22 - Relatório – Calor Especifico de Metais

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Calor Específico de Metais
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Objetivo.
Comparar o calor especifico da água com o de alguns metais comuns e tirar conclusões relacionadas a aplicação dessas propriedades.
Introdução.
E refrescante pular em uma piscina em um dia quente de verão porque a água esta mais fresca que o ar e o chão ao seu redor. Isso pode parecer estranho, já que o Sol esta aquecendo tanto a água quanto o chão, e sugere que algumas substancias necessitam de mais calor para aumentar sua temperatura em relação a outras.
A quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 g de certa substancia em 1 °C e o que chamamos de calor especifico dessa substancia. A água, por exemplo, tem calor especifico de 4.18 J/(g ・ °C). 
Neste experimento, você vai comparar o calor especifico de metais comuns com o calor especifico da água.
Você também vai observar como o calor especifico afeta a variação de temperatura de uma substancia.
Habilidades em foco.
Efetuar medições, calcular, aplicar conceitos, analisar, fazer previsões, planejar experimentos.
Procedimento.
1 - Inicie o Virtual Physics e selecione Specific Heat of Metals na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de calorimetria (Calorimetry).
 
2 - Meça o calor específico do alumínio (Al) e de aço inoxidável, dois metais comuns. Para que não haja confusão sobre a amostra que e testada, anote seus resultados na tabela. Clique no Lab book para abri-lo. Anote a massa, em gramas, da amostra de alumínio (Aluminum) que esta na balança. Se não conseguir visualizar o valor, clique na balança (Balance) para ampliar e, depois, clique em Zoom out para retornar a bancada.
R: Massa do alumínio: Mal = 7,3516 g 
3 - Arraste a amostra de alumínio da balança para o forno (Oven). O forno esta programado para aquecer ate 200 °C (não se esqueça de clicar na porta para fecha-lo).
4 - O calorímetro localizado no centro da mesa foi preenchido com 100 mL de água. A densidade da água a 25 °C e de 0.998 g/mL. Determine a massa da água utilizando os dados de densidade e volume. Anote os dados na tabela a seguir.
R: A massa vai ser igual a densidade vezes o volume.
Massa da água = 100 mL . 0,998 g/ml = 998 g
Temperatura da água é igual a 25 °C
Certifique-se de que o agitador esta ligada (você deve ver a haste rodando). Clique na janela do termômetro para traze-la a frente e, em seguida, clique em Salve para registrar seus dados. Deixe o termômetro na água de 20 a 30 segundos para obter uma temperatura base para a água.
5 - Efetuando medições Clique no forno para abri-lo. Arraste a amostra de alumínio do forno ate que seja colocada acima da tampa preta do calorímetro e, então, solte-a. Clique nas janelas do termômetro e do gráfico para trazê para frente e observe a mudança de temperatura ate que um valor constante seja atingido. Espere mais 20-30 segundos e aperte Stop na janela do termômetro. Um link de dados vai aparecer em seu Lab book. Clique no link e anote na tabela os dados de temperatura antes de adicionar o alumínio e a temperatura máxima atingida depois de o ter adicionado. (Lembre-se de que a água começara a esfriar após atingir a temperatura de equilíbrio).
R: Quando colocamos o ferro aquecido na água, percebem mos que sua temperatura sobe rapidamente e, depois de certo tempo a sua temperatura se estabiliza.
Os dados gravados foram os seguintes:
	Tempo (s)
	Temperatura (oc)
	
	Tempo (s)
	Temperatura (oc)
	1,01
	25
	
	20,37
	26,88
	3,12
	25
	
	21,38
	27
	4,13
	25
	
	22,41
	27,11
	5,16
	25,01
	
	23,42
	27,17
	6,17
	25,01
	
	24,43
	27,23
	7,19
	25,01
	
	25,44
	27,27
	8,2
	25,01
	
	26,47
	27,3
	9,23
	25,01
	
	28,56
	27,34
	10,24
	25
	
	29,57
	27,36
	11,25
	25
	
	32,71
	27,37
	12,27
	25,01
	
	33,72
	27,38
	13,28
	25,01
	
	34,16
	27,38
	14,16
	25,01
	
	35,74
	27,38
	14,29
	25,02
	
	36,75
	27,38
	15,3
	25,4
	
	37,76
	27,38
	16,31
	25,88
	
	38,76
	27,38
	17,31
	26,26
	
	39,79
	27,38
	18,34
	26,54
	
	40,8
	27,37
	19,35
	26,74
	
	41,81
	27,37
	42,82
	27,38
	
	46,88
	27,37
	43,85
	27,38
	
	47,88
	27,37
	44,86
	27,38
	
	48,88
	27,37
	45,87
	27,37
	
	
6 - Repita o experimento com a amostra de aço inoxidável. Clique na lixeira vermelha no canto esquerdo da tela para limpar a bancada (Cleanup Lab Bench). Clique no almoxarifado (Stockroom) parar entrar. Clique duas vezes no calorímetro de Dewar para move-lo para o balcão. Clique no armário de amostras metálicas (Metals) e abra a ultima gaveta clicando nela; as amostras estão organizadas alfabeticamente. Clique duas vezes na amostra de aço (Steel) para seleciona-la e então clique em Zoom Out. Clique duas vezes na placa de Petri com a amostra selecionada (Stainless Steel) para leva-la ao balcão. Retorne ao laboratório (Return to Lab).
7 - Mova a placa de Petri com a amostra ate a região realçada ao lado da balança. Clique na balança (Balance) para aproximar e, em seguida, clique em Tare para zerar a balança. Coloque a amostra de metal no prato da balança e anote a massa na tabela a seguir. Retorne a bancada (Zoom Out).
R: Massa do aço é igual 23,3373 g
8 - Clique duas vezes no calorímetro para posiciona-lo adequadamente na bancada. Clique na porta do forno para abri-lo e arraste a amostra de aço para dentro dele. Clique novamente na porta do forno para fecha-la. Mude a temperatura do forno para 200 °C clicando diversas vezes no botão acima do digito da dezena. Encha a proveta com 100 mL de água segurando-a embaixo da torneira ate que ela retorne a bancada. Coloque a água no calorímetro. Ligue o agitador (Stir) e o termômetro. Clique no botão Graph e, em seguida, em Salve. Mova a amostra do forno e coloque-a no calorímetro. Siga os mesmos procedimentos realizados com a amostra de alumínio para obter o valor da temperatura de equilíbrio. Anote suas observações na tabela abaixo.
R: Os resultados obtidos para o Aço Inoxidável foram.
	Tempo (s)
	Temperatura (oc)
	
	Tempo (s)
	Temperatura (oc)
	1,03
	25
	
	18,31
	28,96
	2,05
	25
	
	19,32
	29,02
	3,05
	24,99
	
	20,33
	29,06
	4,06
	24,99
	
	21,33
	29,09
	5,09
	24,99
	
	22,36
	29,11
	6,11
	24,99
	
	23,38
	29,14
	7,01
	24,99
	
	24,39
	29,16
	7,12
	25
	
	25,4
	29,17
	8,13
	25,69
	
	26,43
	29,18
	9,16
	26,55
	
	27,03
	29,19
	10,17
	27,21
	
	28,47
	29,18
	11,18
	27,69
	
	29,48
	29,17
	12,19
	28,05
	
	30,51
	29,17
	13,22
	28,31
	
	31,51
	29,17
	14,25
	28,51
	
	32,52
	29,17
	15,25
	28,69
	
	33,53
	29,17
	16,25
	28,81
	
	34,53
	29,17
	17,28
	28,9
	
	35,56
	29,18
	36,58
	29,18
	
	44,57
	29,17
	37,59
	29,18
	
	45,58
	29,17
	38,59
	29,18
	
	46,59
	29,17
	42,55
	29,18
	
	47,59
	29,17
	43,56
	29,18
	
	
	
	Alumínio
	Aço
	Massa do metal (g)
	7,3546
	23,3373
	Volume da água (ml)
	100
	100
	Massa da água (g)
	998
	998
	Temperatura inicial da água (°C)
	25
	25
	Temperatura inicial do metal (°C)
	200
	200
	Temperatura máxima da água + amostra (°C)
	27,38
	29,19
	Calor específico (J/[g °C])
	
	
Análise e conclusão.
1 - Calculando. Determine a variação de temperatura da água (DTagua).
R: A variação de temperatura da água com o Alumínio foi de (27,38 - 25) = 2,38 °C
Já com o Aço a variação da água foi de (29,19 - 25) = 4,19 °C
2 - Calculando Calcule o calor (Q) adquirido pela água utilizando a seguinte equação:
 Qagua = magua ⋅ DTagua ⋅ cagua, dado cagua = 4.184 J/(g °C)
R: O calor adquirido pela água com o alumínio foi de Qagua_al = (998) x (2,38) x . (4,184) = 9938,00416 J 
Já o calor adquirido pela água com o Aço foi de Qagua_aco= (998) x (4,19) x . (4,184) = 17495,89808 J
3 - Calculando Determine a variação de temperatura do alumínio (DTAl).
R:A variação de temperatura do Alumínio: ΔTal = (27,38 - 200) = -172,62 °C
Já a variação de temperatura do Aço: ΔTaco = (29,19 - 200) = -170,81 °C
Podemos observar pelo o sinal de negativo que o metal teve sua temperatura abaixada.
4 - Calculando. Sabendo que o calor adquirido pela água e igual ao calor perdido pelo metal (e, por isso, o Q e negativo), calcule o calor especifico do alumínio.
Note que: Qagua = –QAl = mAl ⋅ DTAl ⋅ cAl
Resolvendo a equação acima para o calor especifico, temos:
Anote seus resultados na tabela.
R: Usando a formula da apostila, o calor especifico do alumínio será:
cal = Qal / (mal . ΔTal) = -9938,00416 / (7,3546 . (-172,62)) = 7,8280 (J/g°C)
5 - Calculando. Calcule o calor especifico para o aço e anote-o na tabela.
R: Para obter o calor o aço, temos:
caco = Qaco / (maco . ΔTaco) = -17495,8981 / (23,3373 . (-170,81)) = 4,3891 (J/g°C)
Agora com esses dados podemos completar nossa tabela.
	
	Alumínio
	Aço
	Massa do metal (g)
	7,3546
	23,3373
	Volume da água (ml)
	100
	100
	Massa da água (g)
	998
	998
	Temperatura inicial da água (°C)
	25
	25
	Temperatura inicial do metal (°C)
	200
	200
	Temperatura máxima da água + amostra (°C)
	27,38
	29,19
	Calor específico (J/[g °C])
	7,8280
	4,3891
6 - Aplicando conceitos. O calor especifico e uma maneira numérica de expressar a quantidade de calor necessário para aquecer uma substancia por 1 °C. O calor necessário para aquecer uma substancia com calor especifico baixo e menor do que o calor necessário para aquecer uma substancia com calor especifico alto. Descreva o que aconteceria com a temperatura de uma lata de aço e de uma lata de alumínio ao retira-las do congelador. Inclua o conceito de calor especifico na sua discussão.
R: Podemos perceber pelos nossos cálculos que o calor especifica do alumínio e maior que o do aço. Para que 1 grama de alumínio sofra uma variação de temperatura de 1 °C, precisamos fornecer a ele uma energia maior do que precisaríamos para obter o mesmo efeito para 1 grama de aço.
Sendo assim, conseguimos chegar na seguinte conclusão , que e mais fácil variar a temperatura do aço do que a temperatura do alumínio.
7 - Analisando. Muitas panelas são feitas de aço ou alumínio. Discuta qual tipo de panela seria melhor.
R: O melhor tipo de panela seria de aço.
8 - Você acabou de calcular o calor especifico de dois metais comuns. Agora observe diferenças no calor de outra maneira.
Prevendo. A mesma quantidade de calor e aplicada a determinada massa de água e a mesma massa total de água e aço. Qual amostra atingira uma temperatura mais alta? Explique.
 
R: O calor especifico da água e de 4,184 J/g°C, enquanto o calor do aço e de aproximadamente 4,3891 J/g°C. Com isso podemos afirmar que a amostra da água atingiu a maior temperatura.
A razão para isso e que a variação da temperatura da amostra da água dependera apenas do seu próprio calor, já a outra amostra de água + aço dependera do calor das duas partes. Sendo assim a amostra de água (sozinha) atingirá a maior temperatura.
Conclusão.
Dentro do objetivo proposto, conseguimos descobrir que o calor específico do metal usado no experimento pode variar quando a mistura de outra amostra. Pudemos observar no gráfico Tempo(s) x Temperatura (°C) que a temperatura da água quando introduzida a amostra metálica, apresenta uma queda considerável. E observar que enquanto um corpo fornece calor o outro adquire isto os torna diferentes quando nos referimos à quantidade de calor. 
Referências.
HALLIDAY, David et al. Fundamentos de Física – Vol.2 – Gravitação, Ondas, Termodinâmica – 8ª Edição. Rio de Janeiro, Ed. LTC – 2003; 
BOSQUILHA, ALESSANDRA e PELLEGRINI, Minimanual Compacto de Física, Teoria e Pratica editora Rideel, 2°edição, São-Paulo, 2003, páginas (170-189).
HEWITT, PAUL G.Física Conceitual, editora Bookman,Porto-Alegre-RS,2008, 9°edição, páginas (268-280).
HALLIDAY, RESNICK e WALKER, Fundamentos da Física, volume 2, 8°edição páginas (183-200).
NUSSENZVEIG, H. Moysés, Física Básica Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor. Editora Blucher, 4° edição, São-Paulo. Páginas (167-176).