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Equilíbrio térmico e Curva de aquecimento

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Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé
	
	
	Curso: 
	Disciplina: 
CCE0848 - FÍSICA EXPERIMENTAL II
	Turma: 3083
	
	
	Professor (a): 
CARLOS EDUARDO BARATEIRO
	Data de Realização:
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Nome do Aluno (a): 
Kethlyn Sales Maia
Maristela Rocha da Silva
Lorenna Batista Viana
Fellipe Fragoso de Luna
Rodrigo Coimbra de Moura
	Nº da matrícula: 
201501385879
2015 12470091
201602141363
201602039704
201505580188
	Experimento: Equilíbrio térmico e Curva de aquecimento
OBJETIVOS 
Ao final do experimento o aluno será capaz de reconhecer que ao colocar em contato dois corpos a temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo com temperatura maior para o corpo de temperatura menor; reconhecer, identificar e descrever as mudanças de estado físicos; e construir gráficos da temperatura versus tempo utilizando dados coletados durante as mudanças de fase.
DOCUMENTOS AUXILIARES 
Apresentação Conceitos de Conhecimentos Científicos
Apresentação Erros e Incertezas
Apresentação Unidade de Medidas
Apresentação Instrumentos de Medição: Conceitos Básicos
Apresentação Técnicas de Montagem de Relatórios
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Chamamos de Termologia a parte da física que estuda os fenômenos relativos ao calor, aquecimento, resfriamento, mudanças de estado físico, mudanças de temperatura, etc.. Temperatura é a grandeza que caracteriza o estado térmico de um corpo ou sistema. Fisicamente o conceito dado a quente e frio é um pouco diferente do que costumamos usar no nosso cotidiano. Podemos definir como quente um corpo que tem suas moléculas agitando-se muito, ou seja, com alta energia cinética. Analogamente, um corpo frio, é aquele que tem baixa agitação das suas moléculas.
Ao aumentar a temperatura de um corpo ou sistema pode-se dizer que está se aumentando o estado de agitação de suas moléculas. Ao tirarmos uma garrafa de água mineral da geladeira ou ao retirar um bolo de um forno, percebemos que após algum tempo, ambas tendem a chegar à temperatura do ambiente. Ou seja, a água "esquenta" e o bolo "esfria". Quando dois corpos ou sistemas atingem a mesma temperatura, dizemos que estes corpos ou sistemas estão em equilíbrio térmico.
Para que seja possível medir a temperatura de um corpo, foi desenvolvido um aparelho chamado termômetro. O termômetro mais comum é o de mercúrio, que consiste em um vidro graduado com um bulbo de paredes finas que é ligado a um tubo muito fino, chamado tubo capilar. Quando a temperatura do termômetro aumenta, as moléculas de mercúrio aumentam sua agitação fazendo com que este se dilate, preenchendo o tubo capilar. Para cada altura atingida pelo mercúrio está associada uma temperatura. A escala de cada termômetro corresponde a este valor de altura atingida.
A escala Celsius é a mais usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0 °C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100 °C).
A escala Fahrenheit é utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0 °F) e a temperatura do corpo humano (100 °F).
A escala Kelvin é também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula (0 K) e é calculada a partir da escala Celsius. Por convenção, não se usa "grau" para esta escala, ou seja 0 K, lê-se zero kelvin e não zero grau kelvin. Em comparação com a escala Celsius:
A conversões entre escalas pode ser estabelecida por uma convenção geométrica de semelhança. Por exemplo, convertendo uma temperatura qualquer dada em escala Fahrenheit para escala Celsius:
Pelo princípio de semelhança geométrica:
Da mesma forma, pode-se estabelecer uma conversão Celsius-Fahrenheit:
E para escala Kelvin:
 
 
Alguns exemplos de temperaturas:
	
	Escala Celsius (°C)
	Escala Fahrenheit (°F)
	Escala Kelvin (K)
	Ar liquefeito
	-39
	-38,2
	243
	Maior Temperatura na superfície da Terra
	58
	136
	331
	Menor Temperatura na superfície da Terra
	-89
	-128
	184
	Ponto de combustão da madeira
	250
	482
	523
	Ponto de combustão do papel
	184
	363
	257
	Ponto de fusão do chumbo
	327
	620
	600
	Ponto de fusão do ferro
	1535
	2795
	1808
	Ponto do gelo
	0
	32
	273,15
	Ponto de solidificação do mercúrio
	-39
	-38,2
	234
	Ponto do vapor
	100
	212
	373,15
	Temperatura na chama do gás natural
	660
	1220
	933
	Temperatura na superfície do Sol
	5530
	10000
	5800
	Zero absoluto
	-273,15
	-459,67
	0
Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor. Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes.
A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5 °C para 15,5 °C.
A relação entre a caloria e o joule é dada por: 1 cal = 4,186J
Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples. Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a quilocaloria. 1 kcal = 10³cal
É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo. Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico.
Assim: 
Onde:
Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).
c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).
m = massa do corpo (g ou kg).
Δθ = variação de temperatura (°C).
É interessante conhecer alguns valores de calores específicos:
	Substância
	c (cal/g°C)
	Alumínio
	0,219
	Água
	1,000
	Álcool
	0,590
	Cobre
	0,093
	Chumbo
	0,031
	Estanho
	0,055
	Ferro
	0,119
	Gelo
	0,550
	Mercúrio
	0,033
	Ouro
	0,031
	Prata
	0,056
	Vapor d'água
	0,480
	Zinco
	0,093
Quando Q>0: o corpo ganha calor e quando Q<0: o corpo perde calor.
Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente. A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).
Assim: 
A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1 g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra. Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico. Por exemplo, para a água:
	Calor latente de fusão
	
	80cal/g
	Calor latente de vaporização
	
	540cal/g
	Calor latente de solidificação
	
	-80cal/g
	Calor latente de condensação
	
	-540cal/g
Quando Q>0: o corpo funde ou vaporiza e quando Q<0: o corpo solidifica ou condensa.
Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variação de temperatura. Assim podemos elaborarum gráfico de temperatura em função da quantidade de calor absorvida. Chamamos este gráfico de Curva de Aquecimento:
Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente e com seu interior. Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontram, toda a energia térmica passa de um corpo ao outro.
Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja: ΣQ=0 (lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero)
Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.
Capacidade térmica é a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade. Então, pode-se expressar esta relação por:
Sua unidade usual é cal/°C. A capacidade térmica de 1g de água é de 1cal/°C já que seu calor específico é 1cal/g.°C.
9.4 MATERIAIS 
- Tripé delta com sapatas niveladoras amortecedoras
- haste metálica
- mufas duplas de 90 graus
- pinças com cabo
- agitador
- termômetros de -10ºC a 110ºC
 - Becker
- Tubo de ensaio
- proveta
- gelo picado
- água a temperatura ambiente
- água fervente
- Lamparina ou bico de Bunsen
- Cronometro
- Calorímetro
9.5 PROCEDIMENTOS 
9.5.1 Instrumentos de Medição
Inicie anotando os dados dos instrumentos de medição que serão utilizados no experimento.
9.5.2 Equilíbrio Instrumentos de Medição
Coloque 50 ml de água na temperatura ambiente dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Meça o valor da temperatura dessa água com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Coloque esse água dentro do Calorímetro e o feche.
Coloque 50 ml de água fervente dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Meça o valor da temperatura dessa água fervente com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Misture os 50 ml dessa agua fervente no calorímetro que já continha a água na temperatura ambiente, aguarde um minuto, agite e verifique a temperatura do conjunto – faça três leituras;
Coloque 50 ml de gelo picado dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Meça o valor da temperatura desse gelo picado com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Coloque 50 ml desse gelo picado dentro do calorímetro que já continha a mistura de agua ambiente + água fervente, aguarde um minuto, agite e verifique a temperatura do conjunto – faça três leituras.
9.5.3 Curva de aquecimento e mudanças de estados física da água 
Anote o valor da temperatura ambiente – faça três leituras; 
Coloque gelo picado dentro de um tubo de ensaio; 
Aguarde cerca de dois minutos observando por fora do tubo;
Prenda o termômetro na haste com auxílio das mufas; 
Leia a temperatura do gelo no interior do tubo de ensaio;
Aguarde dois minutos e verifique a temperatura novamente;
Aqueça o tubo de ensaio com a lamparina, verificando a temperatura no interior do tudo a cada 20 segundos enquanto houver gelo no interior do tubo, usando sempre o agitador;
Ao derreter todo o gelo verifique a temperatura e anote o tempo em que esse gelo levou para derreter; 
Continue observando e anotando a temperatura e o tempo, a cada 20 segundos e anotando os resultados; 
Ao começar a levantar fervura, verifique e anote a temperatura e o tempo transcorrido; 
Deixe certo tempo essa água ferver, anotando a temperatura e o tempo e anotando os resultados.
9.6 DADOS MEDIDOS
	
	Modelo
	Fabricante
	Num Série
	Faixa de medição
	Resolução
	Termômetro de vidro 1
	X
	
	X
	
	
	Termômetro de vidro 2
	X
	
	X
	
	
	Cronometro
	X
	
	X
	
	
	Parte 1: Medição de 50ml de água na temperatura ambiente
	
	Temperatura no termometro
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do volume
	Incerteza da medição de volume
	Med 1
	24oC
	0,5oC
	50ml
	
	Med 2
	25oC
	0,5oC
	50ml
	
	Med 3
	24oC
	0,5oC
	50ml
	
	Parte1: Medição de 50 ml de água fervente 
	
	Temperatura no termometro
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do volume
	Incerteza da medição de volume
	Med 1
	61oC
	0,5oC
	50ml
	
	Med 2
	56oC
	0,5oC
	50ml
	
	Med 3
	54oC
	0,5oC
	50ml
	
	Parte 1: medição da mistura água em temperatura ambiente e água fervente
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	Med 1
	32oC
	0,5oC
	Med 2
	32oC
	0,5oC
	Med 3
	33oC
	0,5oC
	Parte1: Medição de 50 ml de gelo picado 
	
	Temperatura no termometro
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do volume
	Incerteza da medição de volume
	Med 1
	0oC
	0,5oC
	50ml
	
	Med 2
	0oC
	0,5oC
	50ml
	
	Med 3
	0oC
	0,5oC
	50ml
	
	Parte 1: medição da mistura água em temperatura ambiente, água fervente e gelo picado 
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	Med 1
	15oC
	0,5oC
	Med 2
	17oC
	0,5oC
	Med 3
	18oC
	0,5oC
	
	Medição da temperatura ambiente
	Incerteza da medição da temperatura
	Med 1
	24oC
	0,5oC
	Med 2
	23oC
	0,5oC
	Med 3
	24oCuo
	0,5oC
	Parte 2: Curva de aquecimento
	
	Temperatura no termômetro
(oC)
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do tempo
(s)
	Incerteza da medição do tempo
	Med 1
	0
	0,5oC
	 0s
	
	Med 2
	3
	0,5oC
	20s
	
	Med 3
	6
	0,5oC
	40s
	
	Med 4
	9
	0,5oC
	60s
	
	Med 5
	15
	0,5oC
	80s
	
	Med 6 
	21
	0,5oC
	100s
	
	Med 7
	29
	0,5oC
	120s
	
	Med 8
	40
	0,5oC
	140s
	
	Med 9
	52
	0,5oC
	160s
	
	Med 10
	63
	0,5oC
	180s
	
	Med 11
	73
	0,5oC
	200s
	
	Med 12
	84
	0,5oC
	220s
	
	Med 13
	93
	0,5oC
	240s
	
	Med 14
	100
	0,5oC
	260s
	
	Med 15 
	100
	0,5oC
	280s
	
	Med 16
	100
	0,5oC
	300s
	
	Med 17
	100
	0,5oC
	320s
	
9.7 CONCLUSÕES
Calcule a temperatura média da água que estava na temperatura ambiente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza: 
Calcule o volume médio da água que estava na temperatura ambiente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza:
Calcule a temperatura média da água que estava fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza:
Calcule o volume médio da água que estava fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza: 
Calcule a temperatura média da mistura da água que estava na temperatura ambiente com a fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza: 
Com base no observado explique quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema.
A agua estava a 24,3+- 0,61oC em temperatura ambiente, enquanto a água fervida estava a 57oC +- 0,61oC. A mistura de 32,3 +- 0,61oC, sendo necessário para tal que a água fervida cedesse calor para a água em temperatura ambiente até que a diferença de temperatura entre os elementos desse sistema seja igual a zero. 
Qual seria a temperatura teórica de equilíbrio para essa mistura de água que estava na temperatura ambiente com a fervente? Justifique sua resposta.
Através da massa específica da água e do volume das amostras, que são representados por valores conhecidos, pode-se determinar as massas de água como 50g em cada amostra, tanto em temperatura ambiente como fervente. Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja: ΣQ=0Qágua-ambiente + Qágua-fervente = 0m.c.(t-t0) + m.c.(t-t0) = 050.1. (t-24,3) + 50.1.(t-57) = 050t – 1215 + 50t – 2850 = 0100t = 4065t = 40,65°C
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
O valor teórico esperado para equilíbrio térmico era de 40,65 °C, enquanto o obtido experimentalmente foi 32,3 °C, havendo 8,35 °C de discrepância e ultrapassando a incerteza calculada. Pode-se atribuir essa discrepância à manipulação inadequada do calorímetro, trazendo influência da temperatura do laboratório para o experimento, a possíveis falhas de calibração dos instrumentos utilizados, arredondamentos para efeitos de cálculo, entre outros fatores
Calcule a temperatura média do gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza: 
Calcule o volume médio do gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza: 
Calcule a temperatura média da mistura da água ambiente, fervente e com o gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Incerteza: 
Com base no observado explique quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema.
 A mistura de água fervente é água à temperatura ambiente estava a 32,3oC +- 0,61oC enquanto o gelo picado estava a 0oC +- 0,61oC inicialmente, sendo a mistura equilibrada a 16,7oC +- 0,61oC . Como a energia térmica flui do corpo de maior energia ao corpo de menor energia, a mistura de água a temperatura ambiente e água fervente cedeu energia ao gelo picado para que houvesse equilíbrio térmico. 
Qual seria a temperatura teórica de equilíbrio para essa mistura da água ambiente, fervente e com o gelo pica? Justifique sua resposta.
Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja: ΣQ=0
m.c.(t-t0) + m.c.(t-t0) = 0
100.1. (t-32,3) + 50.0,55.(t-0) = 0
100t – 3230 + 27,5t = 0
127,5t = 3230
t = 25,33 °C
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
O valor teórico esperado para equilíbrio térmico era de 25,33 °C, enquanto o obtido experimentalmente foi 16,7 °C, havendo 8,63 °C de discrepância e ultrapassando a incerteza calculada. Pode-se atribuir essa discrepância à manipulação inadequada do calorímetro, trazendo influência da temperatura do laboratório para o experimento, a possíveis falhas de calibração dos instrumentos utilizados, arredondamentos para efeitos de cálculo, entre outros fatores. A diferença entre as discrepâncias encontradas nesta etapa e na etapa anterior do experimento é muito pequena, podendo indicar que os fatores que introduziram estas discrepâncias foram os mesmos em ambas as etapas.
Para a segunda parte do experimento (curva de aquecimento) construa um gráfico (temperatura versus tempo) do fenômeno observado. 
Explique porque em certos pontos desse gráfico não há aumento de temperatura (platô).
Pois o fornecimento contínuo do calor à 100°C dá a energia necessária para que as moléculas entrem em seu estado de ebulição.
Como se chama cada mudança de estado físico observado nessa segunda parte do experimento?
Quando colocado o gelo no tubo de ensaio e aguardamos um período de 2 minutos , o gelo chegou a de 0°C entrando em seu ponto de fusão, com o aumento da temperatura no tubo, a água foi se transformando do seu estado líquido para o gasoso, seu ponto de ebulição, que é 100°C
Caso você repetisse essa segunda parte do experimento (curva de aquecimento) em outro lugar (ou em outro dia, com pressão atmosférica diferente), seriam mantidos os valores da temperatura de descongelamento do gelo e de ebulição da água? Justifique a sua resposta. 
Não, pois quando menor a pressão atmosférica menor será o valor da temperatura que a água dever atingir para entrar em seu ponto de ebulição. No Himalaia por
exemplo, a pressão atmosférica é de 240 mmHg, a ebulição acontecerá mais rápido, pois seu ponto de ebulição é de aproximadamente 71°C
De onde veio a água líquida quando o gelo picado derreteu?
Como houve mudança no estado físico do gelo (sólido), a água liquida veio do gelo que derreteu
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
Na discrepância, observamos que no começo do tempo cronometrado de 20 em 20segundos, havia um aumento de temperatura de 3°C (0, 3, 6 e 9= 60 segundos);
-Depois dos 60 segundos, continuando com o mesmo tempo em todo experimento de 20 segundo, houve um aumento de temperatura 6°C (15, 21= 40 segundos/ 100segundos);
- Em seguida, houve aumento de temperatura 8°C (29=20 segundo/ 120 segundos); 
-Aumento de temperatura de 11°C (40= 20 segundo/140 segundos;
-Aumento de temperatura de 12°C (52= 20 segundo/160 segundos;
-Aumento de temperatura de 11°C (63= 20 segundo/180 segundos;
-Aumento de temperatura de 10°C (73= 20 segundo/ 200 segundos;
-Aumento de temperatura de 11°C (84= 20 segundo/ 220 segundos;
-Aumento de temperatura de 9°C (93= 20 segundo/ 240 segundos.
Observamos que no período de 180 à 240 segundos, houve uma oscilação no intervalo de cada temperatura (11°C, 10°C, 11°C e 9°C), isto pode ter ocorrido de vido o adianto ou atraso na colocação do termômetro.PS: Essa discrepância observada, não é nada fora do comum, é coerente com a forma que fizemos o experimento
Ao se retirar do freezer uma vasilha de alumínio, cria-se ao redor dela uma fina camada de gelo (como neve), explique porque isso ocorre. 
isso ocorre pois o alumínio possui uma maior capacidade de transmitir calor pra o ambiente externo

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