Calorimetria: Estudo da Troca de Calor

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ 
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS 
ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
CALORIMETRIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ILHÉUS – BA 
2017 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CALORIMETRIA 
 
 
 
 
Relatório apresentado como parte dos 
critérios de avaliação da disciplina CET833 
– Física Experimental II P (15),16 de Janeiro 
de 2017. 
 
Professora – Maria Jaqueline Vasconcelos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ILHÉUS – BA 
2017 
 
 Sumário 
1. RESUMO ...................................................................................................... 4 
2. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 4 
3. OBJETIVOS .................................................................................................. 5 
4. MATERIAIS E MÉTODO .............................................................................. 6 
4.1 MATERIAIS ........................................................................................... 6 
4.2 MÉTODO ............................................................................................... 6 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................... 7 
6. CONCLUSÃO ............................................................................................. 11 
7. REFERÊNCIAS ........................................................................................... 12 
8. APÊNDICE ................................................................................................. 13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. RESUMO 
 
Neste relatório serão apresentados dados e discussões relativos ao experimento 
realizado no laboratório de física. Basicamente, foi utilizado um calorímetro, água em 
diferentes temperaturas (quente, fria e na temperatura ambiente) e os devidos aparelhos 
e acessórios para auxiliar o experimento (béquer, balão de vidro e termômetro). Serão 
explanados todos os procedimentos, resultados, discussões e conclusões. A metodologia 
é baseada no estudo da calorimetria. Foram feitos dois procedimentos, um com água 
quente e outro com água fria, ambos sendo misturados com água à temperatura 
ambiente dentro do calorímetro, onde se aferiu a temperatura de equilíbrio, após as 
trocas de calor. O procedimento foi repetido três vezes para a água quente e três vezes 
para a água fria. O objetivo do experimento é verificar que as temperaturas iniciais são 
alteradas devido a um mesmo calor que flui na mistura dentro do calorímetro. 
2. INTRODUÇÃO 
 
Calor é energia térmica em trânsito, ou seja, energia que flui de um corpo para outro 
devido à diferença de temperatura que existe entre eles. A termologia é a área da física 
que estuda o calor, ou seja, estuda todas as manifestações dos tipos de energia que 
resultam na variação de temperatura (aquecimento ou resfriamento), como também 
mudança dos estados físicos da matéria que transferem ou recebem calor. A calorimetria 
é uma ramificação da termologia, estudando as trocas de energia, quando estas são 
feitas utilizando calor. 
Utilizando os conceitos da calorimetria num sistema isolado, podemos expressar 
numericamente quanto um corpo perde ou ganha de calor em detrimento de outro corpo. 
O calorímetro é um exemplo de sistema isolado e é importante destacar que ele também 
interage nas trocas de calor. Nesse tipo de recipiente, os corpos de maior temperatura 
cedem calor para os de menor. Mas, apesar de ser um sistema isolado, não existe 
nenhum calorímetro 100% eficaz, ou seja, o sistema não está livre de perder calor para o 
meio externo. 
A regra não é geral: substâncias diferentes possuem capacidades distintas de armazenar 
energia interna, ou seja, requerem diferentes quantidades de calor para alterar a 
temperatura. Desse modo, cada substância possui um calor específico diferente. Calor 
específico é a quantidade de calor necessária para alterar a temperatura de uma unidade 
de massa em um grau. 
 𝑐 = 
∆𝑄
∆𝑇
 (1) 
 
A capacidade térmica de um corpo mede a quantidade de calor necessária para aumentar 
a temperatura de um corpo em um grau, por isso, depende da massa do corpo e de seu 
calor específico: 
 
 𝐶 = 𝑚 . 𝑐 (2) 
 
A quantidade de calor total é dada pela capacidade térmica do corpo pela variação da 
temperatura: 
 
 𝑄 = 𝐶 . ∆𝑇 (3) 
 
Que pode ser escrita como: 
 
 𝑄 = 𝑚 . 𝑐 . ∆𝑇 (4) 
 
Num sistema em equilíbrio, a quantidade de calor total é a soma de todos os calores 
envolvidos (de cada substância e recipiente) e o resultado é zero. 
 
𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 = 0 
 
3. OBJETIVOS 
 
 Determinar a capacidade térmica do alumínio, e das porções água em 
temperaturas diferentes; 
 Verificar a variação da temperatura das porções em água no interior do 
calorímetro. 
4. MATERIAIS E MÉTODO 
4.1 MATERIAIS 
 Termômetro; 
 Calorímetro; 
 Balão de vidro; 
 Béquer. 
 Aquecedor. 
4.2 MÉTODO 
 Mediu-se a massa do copo de alumínio interior ao calorímetro e do balão de 
vidro junto com o béquer; 
 Colocou-se uma porção de água no copo de alumínio um pouco menos da 
borda; 
 Colocou-se metade da porção de água contida no copo de alumínio no 
conjunto balão de vidro-béquer; 
 Mediu-se novamente a massa do copo de alumínio, agora com metade da 
água adicionada; 
 Mediu-se novamente a massa do conjunto balão de vidro-béquer, agora com 
metade da água que estava no copo de alumínio; 
 Colocou-se a copo de alumio com água no calorímetro, e mediu-se a 
temperatura; 
 Colocou-se o conjunto balão de vidro-béquer, no aquecedor a uma 
temperatura de superior a 40 ºC, e mediu-se a temperatura; 
 Colocou-se a água aquecida no calorímetro; 
 Mediu-se a temperatura de equilíbrio do sistema; 
 Repetiu-se todo o procedimento 3 vezes; 
 Repetiu-se o experimento utilizando água gelada a uma temperatura inferior 
a 10ºC; 
 Mediu-se a massa do béquer; 
 Colocou-se água no béquer; 
 Colocaram-se cubos de gelo na água até a temperatura desejada, retiraram-se 
os cubos de gelo; 
 Pesou-se o béquer com água gelada, e segui-se a prática assim como a 
anterior. 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
 Resultados para água a temperatura ambiente com água quente 
 
Para verificar as trocas de calor de um sistema é fundamental que o mesmo esteja 
isolado, desta forma a utilização do calorímetro foi essencial para o experimento. Sabe-
se que para obter o calor cedido ou recebido pelo corpo é necessário o calor específico 
do mesmo, e a variação de temperatura. Sendo assim mediu-se a massa do copo de 
alumínio e do conjunto balão de vidro-béquer, vale ressaltar que o resultado obtido para 
as três medidas das massas foram as mesmas. Seguem os resultados obtidos: 
 
Tabela1: Massas obtidas dos respectivos corpos 
Copo de alumínio (g) Balão de vidro-béquer (g) 
28,4 ± 0,1 229,9 ± 0,1 
 
Em seguida, obtiveram-se os resultados para as massas de água no copo de alumínio e 
no conjunto, em que a massa de água no copo de alumínio foi à temperatura ambiente e 
a massa de água no conjunto foraaquecida. 
 
Tabela2: Resultados calculados da massa e das temperaturas obtidas da água a 
temperatura ambiente 
Medidas Massa (g) Temperatura inicial 
 (ºC) 
Temperatura final (ºC) 
1 (1172,0 ± 1,4)𝑥10−1 (270,0 ± 0,5)𝑥10−1 (380,0 ± 0,5)𝑥10−1 
2 (1151,0 ± 1,4)𝑥10−1 (270,0 ± 0,5)𝑥10−1 (380,0 ± 0,5)𝑥10−1 
3 (1160,0 ± 1,4)𝑥10−1 (280,0 ± 0,5)𝑥10−1 (380,0 ± 0,5)𝑥10−1 
 
Tabela3: Resultados calculados da massa e das temperaturas obtidas da água aquecida 
Medidas Massa (g) Temperatura inicial 
 (ºC) 
Temperatura final (ºC) 
1 (1031,0 ± 1,4)𝑥10−1 (450,0 ± 0,5)𝑥10−1 (380,0 ± 0,5)𝑥10−1 
2 (997,0 ± 1,4)𝑥10−1 (460,0 ± 0,5)𝑥10−1 (380,0 ± 0,5)𝑥10−1 
3 (987,0 ± 1,4)𝑥10−1 (440,0 ± 0,5)𝑥10−1 (380,0 ± 0,5)𝑥10−1 
 
A capacidade térmica é uma propriedade que depende da massa do corpo, se os mesmos 
forem feitos do mesmo material, logo se calculou a capacidade térmica das porções de 
água para as três medidas de acordo com a equação 2, com o calor especifico da água de 
(4,18 ± 0,01) 𝑗 /𝑔°𝐶: 
 
Tabela4: Capacidade térmica das porções de água 
Medidas Água T. Ambiente ( j/g°C) Água quente (j/g°C) 
1 489,9 ± 1,3 431,0 ± 1,2 
2 481,1 ± 1,3 416,8 ± 1,2 
3 484,9 ± 1,3 412,6 ± 1,2 
 
A capacidade termina do alumínio obtido foi de (25,6 ± 0,3) 𝑗 /𝑔°𝐶 sendo que o calor 
específico do alumínio é de (0,90 ± 0,01)𝐽/ 𝑔°𝐶 . Tendo a capacidade térmica dos 
corpos e a variação da temperatura, obteve-se o calor cedido e recebido pelos corpos, 
lembrando que a temperatura inicial do copo de alumínio foi à mesma que a porção de 
água fria: 
 
Tabela5: calor recebido ou cedido pelos corpos 
Medidas Calor (água T. Ambiente) Calor (água quente) Calor (alumínio) 
1 (5388,86 ± 37,53)𝑗 (−3016,71 ± 31,59)𝑗 (281,16 ± 3,74)𝑗 
2 (5292,30 ± 36,88)𝑗 (−3333,97 ± 30,89)𝑗 (281,16 ± 3,74)𝑗 
3 (4848,80 ± 36,67)𝑗 (−2475,40 ± 29,98)𝑗 (255,60 ± 3,48)𝑗 
 
Pelos dados obtidos, é possível observar que a tanto a água fria quanto o copo de 
alumínio receberam calor, no entanto a água quente cedeu calor, fato que já era 
esperado, pois de acordo com a literatura o fluxo de calor flui de um corpo com maior 
temperatura para um corpo a menor temperatura até o sistema atinja o equilíbrio 
térmico. 
Sabe-se que a energia ele cedido por um corpo é a mesma recebida pelo outro corpo, 
sendo assim, a soma dos calores tem que ser igual a zero. A tabela abaixo mostra a 
soma doa calores obtidos: 
 
Tabela6: Soma dos calores obtidos 
Medidas Somas dos calores (j) 
1 2653,31 ± 49,20 
2 2239,49 ± 48,25 
3 2629,00 ± 47,50 
 
 Resultados obtidos para água a temperatura ambiente com água gelada 
 
Para obter a massa de água utilizada, pesou-se o copo de alumínio novamente e o 
béquer, sendo que para as três medidas realizadas os resultados formam os mesmos: 
 
Tabela7: Massas obtidas dos respectivos corpos 
Copo de alumínio (g) Béquer (g) 
28,4 ± 0,1 110,4 ± 0,1 
 
Desta forma, calcularam-se as massas de água, lembrando que para calcular a massa da 
porção de água fria, colocaram-se cubos de gelo na água até a temperatura desejada, e 
depois se realizou a pesagem. 
 
Tabela8: Resultados calculados da massa e das temperaturas obtidas da água a 
temperatura ambiente 
Medidas Massa (g) Temperatura inicial 
(°C) 
Temperatura final 
(°C) 
1 (1172,0 ± 1,4)𝑥10−1 (270,0 ± 0,5)𝑥10−1 (170,0 ± 0,5)𝑥10−1 
2 (1192,0 ± 1,4)𝑥10−1 (270,0 ± 0,5)𝑥10−1 (150,0 ± 0,5)𝑥10−1 
3 (1227,0 ± 1,4)𝑥10−1 (270,0 ± 0,5)𝑥10−1 (160,0 ± 0,5)𝑥10−1 
 
Tabela9: Resultados calculados da massa e das temperaturas obtidas da água gelada 
Medidas Massa (g) Temperatura inicial 
(°C) 
Temperatura final 
(°C) 
1 (1163,0 ± 1,4)𝑥10−1 (60,0 ± 0,5)𝑥10−1 (170,0 ± 0,5)𝑥10−1 
2 (1317,0 ± 1,4)𝑥10−1 (40,0 ± 0,5)𝑥10−1 (150,0 ± 0,5)𝑥10−1 
3 (1115,0 ± 1,4)𝑥10−1 (50,0 ± 0,5)𝑥10−1 (160,0 ± 0,5)𝑥10−1 
 
Desta forma pôde-se calcular a capacidade térmica dos corpos com o calor especifico da 
água e do alumínio sendo os mesmos utilizados no primeiro resultado: 
 
 Tabela10: Capacidade térmica dos corpos 
Medidas Água T. Ambiente ( J/ g°C) Água gelada (J/g°C) 
1 489,9 ± 1,3 486,1 ± 1,3 
2 498,3 ± 1,3 550,5 ± 1,4 
3 512,9 ± 1,4 466,1 ± 1,3 
 
A capacidade térmica do alumínio obtida foi de (25,6 ± 0,3) 𝑗 /𝑔°𝐶. Logo, calculou-se 
o calor perdido ou cedido pelos corpos, a tabela abaixo mostras os resultados: 
 
Tabela11: Calor recebido ou cedido pelos corpos 
Medidas Calor (água T. Ambiente) Calor ( água gelada) Calor (alumínio) 
1 −4898,96 ± 37,04 5347,47 ± 37,25 −255,60 ± 3,48 
2 −5979,07 ± 38,68 6055,57 ± 42,04 −306,72 ± 4,01 
3 −5641,75 ± 39,24 5126,77 ± 35,76 −281,16 ± 3,74 
 
Pelos resultados obtidos é possível observar que tanto a água a temperatura ambiente 
quanto o copo de alumínio irá ceder calor para o sistema, logo a água gelada que está a 
uma temperatura inferior irá receber o calor. Desta forma pôde-se somar o calor cedido 
e recebido pelo sistema. 
 
Tabela12: soma dos calores obtidos 
Medidas Soma dos calores (J) 
1 192,91 ± 52,65 
2 −230,23 ± 57,27 
3 −796,14 ± 53,22 
 
Como foi relatado anteriormente o calor cedido por um corpo é o mesmo recebido pelo 
outro corpo, de acordo com a conservação da energia, logo a soma dos mesmos devem 
ser igual a zero. No entanto, os resultados obtidos do primeiro e do segundo 
experimento não condiz com a teoria, pode-se dizer que o sistema não foi 
adequadamente isolado, ou seja, houve troca de calor com a vinzinhaça, desta forma tal 
interferência ocasionaram diferentes resultados. 
6. CONCLUSÃO 
 
A realização da prática permitiu verificar com exito que o calor é uma forma de energia 
em transição, e que o mesmo flui de um corpo a maior temperatura para um corpo de 
menor temperatura, desta forma, a energia é conservada. Apesar da obtenção dos 
resultados obtidos serem diferentes da teoria, a prática foi realizada com sucesso, pois o 
fato de erros na obtenção da massa dos corpos, do sistema não ser totalmente isolado, o 
resultado foi consideravelmente aceitável. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7. REFERÊNCIAS 
 
FREEDMAN, R. A.; YOUNG, H. D. Física II: Termodinâmica e Ondas. 12ª Edição. 
São Paulo: Prentice Hall, 2008. 
 
Sites 
DANTAS,T.Termodinâmica.2015.Disponível em 
http://mundoeducacao.bol.uol.com.br// acessado em 14 de fevereiro de 2017. 
 
CAVALCANTE.K. Calorimetria. 2014.Disponível em http://brasilescola.uol.com.br/. 
Acessadoem 15 de fevereiro de 2017. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. APÊNDICE 
 
 Incerteza das porções de água 
 
A massa de água foi obtida pela seguinte equação: 
 
𝑚𝐻2𝑂 = 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑚𝐴𝑙𝑢𝑚í𝑛𝑖𝑜 
 
Em que a massa total é a massa do aluminio mais a proção de água, logo calculou-se a 
incerteza das porções de água: 
 
𝜎𝑚𝐻2𝑂 = √𝜎𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙2 + 𝜎𝑚𝐴𝑙𝑢𝑚í𝑛𝑖𝑜2 
 
 
 
 Incerteza da capacidade térmica e da variação da temperatura 
 
Sabe-se que a capacidade térmica é dada por: 
 
 𝐶 = 𝑚 . 𝑐 
Desta forma, a incerteza da capacidade térmica é em relação a massa e ao calor 
específico. 
𝜎𝐶 = √(
𝜕𝐶
𝜕𝑚
𝜎𝑚)
2
+ (
𝜕𝐶
𝜕𝑐
𝜎𝑐)
2
 
 
 
𝜕𝐶
𝜕𝑚
= 𝑐𝜎𝑚 
𝜕𝐶
𝜕𝑐
= 𝑚𝜎𝑐 
Portanto 
𝜎𝐶 = √(𝑐𝜎𝑚)2 + (𝑚𝜎𝑐)2 
 
Como a variação da temperatura é dada pela diferença da temperatura final pela inicial, 
a incertezafoi calculada por: 
𝜎∆𝑇 = √𝜎𝑇𝑓
2 + 𝜎𝑇𝑖
2 
 
 Incerteza para o calor cedido ou recebido pelos corpos e a soma dos calores 
 
Para calcular o calor recebido ou cedido pelo corpo, utilizou-se a seguinte equação: 
 
𝑄 = 𝐶∆𝑇 
 
Em que C é a capacidade térmica do corpo e ∆𝑇 é a variação da temperatura sofrida 
pelo mesmo, logo a incerteza do calor é em relação a capacidade térmica e a variação 
da temperatura. 
𝜎𝑄 = √(
𝜕𝑄
𝜕𝐶
𝜎𝐶)
2
+ (
𝜕𝑄
𝜕∆𝑇
𝜎∆𝑇)
2
 
𝜕𝑄
𝜕𝐶
= ∆𝑇 
𝜕𝑄
𝜕∆𝑇
= 𝐶 
Portanto 
𝜎𝑄 = √(∆𝑇𝜎𝐶)2 + (𝐶𝜎∆𝑇)2 
 
Calculou-se a incerteza da soma dos calores pela seguinte equação: 
 
𝜎𝑄𝑠𝑜𝑚𝑎 = √(𝜎𝑄1)2 + (𝜎𝑄2)2 + (𝜎𝑄3)2