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Capacidade Calorífica dos Metais Ana Carolina Siqueira Gonçalves; Fernanda Tiemi Isseri; Roberta Pestana da Silva Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Londrina, Paraná, Brasil e-mail: anagoncalves@alunos.utfpr.edu.br; fernanda.tiemii@hotmail.com; betaps_10@hotmail.com; Resumo. O calor específico representa a quantidade de energia necessária para elevar de 1°C a temperatura de 1g de uma determinada substância. Essa quantidade de energia varia de substância para substância e, então, o calor específico é um parâmetro que caracteriza uma dada substância. No presente trabalho foi determinado o calor específico de três metais – cobre, alumínio e aço – comparando os valores experimentais com aqueles encontrados em literatura especializada. Palavras chave: calor específico, metais, cobre, aço, alumínio. Introdução O calor é a energia transferida de um sistema para outro devido à diferença de temperatura [1]. Portanto sua quantidade pode ser medida com a mesma unidade que se mede energia. Dessa forma tem-se que quantidade de calor é uma grandeza física que indica a variação na quantidade de energia térmica em um corpo. A unidade para quantidade de calor no Sistema Universal é o J (Joule), mas comumente usa-se cal (Caloria) e estão relacionadas da seguinte forma: 1 𝑐𝑎𝑙 = 4,18 𝐽 Se um corpo A que está a uma temperatura T1 for colocado em contato com um corpo B a uma temperatura T2, considerando que T1 e T2 são diferentes e que os corpos estão dentro de uma caixa constituída de um material isolante, após um determinado período de tempo os corpos A e B estarão com a mesma temperatura. Com isso é possível concluir que o corpo A está em equilíbrio com o corpo B. Se esse mesmo corpo A for colocado em contato com um corpo C, a uma determinada temperatura, ocorrerá também o processo de equilíbrio térmico e consequentemente, os corpos B e C também estarão em equilíbrio. Essa é a Lei Zero da Termodinâmica [1]. A quantidade de calor é proporcional à massa do material que o corpo é constituído e a variação de temperatura que o corpo sofre. Dessa forma, a quantidade de calor é dada pela equação a seguir: 𝑄 = 𝑚 . 𝑐 . (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖) Onde 𝑄 indica a quantidade de calor recebida ou cedida, 𝑚 a massa do objeto em questão, 𝑐 representa o calor específico e 𝑇𝑖, 𝑇𝑓 são as temperaturas inicial e final, respectivamente. Dessa forma, corpos com maior temperatura possuem maior energia térmica. Quando um corpo de maior energia é colocado em contato com um de menor energia, a tendência é que flua energia do que possui maior energia para o de menor energia. Quando os corpos estiverem em equilíbrio térmico, cessa-se a troca de energia. Procedimento Experimental Materiais e equipamentos Um calorímetro; Dois termômetros de bulbo de mercúrio; Um termômetro digital; Uma balança de precisão; Dois béqueres de 250ml; Uma pinça longa de metal; Uma placa de aquecimento; Uma proveta de 100ml; Duas amostras de cobre; Duas amostras de alumínio; Duas amostras de e aço; Água destilada; Procedimentos Experimentais O experimento foi dividido em duas partes: Parte I Foi inserido no calorímetro 50g de água destilada a temperatura ambiente e anotou-se a temperatura no interior do calorímetro. Em seguida foi aquecida uma quantidade de 50g de água destilada na placa quente até a temperatura de aproximadamente 60ºC. A água aquecida foi inserida no calorímetro rapidamente e esperou-se até atingir o equilíbrio térmico. Este procedimento foi realizado três vezes. Parte II Na segunda parte foi inserida 100g de água destilada no calorímetro que foi fechado com o intuito de se obter-se a temperatura de equilíbrio térmico da água com o calorímetro. Esta medida foi feita através de um termômetro de bulbo de mercúrio. Em seguida, foram aferidas as massas das amostras de cobre, alumínio e aço. Logo após, acrescentou-se 100mL de água destilada no béquer de 250mL e as amostras foram colocadas no béquer que foi levado à placa aquecedora. Assim que o termômetro de bulbo marcou a temperatura de aproximadamente 60 °C, as duas amostras de cobre foram retiradas com uma pinça longa de metal e colocadas no interior do calorímetro, a fim de obter-se a temperatura de equilíbrio termodinâmico do metal e o mesmo processo foi realizado com as outras respectivas amostras de metais (alumínio e o aço). Resultados e discussão Na primeira parte do experimento, a água quente foi adicionada no calorímetro que tinha água a temperatura ambiente, a partir disso anotou-se a temperatura do equilíbrio térmico do sistema quando ele foi atingido (Dados que podem serem observados na tabela 1). Como, ao absorver calor Q > 0 e ao transmitir calor Q < 0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja, quando há uma troca de calor entre corpos de um sistema, a soma das quantidades de calor que cedido é igual, à soma da quantidade de calor absorvido. Logo: 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 + 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 = 0 Neste caso, o calorímetro e a água à temperatura ambiente contida nele são aqueles que absorvem o calor cedido pela água quente. Logo: Qágua quente + Qágua fria + Qcalorímetro = 0 Temos que após um período de tempo, corpos que antes estavam em temperaturas distintas, estacionam em uma mesma temperatura de equilíbrio (Teq), ou seja, estes corpos atingem o Equilíbrio Térmico. Como: 𝑄 = 𝐶 . ∆𝑇 Portanto: 𝑄á𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐶𝑎𝑞 . ∆𝑇𝑎𝑞 = 𝑚𝑎𝑞 . 𝑐𝑎𝑞 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑎𝑞) 𝑄á𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑎 = 𝐶𝑎𝑓 . ∆𝑇𝑎𝑐 = 𝑚𝑎𝑓 . 𝑐𝑎𝑓 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑎𝑞) 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝐶𝑐 . ∆𝑇𝑐 = 𝐶𝑐 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑎𝑓) Sendo assim, 𝐶𝑐 = − 𝐶𝑎𝑞 (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑎𝑞) + 𝐶𝑎𝑓 (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑎𝑓) (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑎𝑓) A partir desses dados observa-se que é possível encontrar a capacidade térmica do calorímetro dessa outra maneira. Os dados obtidos de temperatura de aquecimento, temperaturas ambientes, temperaturas de equilíbrios e os Capacidades Caloríficas calculadas para cada metal se encontram na tabela a seguir: Tabela 2: Temperaturas de aquecimento (Taq), Temperaturas ambientes da água no calorímetro (Taf), Temperaturas de Equilíbrio (Teq). Ensaio Taq(°C) Taf(°C) Teq(°C) Cobre 60 24 43 Alumínio 60 25 41 Aço 60 26 40 Os valores de massa aferidos das amostras de cobre, alumínio e aço através da balança de precisão estão apresentadas a seguir na tabela 3: Tabela 1: Dados coletados na parte I do experimento. nº de ensaios Temperatura ambiente (°C) Temperatura ambiente da água (°C) Temperatura de Equilíbrio (°C) Ensaio I 21 24 43 Ensaio II 21 25 41 Ensaio II 21 26 40 Tabela 3: Massas aferidas das amostras de Cobre, Alumínio e Aço (g) Metal Amostra I Amostra II Cobre 22,93 31,18 Alumínio 5,74 5,75 Aço 21,37 21,16 Pelo Princípio da Igualdade das Trocas de Calor quando há uma troca de calor entre corpos de um sistema, a soma das quantidades de calor cedido é igual, em módulo, à soma da quantidade de calor absorvido. Portanto, no experimento: 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 + 𝑄á𝑔𝑢𝑎 + 𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 0 Sendo, 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑜 = 𝑄𝑐 = 𝐶𝐶 . ∆𝑇𝑐 = 𝑚𝑐 . 𝑐𝑐 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑐) 𝑄á𝑔𝑢𝑎 = 𝑄𝑎 = 𝐶𝑎 . ∆𝑇𝑎 = 𝑚𝑎 .𝑐𝑎 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑎) 𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝑚 = 𝐶𝑚 . ∆𝑇𝑚 = 𝑚𝑚 . 𝑐𝑚 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇𝑚) O valor da capacidade calorífica do calorímetro Cc utilizada foi de 171,67 J/°C, dado este calculado em um experimento anterior. Uma vez que sempre que os metais eram retirados do béquer a temperatura estava em torno de (6±0,5)°C, a temperatura do metal foi estipulada em 61ºC. Os dados obtidos experimentalmente e os valores de calor específico calculados para cada metal, assim, são apresentados na Tabela 4. Tabela 4: Resultados obtidos experimentalmente Ensaio Taq(°C) Taf(°C) Teq(°C) Cc(J/g.ºC) Cobre 60 24 43 0,2759 Alumínio 60 25 41 0,6496 Aço 60 26 40 0,3291 A partir dos resultados calculados foi possível comparar o calor específico de cada metal em relação a valores de suas respectivas densidades teóricas. Como apresentado na tabela 5: Tabela 5: Densidades teóricas das amostras em estudo. Metal Densidade (g/cm3) Cobre 8,93 Alumínio 2,70 Aço 7,85 Conclusão Com os dados obtidos experimentalmente foi possível chegar bem próximo ao valor do calor específico teórico dos metais das amostras em questão com uma variação considerável, que pode ser explicada por erros de leitura experimental e algum procedimento não executado da melhor maneira o possível. Conforme observado em pesquisa, para o cobre obteve-se Cc = 0,28 (J/g°C), para o alumínio Cc = 0,65 (J/g°C) e o aço Cc= 0,33 (J/g.ºC). Observou-se que a variação entre a temperatura inicial do calorímetro e a temperatura final de equilíbrio interferem no calor específico do metal, uma vez que ele é inversamente proporcional à essa variação de temperatura. Portanto, o cobre e o aço que sofreram uma maior variação de temperatura, tem o menor calor específico, enquanto que o alumínio, que foi submetido a menor variação, tem o maior calor específico. O mesmo pode ser dito em relação a massa dos metais, já que elas também são inversamente proporcionais ao calor específico. Então, no caso do cobre, por exemplo, que possui uma massa mais elevada comparado aos outros metais, seu calor será baixo. Uma vez que a densidade média de um metal está fortemente relacionada com a sua massa molar, em termos gerais, há uma forte correlação inversa entre a densidade do metal e o calor específico a pressão constante. Metais grandes de baixa densidade tendem a absorver mais calor do que um pequeno de mesma massa, porém com densidade mais elevada que o primeiro, porque contém mais átomos. Consequentemente, em termos gerais, há uma forte correlação entre o volume de um metal e a sua capacidade total de calor. Logo, conclui-se que, apesar dos inúmeros fatores que interferem na determinação experimental do calor específico de um metal – massas dos corpos envolvidos, condições ambientes, precisão e destreza do operador – as análises foram válidas, uma vez que os resultados se mostraram similares àqueles presentes na literatura. Referências [1] HALLIDAY, D., RESNICK,R., WALKER, J., Fundamentos de física. 8ª edição, vol. 2, editora LTC, 2006. [2] CASTELLAN, Gilbert. Fundamentos de Físico-Química. LTC (1986). [3] CALLISTER, Jr., W.D., Ciência e Engenharia dos Materiais, uma Introdução, 7ª Edição, Ed. Guanabara, 2008. [4] Tabela de Densidade dos Materiais, Disponível em: <http://www.euroaktion.com.br/Tabela%20de% 20Densidade%20dos%20Materiais.pdf> Acesso em: 05 de abr. de 2017.
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