Relatório - Calorímetro

Prévia do material em texto

Calorímetro 
Carlos Augusto H. Candido, Laís Cristina P. Ferreira, Vitor G. Bigelli, Vitor S. Fiorin. 
Engenharia de Materiais – Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
– Londrina – Paraná - Brasil 
e-mail: vitorbigelli@hotmail.com 
 
Resumo. Neste relatório busca-se fazer um estudo da água aquecida a uma potência constante 
em função do tempo em um sistema isolado. Este se baseou nas definições disponíveis na 
literatura referentes à capacidade térmica, calor específico e principalmente na forma e para que 
um calorímetro deve ser utilizado para posterior determinação da capacidade térmica do mesmo. 
 
Palavras chave: água, capacidade térmica, calorímetro.. 
 
Introdução 
O calorímetro é um equipamento semelhante a 
uma garrafa térmica, isto é, é um sistema isolado 
termicamente. O recipiente é preenchido com um 
líquido (geralmente água) e possui um termômetro. 
Este é geralmente empregado para determinar o 
calor específico de uma substância. Assumindo que 
o calor específico é a quantidade de calor que se 
deve fornecer a 1,0 g de uma substância para que 
sua temperatura se eleve em 1,0 C, sendo que cada 
substância ou material possui seu próprio calor 
específico.
[1]
 
O calorímetro tem sua trajetória iniciada com 
Lavoisier e Laplace, os inventores do calorímetro. 
Lavoisier e Laplace consideraram em seu 
experimento um sistema ocorrendo dentro de um 
sistema de gelo a zero grau em que este era 
derretido pelo calor desenvolvido que não podia 
dissipar.
[2]
 
Com o passar dos anos os calorímetros vieram 
sendo aperfeiçoados e atualmente pode-se medir o 
calor, a energia, a potência, além do calor 
específico de várias substâncias fazendo-se uso do 
calorímetro. Porém sua maior utilidade está 
relacionada na determinação do calor trocado entre 
dois corpos. 
Tomando como base esses conhecimentos e em 
outros disponíveis na literatura, buscou-se associar 
tais conhecimentos na realização do experimento 
proposto em laboratório que consistiu 
primordialmente na determinação da capacidade 
calorífica do calorímetro. 
O calorímetro utilizado no experimento possui 
uma resistência elétrica que, ao ser colocada em 
contato com a água e ligada à uma fonte de tensão 
dissipará uma certa potência, dada pela equação 1: 
 
 (Equação 1) 
 
Onde U é a tensão média durante o experimento 
em volts, i é a corrente média durante o 
experimento em ampères e P é a própria tensão 
dissipada. 
Sabendo que a unidade de potência, no SI é J.s
-
1
, se multiplicarmos a potência (no caso média) 
dissipada pela resistência elétrica pelo tempo em 
que esta esteve ligada podemos obter a quantidade 
de calor transferida para o sistema. Essa relação 
está algebricamente expressa na equação 2: 
 
 (Equação 2) 
 
Onde t é o tempo em segundos e Q é a 
quantidade de calor em Joules. 
Dessa forma, sabendo-se que, para o sistema 
está termicamente isolado, a variação de 
temperatura que ocorre no mesmo será ocasionada 
somente pela quantidade de calor dissipada pela 
resistência dividida pela capacidade calorífica dos 
componentes do mesmo, no caso, o calorímetro e a 
massa de água
[3]
. Equacionando temos: 
 
 
 
 
 (Equação 3) 
 
Substituindo 2 em 3, temos a equação 3.1, que 
expressa a variação de temperatura no interior de 
um calorímetro preenchido com uma certa 
quantidade de massa em função do tempo. 
 
 
 
 
 (Equação 3.1) 
Procedimento Experimental 
Materiais Utilizados 
1. Calorímetro; 
2. Termômetro; 
3. Cronômetro; 
4. Balança semi analítica; 
5. Multímetro; 
6. Fonte de tensão. 
Procedimento 
 Com a fonte de tensão isolada, ajustou-se sua 
tensão para 12V. Em seguida, desligou-se a fonte e 
esta foi conectada ao calorímetro conforme o 
esquema abaixo. 
 
Em seguida, ainda com a fonte desligada, 
preencheu-se o calorímetro com 150g de água 
gelada. Fechou-se o calorímetro fazendo assim que 
a resistência entrasse em contato com a água. 
Anotou-se a temperatura da água indicada pelo 
termômetro. 
Ligou-se a fonte e com a ajuda do cronômetro, 
verificou-se a temperatura no interior do 
calorímetro a cada 2 minutos durante 20 minutos, 
agitando esporadicamente para homogeneizar a 
temperatura no interior do calorímetro. Anotou-se 
os dados observados (tensão, corrente e 
temperatura). 
O processo foi repetido para 200g e 250g de 
água. 
Resultados e Discussão 
A partir dos dados obtidos, foi possível 
determinar a potência média liberada pela 
resistência do calorímetro através da equação I. Os 
valores de potência foram calculados para cada um 
dos experimentos, sendo que a diferença entre o 
valor obtido pra cada experimento depende somente 
da corrente média, já que a tensão foi mantida 
constante. 
 
Experimento 1 
 
Para o experimento 1 a corrente média que 
passou pela resistência foi de 1,54A. Dessa forma, 
substituindo em (1) temos: 
 
 
 
 
 
 
Sabendo que o tempo do experimento foi de 20 
minutos (1200s), temos que a quantidade de calor Q 
transferida para água durante o processo é dada pela 
equação (2): 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sabe-se que a temperatura inicial da amostra de 
água para este experimento foi era de 13ºC e que a 
capacidade calorífica de 150g é de 150cal/ºC 
(627J/ºC). Dessa forma, utilizando a equação (3) 
temos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Isolando Ccalorímetro temos que: 
 
 
 
 
 
 
Experimento 2 
 
Para o experimento 2 a corrente média que 
passou pela resistência foi de 1,53A. Dessa forma, 
substituindo em (1) temos: 
 
 
 
 
 
 
 
Sabendo que o tempo do experimento foi de 20 
minutos (1200s), temos que a quantidade de calor Q 
transferida para água durante o processo é dada pela 
equação (2): 
 
 
 
 
 
 
 
Sabe-se que a temperatura inicial da amostra de 
água para este experimento foi era de 16ºC. que a 
capacidade calorífica de 200g é de 200cal/ºC 
(836J/ºC) e que a temperatura final foi de 41ºC. 
Dessa forma, utilizando a equação (3) temos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Isolando Ccalorímetro temos que: 
 
 
 
 
 
 
Experimento 3 
 
Para o experimento 3 a corrente média que 
passou pela resistência foi de 1,52A. Dessa forma, 
substituindo em (1) temos: 
 
 
 
 
 
 
 
Sabendo que o tempo do experimento foi de 20 
minutos (1200s), temos que a quantidade de calor Q 
transferida para água durante o processo é dada pela 
equação (2): 
 
 
 
 
 
 
 
Sabe-se que a temperatura inicial da amostra de 
água para este experimento foi era de 16ºC. que a 
capacidade calorífica de 250g é de 250cal/ºC 
(1045J/ºC) e que a temperatura final foi de 36ºC. 
Dessa forma, utilizando a equação (3) temos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Isolando Ccalorímetro temos que: 
 
 
 
 
 
 
 
Análise gráfica 
 
Para cada um dos experimentos, com o auxílio 
de um programa de computador, plotou-se o valor 
de T para cada tempo (em segundos). 
Pode-se observar que os pontos plotados no 
gráfico podem ser aproximados à uma reta, o que 
indica que a variação de temperatura independe do 
tempo ao qual a substância (água no caso) está 
submetido à um ganho deenergia (calor). Em 
outras palavras, em um mesmo intervalo de tempo a 
temperatura tende a ter a mesma variação. 
Tendo conhecimento da equação (III) é possível 
determinar a variação de temperatura em função do 
tempo, sabendo que Q = P*t. Tendo conhecimento 
da equação (3.1) obtida teoricamente, pode-se 
comparar a reta esperada com a reta obtida: 
: 
 
 
 
 
 (Equação 3.1) 
 
 
Para o experimento 1 esperava-se uma reta de 
equação: 
 
 
 . A reta obtida 
está expressa abaixo. 
 
 
 
 
Para o experimento 2 esperava-se uma reta de 
equação 
 
 
 A reta obtida 
está expressa abaixo. 
 
 
 
 
Para o experimento 3 esperava-se uma reta de 
equação 
 
 
 A reta obtida 
está expressa abaixo. 
 
Conclusão 
Com o experimento pode-se concluir que o 
método utilizado apresenta boa precisão quando se 
trata de determinar a capacidade calorífica de um 
calorímetro. Isso porque, a reta de tendência da 
variação de temperatura para cada tempo se 
aproxima da obtida através da equação. 
Dessa forma, discutindo-se a capacidade 
calorífica, ou capacidade térmica de um 
calorímetro, percebeu-se que esta pode ser 
melhorada se o mesmo for feito de um material que 
seja mais isolante termicamente, assim garante-se 
que toda a variação de temperatura que houver no 
interior do sistema é proveniente da fonte de calor 
do mesmo. 
Referencias 
 
[1] CALORIMETRIA: Medida da capacidade 
térmica do calorímetro. Disponível em: 
<http://www.cdcc.usp.br/exper/medio/fisica/kit3_ca
lorimetria/exp2_termo.pdf>. Acesso em: 20 set. 
2014. 
 
[2] O que é um calorímetro. Disponível em: 
<http://www.alunosonline.com.br/quimica/o-que-
um-calorimetro.html>. Acesso em: 20 set. 2014. 
 
 
[3] Determinar a capacidade térmica de um 
calorímetro. Disponível em: 
<http://www.fisica.ufmg.br/~labexp/roteirosPDF/D
eterminacao_da_Capacidade_Termica_de_um_Cal
orimetro.pdf>. Acesso em: 20 set. 2014.