Determinação calor específicos dos sólidos

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ - UTFPR
CÂMPUS APUCARANA
guilherme maegawa drago
João donizete delfino junior
JOSÉ RUBENS SIMIONATO
Lucas França lopes
paulo michel chacra ferreira
winner zavolski queiroz
determinação do calor específico dos sólidos
apucarana - pr
2017
guilherme maegawa drago
João donizete delfino junior
JOSÉ RUBENS SIMIONATO
Lucas França lopes
paulo michel chacra ferreira
winner zavolski queiroz
determinação do calor específico dos sólidos
Relatório técnico apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Física Experimental 1, realizado no dia 14 de junho de 2017, a ser entregue no dia 21 de junho de 2017, no Curso de Engenharia Elétrica, na Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Prof. Dr. Leonardo Dias de Souza
APUCARANA – PR
2017
SUMÁRIO
Introdução
Calor específico é uma situação em que um material qualquer varia sua temperatura, porém permanece no mesmo estado físico. Cada substância possui um determinado valor de calor específico, que é geralmente expresso em cal/g.°C.
O calorímetro é a novidade deste experimento, um aparelho isolado termicamente do meio ambiente que não permite nenhum tipo de troca de calor quando um processo termodinâmico ocorre. Este equipamento será utilizado para fazer a análise de dois corpos de prova (latão e alumínio), e com os valores de variação de temperatura relatados em uma tabela é possível calcular o calor específico de cada um. Com esses valores, pode-se determinar o erro relativo das medidas obtidas.
Sabendo o sistema de funcionamento deste equipamento, será determinado o equivalente em água do calorímetro do experimento realizado, que é na verdade o valor da quantidade de calor utilizada para aquecer o termômetro e as paredes do calorímetro.
O presente relatório também tem o objetivo de descobrir a unidade de medida do calor específico, a partir da análise e relação de equações. 
Fundamentação Teórica
	Para medir a quantidade de calor envolvida em um processo termodinâmico, é utilizado um equipamento chamado calorímetro. Uma de suas principais características é que o mesmo é constituído por um recipiente com paredes quase adiabáticas com a finalidade de evitar ao máximo a troca de calor do experimento termodinâmico com o ambiente. É utilizado um termômetro imerso no fluido do calorímetro para ser possível controlar e observar a temperatura.
	Quando se emerge um objeto com temperatura elevada dentro de determinada quantia de água, em uma temperatura ambiente, a calor transferido do objeto quente aquecerá a água e as paredes do calorímetro, além do termômetro imerso na água. Deste modo nota-se que a temperatura do corpo não é utilizada unicamente para o aquecimento da água. O calor perdido para o sistema pode ser pensado como uma quantidade de calor necessária para aquecer determinada massa de água, ou seja, pode ser imaginado que há mais água no sistema do que tem realmente. Esta quantidade imaginada é o equivalente em água do calorímetro, já que equivale ao sistema do calorímetro que foi aquecido.
	Considerando o sistema calorímetro e massa um sistema que não troca calor com o ambiente, torna-se possível equacionar os calores envolvidos neste processo por:
	
	
	(1)
Onde:
	
	
	(2)
Também considerando que não a água não evapora, ou seja, todo o calor transferido da massa aquecida de água para o calorímetro e para a massa de água com temperatura ambiente é do tipo sensível, representada por:
	
	
	(3)
Pode-se combinar as equações acima, obtendo:
	
	
	(4)
Sendo me a massa equivalente em água do calorímetro. Ao reorganizar a equação acima, chega-se em:
	
	
	(5)
	A equação representada acima fornece o valor da massa equivalente em água do calorímetro.
	Sabendo que o calorímetro é um sistema adiabático, o calor cedido pelo material utilizado no procedimento é transmitido para a massa de água com temperatura ambiente e para o calorímetro, o que pode ser representado pela equação (1). Como todo calor recebido e cedido é do tipo sensível, pode-se desenvolver a expressão um para obter:
	
	
	(6)
Relacionando a equação (1) com a (3), se obtêm:
	
	
	(7)
	
Simplificando a equação, chega-se em:
	
	
	(8)
Simplificando novamente, resulta em:
	
	
	(9)
	A expressão acima equaciona o calor específico do corpo de prova () em relação à massa equivalente em água do calorímetro, massa da água dentro do calorímetro com temperatura ambiente, massa do objeto utilizado e sua temperatura e o calor específico da água.
Procedimento Experimental
	Primeiramente através de uma proveta adicionou-se 50 ml de água em temperatura ambiente no interior do calorímetro, logo após, utilizando um béquer, um forno elétrico e um termômetro, aqueceu-se 100ml de agua a uma temperatura de aproximadamente 90 ºC. Depois de atingir a temperatura desejada a água aquecida foi adicionada rapidamente a água em temperatura ambiente dentro do calorímetro, com o equipamento fechado, misturou-se a água para entrarem em equilíbrio e através do termômetro acoplado na tampa do calorímetro mediu-se a temperatura da mistura, possibilitando o cálculo da massa equivalente em agua do calorímetro.
	O experimento prosseguiu para o cálculo do calor especifico de sólidos. Iniciou-se adicionando, com ajuda da proveta, 150ml de água em temperatura ambiente no calorímetro, com auxílio do diâmetro pesou-se a massa do corpo de prova, e utilizando o forno elétrico, o béquer com água e um termômetro, o corpo de prova foi aquecido ao máximo possível, que ficou em torno de 90 ºC. Após o corpo de prova ter sido aquecido ele foi imediatamente inserido no calorímetro junto a água em temperatura ambiente, depois de fechado e ter entrado em temperatura ambiente e com auxílio do termômetro acoplado na tampa do calorímetro, foi medido qual era a temperatura do sistema. Estes procedimentos foram realizados por três vezes afim de aumentar a certeza nos dados.
Resultados Experimentais e Discussão
	Através do procedimento experimental foram determinados os seguintes resultados:
	Determinação do equivalente em água do calorímetro
	A partir da equação (5), podemos determinar a massa equivalente () em água do calorímetro com os dados obtidos a seguir:
Tabela 1: Determinação da massa equivalente em água do calorímetro.
	Medida
	 ()
	 ()
	 ()
	 ()
	 ()
	 ()
	1
	23,0
	50,0
	91,0
	100,0
	64,0
	15,85
	2
	24,0
	50,0
	90,0
	100,0
	64,0
	15,00
	3
	23,5
	50,0
	91,0
	100,0
	64,0
	16,66
	Determinação do calor específico de sólidos
	Utilizando a equação (9), sabendo que o calor específico da água é de e fazendo as devidas conversões, determinamos o calor específico () dos sólidos a seguir: 
Tabela 2: Determinação do calor específico de sólidos
	Corpo de prova
	 ()
	 ()
	 ()
	 ()
	 ()
	 
()
	Latão
	20
	150
	92
	0,94
	24
	0,102
	Alumínio
	20
	150
	91
	0,46
	26,5
	0,356
	(A determinar)
	26,0
	150,0
	90,0
	0,94
	30,0
	0,113
	Foi nos dado um corpo de prova o qual não sabemos de que material é feito, e através do seu calor específico calculado precisamos defini-lo. Assim, consultando os valores tabelados de metais, observamos que o resultado que mais se aproxima foi o aço, com . Logo, podemos calcular o erro relativo entre os resultados obtidos experimentalmente e o valor tabelado através da equação a seguir:
	
	
	(10)
Tabela 3: Erro relativo para o calor específico dos sólidos entre os resultados encontrados experimentalmente e tabelados.
	Corpos de prova
	Valor aproximado 
	Valor exato 
	Erro percentual %
	Latão
	0,102
	0,092
	10,87
	Alumínio
	0,356
	0,215
	65,58
	Aço
	0,113
	0,120
	5,83
	Notamos um erro muito grande ao esperado em relação ao alumínio, isso pode se dar ao fato de que ao realizar o experimento os dados observados foram retirados de maneira incorreta somado a imprecisãodos equipamentos de medição.
	Determinando a unidade do calor específico
	Para determinarmos a unidade do calor específico partimos da seguinte equação:
	
	
	(11)
Onde:
 é a quantidade de calor cedido ou recebido do sistema (cal);
 é o calor específico do material;
 é a massa do material (g);
 é a variação de temperatura ().
	Assim, para obtermos o calor específico do material manipulamos a equação (11), resultando em:
	Dessa forma, sabemos que a unidade para o calor específico do material é . Esta grandeza física representa a variação térmica de uma estabelecida substância ao receber uma dada quantidade de calor.
	Questão a ser respondida
	Considere a seguinte situação: Você tem duas canecas idênticas, porém uma é feita de alumínio e outra de latão. Qual delas deve ser utilizada para transportar um liquido quente minimizando o aquecimento das mãos? Justifique sua escolha.
Resposta: A caneca a ser utilizada para o transporte será a de alumínio, pois quanto maior o calor específico de um corpo, menor será a capacidade de receber ou ceder energia de outro corpo, ou seja, deverá ser fornecida uma quantidade de calor maior para o alumínio do que para o latão a fim de ocorrer uma variação de temperatura.
Considerações Finais
Com a realização do procedimento obtemos o calor específico de três materiais sólidos, e o calor específico é nada mais que uma grandeza característica de cada tipo de material ou substância, e que nos indica o comportamento do material quando é submetido a uma fonte de calor.
	Em nosso procedimento descobrimos o calor específico do latão, do alumínio e de um material não identificado, e obtemos os seguintes resultados Latão 0,102 com erro percentual de 10,87%, Alumínio 0,356 com erro percentual de 65,58%, e o material indefinido 0,113 com erro percentual de 5,83%, logo o material indefinido foi deduzido ao consultarmos os valores de calor específico tabelados dos metais, e através das características visuais, como sendo um material brilhante e espelhado, e o resultado que mais se aproximou tanto visualmente quanto do calor específico foi o do aço, com .
	Este erro percentual relativamente considerado alto para o calor específico do alumínio, pode ter ocorrido devido ao erro de leitura do observador, ou então imprecisão dos equipamentos, ou até mesmo trocas de calor dos materiais utilizados, pois equipamentos utilizados diversas vezes ficam sujeitos a sofre variações na capacidade térmica. E somente realizando o procedimento outra vez seria possível minimizar este erro, e definir realmente o calor específico deste corpo de prova de alumínio.
	Contudo cumprimos o objetivo geral do procedimento e percebemos que entre os 3 tipos de sólidos estudados, o alumínio é o material com o maior calor específico, o seja, que quanto maior o calor específico de um material, menor será a capacidade de receber ou ceder energia de outro corpo, e, portanto, aumentando a dificuldade desse material elevar sua temperatura.
Referências Bibliográficas
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física. 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, c2009.