Experimento 12 - Calorímetro de misturas

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Campus de Ilha Solteira
12ºExperimento:
Calorímetro de Misturas
Alunos: 
Luiz Henrique Marques Ra: 132054388
Guilherme Nakashima Ra: 132054809
Vanderlei Oliveira Junior Ra: 132053411
Professor Dr.: RAFAEL ZADOROSNY
Data: 25/06/2014
Sumário
Resumo	1
Introdução Teórica	2
Procedimento Experimental	4
Resultados e Discussões	6
Conclusão	9
Referências	10
Resumo
Tratou-se de analisar um calorímetro, a fim de determinar com cálculos a capacidade calorífica (C) deste, bem como trabalhar com o conceito de termodinâmica. E com isso, ser capaz de aferir o calor específico de três materiais homogêneos, para verificar se o experimento condiz com valores reais teóricos. Na primeira parte do experimento, dentro de um calorímetro, despejou-se água em temperatura ambiente e outra porção de água quente. A partir disso, calculou-se a capacidade térmica C do recipiente. Na segunda parte, introduziu-se objetos dentro de uma chaleira até serem esquentados ao ponto de ebulição da água e, posteriormente, estes foram colocados dentro de um calorímetro com a mesma quantidade de água em temperatura ambiente. Através de cálculos, foi adquirido o calor especifico de todos os metais introduzidos, além de aferir estes erros percentuais entre o resultado empírico e teórico. Concluiu-se que os erros obtidos entre os calores específicos teóricos e práticos foram significativos, evidenciando falhas no processo, decorridas em meio a possíveis falhas no calorímetro e/ou nos termômetros utilizados, mas principalmente pela troca de calor das substâncias quando expostas ao ambiente, no momento do transporte ao calorímetro.
Introdução Teórica
	No ponto de vista teórico o calorímetro é um recipiente no qual isola termicamente o sistema através de suas paredes de isopor. 
	Para um sistema fechado, a variação da energia interna é igual ao calor absorvido pelo sistema através da sua fronteira (Q), menos o trabalho realizado pelo sistema sobre a fronteira. Este princípio pode ser traduzido pela seguinte expressão:
 ΔU = Q – W (1)
	Ao adicionar substâncias dentro do calorímetro, estas não trocam calor com as vizinhanças, uma vez que não existe expansão ou contração do recipiente .Por conta disso, o trabalho será nulo (ΔW=0).[1]
	Uma vez que o calorímetro tem pressão e volume constantes, a variação da energia interna do gás contido é nula também (ΔU=0).[3]
	Portanto a energia interna de um sistema equivale ao calor trocado entre as substâncias mediante a fórmula a seguir:
 (2)
	A quantidade de calor transferida é proporcional à massa do corpo em questão e à variação de temperatura.
 ΔQ = m c ΔT (3)
	Onde c é o calor específico do material. De modo a simplificar a equação, utiliza-se a denotação de capacidade calorífica como sendo uma constante o produto massa x calor específico.[2]
 				 C = m c 	 (4)
	Para o experimento em questão, (3) pode ser escrito como:
Qcalorímetro + Qágua + Qcorpo = 0 (5)
	Como a primeira parte do experimento pede a definição do calor específico do corpo pode-se reescrever a fórmula como:
Cx = [(C + ma ca) (Te – Ta)] / mx (Tx – Te) (6)
	Em que Cx é a capacidade calorífica do calorímetro e Te a temperatura de equilíbrio térmico.
Para realizar a comparação entre os resultados obtidos com a situação uma real foi utilizado o erro percentual cujo cálculo é obtido.
Procedimento Experimental
Figura 
1
 - Calorímetro de isopor	
Na primeira parte do experimento foi utilizado um calorímetro de isopor com 150g de água em temperatura ambiente, uma chaleira para esquentar 150g de outra porção de água; um termômetro analógico(precisão: 0.1°C) e um digital(precisão: 0.1°C) e uma balança cuja precisão é de 0,01g. O calorímetro utilizado está representado na Figura 1 a seguir:
Fonte:
 
http://www.edukapa.com.br/FisicaNet/GifJpeg/Figurasdecomplementos/Calorimetro.gif	
	Em primeira instância, a porção de água à temperatura ambiente de 25ºC foi despejada no calorímetro. Aqueceu-se a segunda porção de água em uma chaleira (com um termômetro analógico graduado em ºC) até seu ponto de ebulição, aproximadamente 99ºC.
	Misturou-se ambas as porções no calorímetro e, com o termômetro digital, aferiu-se a temperatura de equilíbrio térmico. Através de cálculos, a capacidade calorífica do calorímetro foi determinada. Todo o processo foi repetido duas vezes determinando o erro percentual entre o valor teórico e empírico.
	Na segunda parte do experimento introduziu-se uma porção de água à temperatura ambiente juntamente com um corpo metálico (latão), a temperatura de estabilização foi verificada. Aqueceu-se o corpo na chaleira até uma temperatura aproximada de ebulição do conjunto formado entre eles. Após, o corpo aquecido foi colocado no calorímetro juntamente com a porção de água à temperatura ambiente e a temperatura correspondente ao equilíbrio térmico da mistura foi aferida através do termômetro digital.
	A segunda parte foi repetida mais duas vezes com outros dois corpos metálicos diferentes, alumínio e cobre.
	Comparou-se os resultados obtidos com os valores encontrados na literatura.
Resultados e Discussões	
	Para a determinação da capacidade calorífica do calorímetro foram obtidos os dados experimentais (duas vezes) de temperatura, massa e capacidade calorífica das porções de água, mostrados na Tabela 1 a seguir:
Tabela 1–Medidas experimentais para a determinação da capacidade do calorímetro
	
 Ma(g)
	
 M1(g)
	
 To (°C)
	
 T1(°C)
	
 Te(°C)
	
 C(cal.°C-1)
	
 150
	
 150
	
 25
	
 99
	
 52
	
 150
	
 150
	
 150
	
 25
	
 89
	
 50
	
 150
	Os valores médios destas tabelas foram utilizados nos cálculos. De acordo com (5):
Qcalorímetro* + Qágua1 + Qágua2 = 0
	*A massa do calorímetro encontrada foi de aproximadamente 8g.
	Para o calorímetro, foi utilizado a fórmula (4) para a determinação da capacidade calorífica:
	Sabendo que o T1 médio é 94ºC e Te médio é 51ºC:
150 x 1 x (51-94) + 150 x 1 x (51-25) + 8 x Cx = 0
Cx = 318,75cal/ºC
	
	Na segunda parte do experimento pede-se para determinar o calor específico das substâncias mergulhada. Por meio da equação (5) pode-se obter o pedido	:	
Para o alumínio segue o cálculo a seguir.
Qágua +Qalumínio = 0
c=2700/1800,11
c=0,265 cal/g.°C
Para o cobre segue o cálculo a seguir.
Qágua +Qcobre= 0
c=1800/10458,25
c=0,172cal/g.°C
Para o latão segue o cálculo a seguir.
Qágua +Qlatão= 0
c=750/4440,8
c=0,168 cal/g.°C
	Para a determinação do calor específico dos corpos mergulhados em água também foram obtidos os dados experimentais para temperatura e massa das substâncias em questão, mostrados na Tabela 2 a seguir:		
Tabela 2 – Medidas experimentais para a determinação do calor específico dos sólidos
	Material
	Ma(g)
	Mx(g)
	T0(°C)
	Tx(°C)
	Te(°C)
	c(cal/g.°C)
	Aluminio
	150
	199,61
	25
	91,4
	43
	0,265
	Cobre
	150
	190,15
	25
	92
	37
	0,172
	Latão
	150
	72,8
	25
	91
	30
	0,168
Fonte: Apostila de Lab de Física 2.							
De modo a comparar os resultados obtidos com o calor específico teórico montou-se a Tabela 3 a seguir:
Tabela 3 – Resultado teórico e experimental 
	
	Teórico[4]
	Experimental
	Alumínio
	0,219 cal/g.°C
	0,265 cal/g.°C
	Latão
	0,094 cal/g.°C
	0,168 cal/g.°C
	Cobre
	0,093 cal/g.°C
	0,172 cal/g.°C
Fonte: Próprio Autor
Por meio da equação (7), calculou-se os erros percentuais: 
Alumínio:
Cobre:
Latão:
	Nota-se a discrepância ente os valores teóricos e experimentais , isto devido ao calorímetro não ser ideal, bemcomo o descalibramento do termômetro digital e principalmente perdas de calor no transporte dos materiais ao calorímetro.
Conclusão
Nesse experimento foi possível efetuar cálculos para se determinar a capacidade calorífica do calorímetro usado , além do calor específico dos objetos introduzidos. Com os dados obtidos, determinou-se os erros obtidos com relação aos resultados empíricos e teóricos do calor especifico dos metais. Para o alumínio obteve-se 21% , seguido do cobre com 84,9% , e do latão 78,8%. Com esse experimento foi possível aprimorar os conceitos de termodinâmica e provou-se que o experimento em sala não conduziu a uma situação real devido a erros por parte do condutor, perdas de calor pelo ambiente e devido a um possível isolamento térmico de isopor falho do calorímetro.
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Referências
[1]. Eisberg, R.M. e Lerner, L.S. Física: Fundamentos e Aplicações. – Vol.I. – Editora MacGraw-Hill, 1982. São Paulo/SP.
 [2]. Halliday, D.; Resnick, R. e Walker, J. - Fundamentos de Física – Vol. I LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 4ª Edição 1996 Rio de Janeiro/RJ Brasil.
 [3].Apostila de Laboratório de Física II , Prof. Dr. Cláudio Luiz Carvalho, Prof. Dr. Rafael Zadorosny. Ilha Solteira – 2011.
[4]http://www.cdcc.usp.br/exper/medio/fisica/kit3_calorimetria/exp3_termo.pdf(acessado em 20/06/2014 às 16:40)