinto, C. O. B.; Souza, E. Manual de Trabalhos práticos de Físico-Química.
Editora UFMG: Belo Horizonte, 2006.
[3]- Rangel, R. N. Práticas de Físico-Química. 3ª ed. Edgard Blucher: São Paulo, 2011.