RELATORIO CALORIMETRIA

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TERMODINÂMICA
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO BRASÍLIA
INTRODUÇÃO
Antes de começarmos a estudar a termodinâmica é importante saber diferenciar dois conceitos: o calor e a temperatura, o calor refere-se a um processo de transferência de energia que ocorre entre dois corpos em diferentes temperatura, ou seja, é uma grandeza física relacionada a um processo e não a um determinado estado de um corpo. Já a temperatura está relacionado ao estado do corpo em determinado momento, ou seja, usamos para estabelecer se um corpo está quente ou frio. Quando um corpo está com uma temperatura alta (quente) suas moléculas tem maior agitação e quando tem a temperatura baixa (frio) suas moléculas tem menor agitação(imagem1.1)
Imagem1.1 – agitação das moléculas.
E para medir a temperatura de um corpo existem vários instrumentos, como o termômetro, o termopar, o pirómetro e entre outros.
Imagem1.2 – instrumentos que medem a temperatura.
Esses instrumentos vem com uma escala para realizar medidas, está escala tem dois pontos fixos. Esses pontos separariam o ponto de fusão e o ponto de ebulição da água, e existem várias escalas, as mais comuns são a Escala Celsius que seus pontos fixos são 0°C e 100°C e entre esses dois pontos existem 100 divisões iguais, denominado graus Celsius; também a Escala Fahrenheit que seus pontos fixos são 32°F e 212°F, e existem 180 divisões iguais, denominadas graus Fahrenheit; e por último a Escala Kelvin que seus pontos fixos são 273,15K e 373,15K e entre eles existem 100 divisões iguais e uma informação importante da escala Kelvin é que o 0K não existe movimento das moléculas conhecido como zero absoluto. E neste relatório será abordado a Escala Celsius.
1.3 – Escalas de Temperatura
Formula para a conversão das escalas:
A Transferência de Calor ocorre quando dois ou mais corpos estão em temperaturas diferentes são colocados em contato, ou em um mesmo local, fazendo com que a energia térmica de um corpo seja transferida para outro, e são classificadas em três: condução, convecção e irradiação.
Condução – a transferência de calor por condução ocorre nos sólidos, nos quais as moléculas que compõem estão próximas e a agitação de uma passa com mais facilidade para a seguinte. (imagem1.4).
Imagem1.4 – Transferência de Calor por Condução.
Convecção – a transferência por convecção só se verifica em líquidos e gases, ocorre um ciclo da massa quente com a massa fria, pois a massa quente é mais leve do que a massa fria por isso ocorre esse ciclo. (imagem1.5).
Imagem1.5 – Transferência de Calor por Convecção.
Irradiação – é a transferência de calor por meio das ondas eletromagnéticas. (imagem1.6).
Imagem1.6 – Transferência de Calor por Irradiação.
Dilatação termica
Todos os objetos variam de tamanha se haver mudança na temperatura. A variação ΔL, em qualquer dimensão linear L, é dada por
Na qual α é o coeficiente de dilatação termica linear. A variação ΔV, no volume V de um solido, liquido ou gás, é
Onde β=3.α é o coeficiente de dilatação volumétrica do material.
Capacidade Termica
É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie unidade. Então, pode-se expressar esta relação por:
Sua unidade usual é cal/°C.
Calor Especifico (c)
O calor especifico é a quantidade de calor que deve ser fornecida para que 1g de substância tenha a sua temperatura elevada em 1°C. cada substancia possui um determinado valor de calor específico, que é geralmente expresso em cal/g°C.
A tabela abaixo apresenta o valor de calor especifico de alguns materiais:
	MATERIAL
	CALOR ESPECÍFICO (cal/g°C)
	Areia
	0,2
	Água
	1
	Cobre
	0,092
	Etanol
	0,59
	Ferro
	0,11
	Ouro
	0,032
	Prata
	0,056
	Bronze
	0,09
	Alumínio
	0,215
	Óleo
	0,4
	Tecnil
	1,14
Tabela1.7-Calor especifico.
E para se determinar o calor especifico de um material, que é a razão entre a capacidade termica de um corpo por sua massa:
OBJETIVO
Após os experimentos realizados em sala de aula, apresentar por meio dos resultados numéricos, os coeficientes de dilatação linear dos metais ferro, latão e alumínio. Relatar o experimento sobre a determinação do calor especifico do óleo. E relatar o experimento sobre capacidade termica e sobre a determinação do calor especifico para a água evidenciando o experimento sobre o equivalente mecânica do calor.
EQUIPAMENTOS
1°Experimento – Gerador de Vapor e Dilatometro Linear
Imagem3.1 – Equipamento gerador de vapor.
Composto por:
Gerador de vapor com tampa especial de borracha com uma saída de vapor e uma válvula de segurança;
Tubo conector transparente;
Cabo de alimentação;
Base do dilatometro com relógio comparador
Corpos de prova (latão, alumínio e ferro).
Termômetro -10°C a 100°C.
2°Experimento – Anel de Gravesande
Imagem3.2
Uma esfera de metal de diâmetro de 29mm com cabo de 16cm;
Um anel de metal de diâmetro interno de 29mm com cabo 16cm.
3°Experimento – Meios de propagação de calor
Imagem3.3
Um conjunto demonstrativo dos meios de propagação de calor, composto por:
1 Ventoinha;
1 tripé com sapatas niveladoras;
1 lampada.
4°Experimento – Calor especifico do óleo
Imagem3.4
Para a realização desse experimento precisou-se de:
2 Becker (um contendo água e o outro óleo);
1 Cronometro para calcular o tempo que os líquidos foram aquecidos;
2 Multímetro com fios termopar, para determinar temperatura inicial e final; 
2 Candeeiros para aquecer os líquidos. 
5°Experimento – Calorímetro
Imagem3.5
Composto por:
1 calorímetro com uma porção de 100g de água, e esse calorímetro tem um revestimento de alumínio e a tampa tem um resistor de 5,6 e a capacidade de 5Watts;
2 multímetros um indicando a corrente (i) e o outro a DDP (V);
1 cronometro para sabermos o tempo da transferência de calor;
1 termometro digital para determinar a temperatura inicial e final do calorímetro;
3 Cabos de ligação para conectar os multímetros na fonte e também no calorímetro (conforme mostra a imagem3.5);
1 fonte de tensão.
6°Experimento – Quantidade de energia (Q)
Imagem3.6
Usou-se:
Uma chapa de aquecimento;
4 Beckers;
4 corpos cilíndricos (cobre, bronze, alumínio, tecnil);
1 pinça;
1 forma com parafina dentro.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
1°Experimento – Gerador de Vapor e Dilatometro Linear
Realizou-se a montagem como se pede o manual. E colocou-se 400cm3 de agua no recipiente do gerador de vapor, mas antes de iniciar o experimento alguns dados importantes foram anotados na tabela4.1 de todos os corpos de prova, o comprimento inicial (L0) do tubo entre o relogio e a extremidade fixa; a natureza do material de teste; a temperatura inicial do tubo (θ0). E depois de todos os dados anotador, iniciou-se o experimento, ligou-se a fonte térmica e esperou a agua chegar a uma determinada temperatura (θ) medida com um termometro, em seguida calculou-se a variação de temperatura sofrida pelo tubo Δθ=θF-θ0, e também anotou-se a dilatação (ΔL) do corpo de prova indicado pelo relogio que fica em uma das extremidades do tubo. Assim pode-se calcular o coeficiente de dilatação linear (α) do tubo com a formula ΔL=α.L0.Δθ, mas como queremos descobrir α, a formula ficara assim:
Abaixo está a tabela4.1 com os dados de todos os corpos de prova.
	Material
	L0 (mm)
	θ0 (°C)
	θ (°C)
	Δθ (°C)
	ΔL (mm)
	α (10-5 °C-1)
	Ferro
	521
	27,5
	96,9
	69,4
	0,440
	1,2
	Cobre
	524
	28
	97,9
	69,9
	0,784
	2,1
	Alumínio
	521
	28
	97,4
	69,4
	0,670
	1,9
Tabela4.1
E fazendo uma comparação do resultado do coeficiente de dilatação linear (α) da tabela4.1 com o valor da tabela4.1.2, houve uma pequena margem de erro em dois corpos, do cobre e do alumínio.
	Material
	Valor (10-5 °C-1)
	Ferro
	1,2
	Cobre
	2,0
	Alumínio
	2,2
Tabela4.1.2
2°Experimento – Anel de Gravesande
Primeiro tentou-se encaixar a esfera no anel na temperatura ambiente, e ocorreu da esfera não atravessar o anel, mas quando resfriamos a esfera em um recipiente com gelo por 5minutos, e ao encaixar a esfera no anel pode-se observar que seu diametro tinha diminuído pois atravessou sem nenhuma dificuldade, isso ocorreu porque ao colocar a esfera na caixa que continha uma temperatura menor que a do ambiente faz com que o movimento das moléculas diminua fazendo com que o objeto se contraia, ou seja, diminui seu volume.
Imagem4.2
3°Experimento – Meios de propagação de calor
O experimento foi realizado com um conjunto demonstrativo dos meios de propagação de calor, ou seja, o aparelho serve para demostrar os 3 meios de propagação de calor que são: condução, convecção e irradiação. Mas apenas demostraremos a convecção.
A convecção:
Ligou-se a lampada, e depois de alguns minutos observou que a ventoinha começa a girar, isso ocorre, porque a massa de ar frio que está próxima a lampada começa a aquecer, sua densidade diminui (fica mais leve) e ela sobe (sofre um empuxo, princípio de Arquimedes), enquanto que o ar frio, com densidade maior (mais pesado), desce para ocupar o lugar do ar que subiu, e esse movimento de massas de ar aquecidas pela lampada que faz a ventoinha girar.
Imagem4.3
4°Experimento – Calor especifico do óleo
O experimento foi realizado para determinar o calor especifico do óleo. Foi posto em um Becker uma quantidade de água e em outro Becker colocou a mesma quantidade só que de óleo e ambos foram submetidos a duas fonte de calor com capacidade de emitir a mesma quantidade de caloria, ou seja Q1=Q2. E fazendo uma representação matemática. Fica assim:
E como a quantidade de calor (Q) em ambos são iguais, então vamos colocar Q em evidencia e iguala-los:
Então,
Então para obtermos os valores da formula para enfim obter o calor especifico do óleo foi posto um fio termopar conectado ao multímetro, dentro dos Becker e descobriu a temperatura inicial (θ0) dos líquidos θ0 H2O=26,0°C e θ0 Oleo=27,1°C, em seguida acendeu as duas lamparinas e aqueceu os líquidos por 10min e pode observar que a temperatura final (θ) do óleo foi maior do que a da água, θH2O=79,6°C e θOleo=125,2°C, esta diferença no processo de aquecimento ocorre devido ao calor especifico, que varia de material para material. O calor especifico define, a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de uma grama do material.
Imagem4.4
Então usando a formula que obtemos podemos descobrir o calor especifico do óleo e como a massa de ambos os líquidos são a mesma, podemos despreza-la.
Adotando um erro de 5% pode-se dizer que o calor especifico do óleo está correto, mas o esse resultado podemos fazer nossa observação, que o óleo teve uma temperatura final maior do que a água, pois seu calor especifico é menor, ou seja, faz com que se aqueça mais rapido.
5°Experimento – Calorímetro
Agitou-se suavemente o calorímetro com a agua dentro para ter uma homogeneização do liquido e do material que é composto o recipiente, com um termometro mediu-se a temperatura inicial (θ0) de dentro do calorímetro θ0=27,5°C, em seguida com todo o sistema pronto ligou-se a fonte e ajustou a corrente para 1,8A e a DDP para 12V com o cronometro contando o tempo até a temperatura final (θ) chegar a θ=47,5°C e o tempo marcado foi de 6:47min. 
Imagem4.5
E com os valores que os multímetros nos dar, representado na imagem4.5, podemos calcular a potência elétrica que o resistor dissipou durante o processo:
E calculando a energia elétrica dissipada (transformada em calor) pelo resistor durante o aquecimento do conjunto:
Calculando a quantidade de calor que foi necessária para aquecer a agua e o calorímetro até a temperatura final (θ):
Como o calor que aqueceu o sistema veio da conversão energia elétrica em calor, podemos calcular o fator que permite converter calorias em joules e vice-versa, por meio de igualdade:
Comparando o valor experimental obtido com valor que se encontra em livros, isto é 1cal=4,186J. a diferença absoluta (D) e o erro percentual (E) entre os resultados são:
E o erro percentual (E):
E considerando a tolerância de erro de 5%, podemos considerar que o valor que os livro nos dá é igual ao valor encontrado experimentalmente.
6°Experimento – Quantidade de energia (Q)
Usou-se 4 corpos cilíndricos de material diferentes (cobre, bronze, alumínio e tecnil), mediu suas massas e suas dimensões e em seguida colou os corpos em diference recipientes que contém uma determinada quantidade d’agua, então com um termometro mediu-se a temperatura inicial (T0) da agua, T0=26,6°C e levou esses recipiente a uma placa de aquecimento, foram aquecidos a um determinado tempo e mediu-se a temperatura final (T) da agua, T=96,6°C e com uma pinça pegou os corpos e colocando em cima de uma forma que contém uma camada de parafina e observou-que o corpo de cobre afundou mais que os outros, pois seu calor especifico é menor, então o corpo cilíndrico absorve mais energia com mais facilidade, mas também é levado em consideração sua massa, como se pode ver na tabela4.6.2.
Imagem4.6
Imagem4.6.1
Dados dos corpos tabelados abaixo, a tabela mostra que quanto maior o calor especifico do material, maior será a quantidade de energia que precisamos ceder ao corpo levando em consideração sua massa:
	MATERIAL
	c (cal/g°C)
	m (g)
	D (mm)
	H (mm)
	Q (cal)
	Q (Joule)
	Cobre
	0,092
	52,34
	15,93
	29,67
	337,07
	1410,97
	Bronze
	0,09
	52,97
	16,17
	24,44
	333,71
	1396,91
	Alumínio
	0,215
	15,92
	16,01
	29,7
	239,60
	1002,95
	Tecnyl
	1,14
	7,01
	16,22
	31,21
	559,4
	2341,64
Tebela4.6.2
CONCLUSÃO
Ao termino dos experimentos, concluiu-se que todo material, seja liquido ou solido, se comportam de jeitos diferentes. Por exemplo, vimos por meio de experimentos que ao aumenta a temperatura de um objeto solido ele tende a aumentar seu tamanho e se baixar sua temperatura, tende a diminuir, pois ao variar a temperatura do objeto suas moléculas mudam de comportamento agitando mais ou menos. E vimos que cada material tem seu calor especifico, e que quanto menor é seu calor especifico, menos energia precisará para elevar sua temperatura ao máximo, isso presenciamos com o experimento da água e do óleo, que podemos ver que os dois aquecendo a uma mesma quantidade de energia, a temperatura do óleo se elevou mais, pois o seu calor especifico é menor do que o da água. Podemos presenciar também alguns tipos de transferência de calor em todos os experimentos, quando aquecermos a agua e o óleo temos uma condução e dentro do liquida há convecção, apesar de ter feito um experimento especifico mostrando esses tipos. Todos os experimentos foram bem sucedidos, apesar de alguns considerarmos um erro de 5%, mas este erro era esperado pois sempre existe um fator que pode ter atrapalhado o experimento.