7.Calorimetria-Relatório de Laboratório de Física Geral II

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
 LABORATÓRIO DE FÍSICA II
CALORIMETRIA
ACADÊMICOS: MARIANA FERRAREZE CASAROTO		 RA: 93352
 		 VINICIUS DE SOUZA PAULUS RA: 93911
 
TURMA: 33 – SALA 01		
PROFESSOR: PAULO RICARDO GARCIA FERNANDES
MARINGÁ - PARANÁ
17/02/2016
RESUMO
Foi realizado um experimento com o objetivo de encontrar a capacidade térmica de um calorímetro e a partir desse valor encontrar o calor específico de um determinado óleo vegetal, além do calorímetro foram utilizados passa esse experimento um termômetro, geradores de corrente, e um termômetro.A partir dos dados coletados foi possível plotar um gráfico Temperatura x tempo. O valor obtido para o calor especifico do óleo foi satisfatório sendo ele de e apresentando um desvio percentual de 21%, e o valor para a capacidade térmica do calorímetro foi 
OBJETIVOS
Os objetivos desse experimento são obter a capacidade térmica do colorímetro e obter o calor específico de um óleo vegetal
INTRODUÇÃO
No final do século XVIII, existiam duas hipóteses alternativas sobre a natureza do calor. A hipótese mais aceita considerava o calor como uma substância fluida indestrutível que "preencheria os poros" dos corpos e se escoaria de um corpo mais quente a um mais frio. Lavoisier chamou essa substância hipotética de "calórico". A implicação era que o calor pode ser transferido de um corpo a outro, mas a quantidade total de "calórico" se conservaria, ou seja, existiria uma lei de conservação do calor. A hipótese rival, endossada entre outros por Francis Bacon e Robert Hooke, foi assim expressa por Newton em 1704: "O calor consiste num minúsculo movimento de vibração das partículas dos corpos". Somos naturalmente levados à grande questão que tem sido objeto de tantas especulações filosóficas: O que é o calor? Existe um fluido ígneo? Existe alguma coisa que possamos chamar de calórico? Assim Rumford foi levado a endossar a teoria de que "... o calor não passa de uma movimento vibratório que tem lugar entre as partículas do corpo".
Como o calor é uma forma de energia, pode ser medido em unidades de energia, como o joule. Entretanto, historicamente, foi adotada uma unidade independente de quantidade de calor, a caloria, cujo uso persiste até hoje.
A caloria é definida atualmente como a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5°C a 15,5°C a temperatura de 1 g de água.
A experiências básicas para a determinação do equivalente mecânico da caloria foram realizadas por Joule, o tipo de aparelho que empregou em suas experiências mais conhecidas foi reproduzido nesse experimento. Num calorímetro (recipiente de paredes adiabáticas, ou seja, termicamente isolado) cheio de água, é inserido um conjunto de paletas presas a um eixo. Este é colocado em rotação pela queda de uma par de pesos, através de um sistema de polias. O atrito das paletas aquece a água, cuja variação de temperatura, determinada por um termômetro, corresponde a um certo números de calorias. O trabalho mecânico equivalente é medido pela altura da queda dos pesos.[1: James Prescott Joule (Salford, 24 de dezembro de 1818 — Sale, Trafford, 11 de outubro de 1889) foi um físico britânico que estudou a natureza do calor, e descobriu relações com o trabalho mecânico. A nomenclatura joule, para unidades de trabalho no SI só veio após sua morte, em homenagem. Joule trabalhou com Lorde Kelvin, para desenvolver a escala absoluta de temperatura, também encontrou relações entre o fluxo de corrente através de uma resistência elétrica e o calor dissipado, agora chamada Lei de Joule.]
Joule repetiu a experiência inúmeras vezes, introduzindo variantes no método: mudou a natureza do fluido aquecido e do material das paletas, bem como do processo de aquecimento. Assim, em lugar das paletas, empregou o efeito Joule, o aquecimento de um fio (resistência) provocado pela passagem de uma corrente elétrica. A energia mecânica equivalente, neste caso, corresponde ao trabalho realizado para alimentar o gerador de corrente. Os valores que obteve concordavam entre si dentro de 5%, e seu melhor valor difere do que é atualmente aceito por menos de 1%, o que representa um resultado notável para sua época. Em 1879, Rowland fez uma determinação extremamente cuidadosa, e estimou o erro do seu resultado em menos de 2 partes por 1000; de fato, concorda com o valor atual dentro de 1 parte de 2000. O valor atualmente aceito é 1 cal=4,186 J.
Neste experimento foi empregado uma nova utilidade para o experimento de Joule. O equipamento foi reproduzido e utilizado para o estudo do calor específico de um certo óleo vegetal e para o estudo da capacidade térmica do calorímetro.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
4.1. Calor, Capacidade Térmica e Calor Específico
O calor (Q) é definido como uma forma de energia em trânsito. Em um sistema termodinamicamente fechado contendo dois corpos de diferentes temperaturas, o calor cedido (Qcede) pelo corpo de menor temperatura. Pela lei de conservação de energia podemos escrever,
 
A capacidade térmica de um corpo é dada pela quantidade de calor que é necessária para elevar de uma unidade(seja em Kelvin ou em graus Celsius, já que a variação de temperatura são equivalentes para essas duas unidades de medida)a temperatura desse corpo,
cuja unidade é dada em cal/K ou J/K. Sendo esta relacionada com o calor específico pela equação:
onde m é a massa do líquido ou sólido. A unidade do calor específico é cal/g.K ou J/Kg.K. Portanto, temos que calor é escrito como:
com a unidade de medida de J(Joule) no Sistema Internacional. Sendo que 1cal= 4,1868J e cágua=1cal/g.K=1cal/g.°C.
4.2. Potência e Lei de Ohm
No calorímetro a fonte de calor (Q) é fornecida por uma tensão (diferença de potencial), vinda de uma fonte DC, que aquece uma resistência, como um chuveiro elétrico.
Potência Instantânea em eletricidade é dada por:
onde é a Potência Instantânea, é a diferência de potencial entre dois terminais de um dispositivos e a corrente elétrica, sendo W (watts) a unidade de medida da potência.
Da mecânica temos que a potência é definida como:
onde é a potência, é o trabalho e é a variação do tempo. Onde a unidade de medida é J/s.
A Lei de Ohm, é dada por:
onde é a diferença de potencial em V(volts), é a resistência elétrica do material dada em Ohm (Ω) e i a corrente elétrica dada em Ampère (A).
4.3. Equação da Capacidade Térmica para o Experimento
A equação para obter a capacidade térmica do calorímetro e por fim obter o calor específico de um óleo vegetal, com os equipamentos descritos na montagem experimental,(Figure 5.2.1) é deduzida a partir da lei de conservação de energia considerando a equação e com o auxílio das equações , e , temos que:
A partir da lei da conservação da energia pode-se afirmar que todo o calor que entra no sistema é recebido por corpos aos quais fazem parte dele. Assim, a quantidade de calor cedida pelo resistor deverá ser igual à quantidade de calor recebida pelo líquido mais a quantidade de calor recebida pelo sistema , ou seja, as partes móveis do calorímetro, o ar no interior dele e etc. Portanto:
E através das Eq. II e III, obtêm-se:
Como a quantidade de calor pode ser representada pelo trabalho:
onde é a tensão elétrica da fonte DC, é a resistência elétrica da resistência em U e o tempo.
E, finalmente, obtêm-se:
	
onde , e onde é a resistência, a temperatura, o tempo, a massa da substância, o calor específico do líquido e a tensão aplicada. Assim podemos obter a capacidade térmica do Calorímetro.
Podemos fazer a análise dimensional da equação, assim temos que, como
como 
como 
DESENVOLVIMETO EXPERIMENTAL
5.1. Materiais Utilizados
Foram utilizados os seguintes materiais para a realização do presente experimento,
1 Calorímetro com tampa contendo agitador, motor do agitador,e resistor com cabo de conexão;
1 fonte DC;
1 fonte para o agitador;
2 cabos de conexão com jacarés;
balaça;
termômetro com borracha de vedação;
cronômetro;
1 multímetro;
Líquidos: água e óleo.
5.2. Montagem Experimental
O calorímetro é uma garrafa isolada termicamente, que possui uma camada de vácuo entre as superfícies, sendo o lado interno revestido por uma camada refletora. Na tampa do mesmo, encontra-se acoplado na sua parte superior um motor conectado a uma pá giratória (agitador), cuja a função é homogenizar o calor no líquido, bem como conectores para a resistência, e um furo na tampa que se possa acoplar um termômetro. Do lado inferior, que ficara dentro da garrafa, encontra-se a pá giratória e uma resistência elétrica em formato de U(Figura 5.2.1)
Figura 5.2.1-Figura representando a montagem experimental,com os seguintes equipamentos: (01)conectores para a fonte do agitador, (02)termômetro, (03)fonte para o agitador, (04) fonte DC,(05)parede adiabática, (06)Resistênica Elétrica, (07)agitador, (08)motor, (09)conectores da resistência para a fonte DC, (10)líquido.
5.3. Procedimento Experimental
5.3.1.Parte I- Obter a capacidade térmica do calorímetro:
Foi verificado se o agitador estava funcionando, para isso foi acoplado os fios vindos da fonte com o auxílio de "jacarés" nos terminais apropriados no motor do agitador, foi ligada a fonte e regulada a intensidade;
Medi-se a resistência, a temperatura ambiente, utilizando um multímetro. Para isso colocou-se os terminais que saem da tampa do calorímetro no multímetro. Foi anotado o valor na tabela 5.4.1;
Colocou-se água no calorímetro, foi feita a aferição da massa da água;
O calorímetro foi bem fechado de forma que não transbordasse a água;
Foi inserido o termômetro no orifício existente na tampa;
Foi feita as devidas conexões dos fios e o motor do agitador foi ligado;
Foi conectado o fio que sai da tampa do calorímetro na fonte de tensão. Ligou-se a fonte e foi colocado 25,5 Volts, inicio-se o cronômetro no instante em que a água atingiu 30°C e a partir desse instante foi marcado o tempo para cada variação de temperatura de dois em dois °C;
Foi anotado os valores obtidos na tabela 5.4.1.
5.3.2. Parte II- Obter o calor específico de um óleo vegetal:
Foi jogado fora a água do calorímetro e foi secado bem todas as partes do calorímetro;
Foi aferida a massa do óleo;
Foi repetido o experimento a partir do item IV da parte I;
Foram anotados os valores obtidos na tabela 5.4.2.
5.4. Dados Obtidos Experimentalmente
Apresenta-se nas tabela 5.4.1 e 5.4.2 os dados da temperatura variando de dois em dois graus a partir de 30 °C, e o tempo respectivo a partir desta temperatura inicial de aferição.
	Água
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Tabela 5.4.1-Dados obtidos experimentalmente da temperatura, do tempo, da corrente, da massa, da resistência a temperatura ambiente,a voltagem e a temperatura ambiante para a água com seus respectivos desvios.
	Óleo
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Tabela 5.4.2-Dados obtidos experimentalmente da temperatura, do tempo, da corrente, da massa, da resistência a temperatura ambiente,a voltagem e a temperatura ambiante para o óleo com seus respectivos desvios.
ANÁLISES E INTERPRETAÇÕES DOS RESULTADOS
A partir das tabelas 5.4.1 e 5.4.2 foi possível confeccionar os gráficos 6.1 e 6.2.
Gráfico 6.1-Gráfico confeccionado a partir da tabela 5.4.. Por conter uma baixo desvio, não foi possível representa-lo graficamente, sendo de e .
Gráfico 6.2-Gráfico confeccionado a partir da tabela 5.4.2. Por conter uma baixo desvio, não foi possivel representa-lo gráficamente, sendo de e .
Ao analisar o gráfico, temos que uma reta genérica pode ser escrita da seguinte maneira, em termos de e :
Com o auxílio da calculadora CASIO fx-82MS, podemos encontrar os coeficientes angular (B) e linear (A), para a reta do gráfico 6.1 e do gráfico 6.2. Com os valores encontrados foi possível fazer uma tabela 6.1.
	Gráfico 6.1
	Gráfico 6.2
	
	
	
	
Tabela 6.1-Tabela contendo os coeficientes lineares e angulares dos gráficos 1 e 2.
A partir disso, podemos concluir que a equação da reta do gráfico 6.1 em termos da variação de temperatura e da variação do tempo é,
e que a equação da reta do gráfico 6.2 é,
A partir da equação foi possível encontrar o valor para a capacidade térmica do calorímetro, sendo ela de,
A partir do resultado obtido para o calorímetro foi possível calcular o valor para o calor específico do óleo sendo ele de,
O valor encontrado na literatura para o calor específico do óleo foi de . A partir disso podemos calcular o desvio percentual do experimento, que foi de 21%.
CONCLUSÕES
Podemos concluir que os resultados obtidos foram satisfatórios, sendo que o valor para o calor específico do óleo foi de com um desvio percentual de 21%, e o valor da capacidade térmica do calorímetro foi de 
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REFERÊNCIAS
[1] Manual de Laboratório - Física Experimental I- Hatsumi Mukai e Paulo R.G. Fernandes - 2015.
[2] Fundamentos de Física II - Gravitação, Ondas e Termodinâmica - Halliday & Resnick - 8ª Edição.
[3] Curso de Física Básica- Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor- H. Moysés Nussenzveig- 3ª Edição.
[4] http://www.medjet.com.br/produto/termometro-tipo-espeto/termometro-digital-espeto-pretoprata-com-capa-incoterm/394/25, página visitada em 10/02/2016 às 22:50.
[5] http://ottp.fme.vutbr.cz/vyuka/thermomechanics/therm_prop_non-met.pdf, página visitada em 16/02/2016 às 14:50.