CapacidadeTermicaCalorimetro

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<p>Capacidade Térmica dos Calorı́metros</p><p>Introdução</p><p>Um sistema fechado que não permite trocas de calor com</p><p>o ambiente semelhante à garrafa térmica é conhecido como</p><p>um calorı́metro. No calorı́metro, utilizado para estes expe-</p><p>rimentos, o vaso interno é uma lata de alumı́nio que auxi-</p><p>lia na eliminação de propagação do calor por radiação. Este</p><p>alumı́nio é envolto por um recipiente de isopor que elimina a</p><p>propagação do calor por condução.</p><p>Quando fornecemos a mesma quantidade de calor para uma</p><p>massam de água e para outra massa três vezes maior de água,</p><p>3m, observa-se experimentalmente que para que tenham a</p><p>mesma variação de temperatura é necessário fornecer uma</p><p>quantidade de calor três vezes maior para a de massa 3m. Te-</p><p>mos, portanto, que a quantidade de calor é diretamente pro-</p><p>porcional à variação de temperatura. A constante de propor-</p><p>cionalidade é denominada capacidade térmica (C), que ma-</p><p>tematicamente pode ser escrita: Q = C∆T ⇒ C = Q</p><p>∆T .</p><p>A capacidade térmica mede a quantidade de calor necessária</p><p>para que haja uma variação unitária de temperatura e também</p><p>está relacionada diretamente com a massa do corpo. A uni-</p><p>dade de Capacidade Térmica é 1cal/oC ou, no Sistema Inter-</p><p>nacional de Unidades (SI): 1J/oC (1J/oC = 0, 24cal/oC e</p><p>1cal = 4, 18J .</p><p>Se fornecermos a mesma quantidade de calor para diferen-</p><p>tes substâncias com massas iguais, estas apresentavam com-</p><p>portamento térmico diferentes, ou seja, uma pode se aque-</p><p>cer mais rapidamente que a outra. Esta diferença de com-</p><p>portamento térmico está associada com uma caracterı́stica do</p><p>material conhecida como o calor especı́fico. Como exemplo</p><p>desta grandeza, podemos constatar que deveremos fornecer</p><p>uma maior quantidade de calor para uma massa unitária de</p><p>chumbo que para uma massa unitária de água para fornecer</p><p>uma mesma variação unitária de temperatura. Esata quanti-</p><p>dade de calor, que é caracterı́stica do material, é denominada</p><p>calor especı́fico (c). Matematicamente, a equação fundamen-</p><p>tal da calorimetria: Q = mcT ⇒ c = Q</p><p>mT . No SI temos que</p><p>a unidade do calor especı́fico é dada por J/kgoC.</p><p>Equilı́brio Térmico: a quantidade de energia térmica</p><p>transferida da substância de maior temperatura para a de</p><p>menor temperatura, é associada à quantidade de calor que</p><p>a substância de menor energia irá receber. Após um certo</p><p>tempo, a temperatura atinge um valor constante, ou seja, atin-</p><p>giram um equilı́brio térmico, estão com a mesma energia</p><p>térmica. Na situação de equilı́brio térmico, em um sistema</p><p>isolado (adiabático), temos que pelo princı́pio da conservação</p><p>da energia, a quantidade de calor perdida ou cedida por uma</p><p>substância de maior energia é igual à quantidade de calor ga-</p><p>nha pela substância de menor energia. De uma forma geral,</p><p>temos, que: Qganho = Qperdido, onde a quantidade de calor</p><p>é dada pela equação fundamental da calorimetria: Q = mcT .</p><p>Objetivos Gerais</p><p>Verificar experimentalmente, como ocorre o equilı́brio</p><p>térmico, utilizando um calorı́metro e medir a capacidade</p><p>térmica de um calorı́metro.</p><p>Experimental</p><p>Neste experimento para se determinar a capacidade térmica</p><p>do calorı́metro, C, será utilizado o método das misturas.</p><p>Neste método, aquecendo uma quantidade de água a uma tem-</p><p>peratura maior que a da água contida no calorı́metro que está,</p><p>por exemplo, à temperatura ambiente, quando elas são mis-</p><p>turadas no calorı́metro, a água que está a uma temperatura</p><p>maior irá ceder calor à água e ao calorı́metro que estão a uma</p><p>temperatura menor. Pelo princı́pio da conservação de energia:</p><p>Qganho = Qperdido</p><p>C(Tf − T1i) + magua1cagua(Tf − T1i) =</p><p>magua2cagua(T2i − Tf )</p><p>Materiais Utilizados</p><p>• Termômetro graduado em Celsius até pelo menos 100o</p><p>C</p><p>• Calorı́metro</p><p>• Bécker (150 ml)</p><p>• água e álcool</p><p>• ebulidor</p><p>• Luva térmica</p><p>Procedimentos</p><p>1) Utilizando a proveta, meça 50 mL de água que corres-</p><p>ponde a 50 g de água (ρagua = 1, 0 g/cm3 ou 103 kg/m3);</p><p>2) Coloque a água no calorı́metro à temperatura ambiente</p><p>e agite a água até a temperatura permanecer constante, isto é,</p><p>atingir o equilı́brio térmico. Anote o valor desta temperatura</p><p>inicial da água (T1i) e da massa de água (magua1);</p><p>1</p><p>3)Coloque 100 g de água (utilizando a proveta para medir)</p><p>no béquer, e aqueça a água a uma temperatura de 50o C (não</p><p>precisa ser necessariamente este valor). Anote o valor desta</p><p>temperatura (T2i) e da massa de água (magua2);</p><p>4) Adicione rapidamente a água aquecida à água dentro do</p><p>calorı́metro, tampe-o. Resfrie o termômetro em água corrente,</p><p>antes de introduzi-lo no calorı́metro. Agite a água até a tem-</p><p>peratura permanecer constante, isto é, até atingir o equilı́brio</p><p>térmico. Anote o valor da temperatura final (Tf ).</p><p>5) Repita a experiência para pelo menos seis valores de al-</p><p>tas temperaturas.</p><p>6) Mostre como vc. chegou na equação que relaciona C, m</p><p>e T .</p><p>7) Determinar o valor médio e o respectivo erro da capaci-</p><p>dade térmica do calorı́metro.</p><p>8) Dê sugestões de como poderia diminuir a capacidade</p><p>térmica do calorı́metro.</p><p>9) Pesquise, estude e responda:</p><p>• Para que quantidades diferentes de água tenham a mesma</p><p>variação de temperatura em um mesmo intervalo de tempo,</p><p>qual a relação entre as quantidades de calor fornecidas?</p><p>• Determine o equivalente em água do calorı́metro*.</p><p>*Equivalente em água de uma substância: é a quantidade</p><p>de água que apresenta o mesmo comportamento térmico de</p><p>uma massa qualquer de outra substância. Numericamente é</p><p>igual à capacidade térmica da substância. Exemplo: a ca-</p><p>pacidade térmica de 100 g de cobre é igual a 9, 3 cal/ oC. O</p><p>equivalente em água é: Eagua = 9, 3 g. Significa que 9, 3 g</p><p>de água têm o mesmo comportamento térmico que 100 g de</p><p>cobre.</p><p>2</p>