Relatório de capacidade calorífica

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PR
CECE - CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
 ENGENHARIA QUÍMICA – 3º ANO
 LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I
CAPACIDADE CALORÍFICA
TOLEDO/PR
Setembro, 2018
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PR
CECE - CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
 ENGENHARIA QUÍMICA – 3º ANO
 LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I
Giovana Renosto
Kauan Felipe
Letícia Macedo
Victoria Lanzana
CAPACIDADE CALORÍFICA
Relatório entregue como requisito parcial de avaliação da disciplina de Laboratório de Engenharia Química I do curso de Engenharia Química da Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Campus Toledo.
Prof. Thiago Reinehr.
Toledo, 14 de Setembro de 2018.
RESUMO
A capacidade calorífica determina a quantidade de calor que um corpo precisa receber para alterar sua temperatura em uma unidade. Equipamentos conhecidos como calorímetros são comumente empregados na determinação da capacidade calorífica. Uma forma de se obter a quantidade de calor adicionada ou retirada de um material consiste em avaliar a variação de temperatura de uma substância de referência (com capacidade calorífica conhecida) que está em contato com o material. A presente prática tem por objetivo determinar a capacidade térmica de um calorímetro simples, além da determinação da capacidade calorífica de corpos sólidos e a comparação com valores da literatura. Para a determinação da capacidade térmica do calorímetro mediu-se as massas de água fria e quente, suas respectivas temperaturas e a temperatura de equilíbrio, além disso, considerou-se a capacidade calorífica da água como sendo 4,184 kJ.kg-1.K-1. O valor médio encontrado para a capacidade térmica do calorímetro e seu desvio padrão foi de 0,094837333 ± 0,082238043 kJ.K-1. Para a determinação da capacidade calorífica das amostras sólidas (bronze, PVC e aço), mediu-se a massa de água fria, a massa dos objetos, as temperaturas de ambos e a temperatura do sistema em equilíbrio. Com os dados obtidos, a capacidade térmica do calorímetro e com a capacidade calorífica da água, foi possível calcular a capacidade calorífica dos objetos e compará-las com dados da literatura. As capacidades caloríficas médias e seus respectivos desvios foram de 0,929352055 ± 0,887454213 kJ.kg-1.K-1 para o bronze, 1,2101315 ± 0,495034767 kJ.kg-1.K-1 para o PVC e 0,488990429 ± 0,035424002 kJ.kg-1.K-1 para o aço.
	
Materiais e métodos
	Materiais E REAGENTES
Os materiais utilizados na realização dessa prática foram:
Calorímetro (garrafa térmica);
Balança;
Termômetro;
Béquer;
Banho termostático;
Água;
Sólido de PVC;
Sólido de aço;
Sólido de bronze.
	Método EXPERIMENTAL
Determinação da capacidade térmica do calorímetro
	Inicialmente foi medida a massa de um béquer. Em seguida coletou-se uma quantidade de água da torneira e pesou-se novamente. Colocou-se a água a temperatura ambiente dentro da garrafa térmica (calorímetro) e mediu-se sua temperatura.
	Enquanto isso se pesou outro béquer, anotou-se o valor, e coletou-se certa quantidade de água da torneira, sendo em seguida colocado o béquer com água no banho termostático. Esperou-se a temperatura da água atingir aproximadamente 70°C, retirou-se o béquer contendo água do banho e pesou-se o mesmo. Anotou-se o valor obtido e a água quente foi jogada dentro da garrafa térmica contendo água a temperatura ambiente. 
	Em seguida, colocou-se o termômetro dentro do sistema e o mesmo foi monitorado até a temperatura se aproximar de um equilíbrio. Anotou-se essa temperatura e descartou-se a água de dentro da garrafa térmica.
Repetiu-se todo o processo três vezes, obtendo os dados em triplicata. 
Determinação da capacidade calorífica das amostras sólidas
	Primeiramente, as três amostras sólidas (PVC, aço e bronze) foram pesadas e colocadas no banho termostático com água. Coletou-se água com um béquer e pesou-se o sistema. Depositou-se a água a temperatura ambiente dentro da garrafa térmica e mediu-se a temperatura da mesma.
	Esperou-se a amostra de cada sólido atingir aproximadamente 70°C e a mesma foi retirada do banho e colocada dentro da garrafa térmica que continha água. Inseriu-se o termômetro dentro do sistema e quando o mesmo aproximou-se do equilíbrio, anotou-se a temperatura marcada.
	Esse procedimento foi realizado três vezes para cada sólido (PVC, aço e bronze).
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
	As massas de água fria e quente, suas respectivas temperaturas, bem como a temperatura de equilíbrio medidas durante o procedimento a fim de determinar a capacidade térmica do calorímetro encontram-se na Tabela 1. 
Tabela 1 - Dados obtidos para água quente e fria no calorímetro
	
	Massa de água fria (kg)
	Temperatura da água fria (K)
	Massa de água quente (kg)
	Temperatura da água quente (K)
	Temperatura de equilíbrio (K)
	1
	0,382
	297
	0,417
	343
	320
	2
	0,389
	297
	0,386
	344
	321
	3
	0,365
	297
	0,398
	345
	321
	Considerando a capacidade calorífica da água para ambas temperaturas como 4,184 kJ.kg-1.K-1 como solicitado pelo professor, foi possível calcular a capacidade térmica do calorímetro pela seguinte Equação 01 e os valores encontrados para cada amostra encontram-se na Tabela 2.
	
	(01)
	
	
Tabela 2 - Capacidades térmicas obtidas de cada ensaio
	
	Capacidade térmica (kJ.K-1)
	1
	0,14644
	2
	-0,079844667
	3
	0,138072
	Observou-se que no segundo ensaio a capacidade térmica obtida foi um valor negativo, resultado que pode ser explicado devido à perca de calor da água quente ao ser transportada para o calorímetro, dessa forma a temperatura medida inicialmente não é exatamente a mesma ao chegar no sistema. Outra razão possível para tal resultado se deve ao calorímetro não possuir total isolamento, apesar de suas paredes adiabáticas durante o procedimento o sistema não estava fechado na parte superior (sem tampa). Portanto, para calcular a média e o desvio padrão do procedimento, a capacidade térmica do segundo ensaio foi considerada 0 kJ.K-1 e os valores encontrados para média e seu respectivo desvio padrão foram 0,094837333 ± 0,082238043 kJ.K-1. 
	Com a capacidade térmica do calorímetro e com a capacidade calorífica da água (4,184 kJ.kg-1.K-1) foi possível calcular a capacidade calorífica de objetos, cujos materiais eram bronze, PVC e aço, ao rearranjar a Equação 01, obtendo a equação a seguir: 
	
	(02)
	Os dados aferidos durante o procedimento estão apresentados na Tabela 3 abaixo. 
Tabela 3 - Dados obtidos de massa e temperatura para a água e os objetos
	
	
	Massa de água fria (kg)
	Temperatura da água fria (K)
	Massa do objeto (kg)
	Temperatura do objeto (K)
	Temperatura de equilíbrio (K)
	Bronze
	1
	0,486
	298
	0,312
	343
	308
	
	2
	0,508
	298
	0,312
	343
	301
	
	3
	0,52
	298
	0,312
	344
	300
	PVC
	1
	0,484
	297
	0,159
	343
	300
	
	2
	0,519
	297
	0,159
	342
	302
	
	3
	0,466
	298
	0,159
	343
	301
	Aço
	1
	0,468
	297
	0,678
	344
	304
	
	2
	0,483
	297
	0,678
	343
	303
	
	3
	0,484
	297
	0,678
	343
	303
	Utilizando a Equação 02 foram calculadas as capacidades caloríficas de cada um dos objetos, as quais estão apresentadas na Tabela 4 abaixo. 
Tabela 4 - Capacidades caloríficas obtidas experimentalmente
	
	
	Capacidade calorífica (kJ.kg-1.K-1)
	Bronze
	1
	1,948957265
	
	2
	0,508312576
	
	3
	0,330786325
	PVC
	1
	0,930185754
	
	2
	1,781708595
	
	3
	0,91850015
	Aço
	1
	0,529891052
	
	2
	0,468077286
	
	3
	0,46900295
	Com estes valores calculou-se a média dessa grandeza para cada material e foi possível então comparar os valores experimentais com os encontrados na literatura.A média para cada objeto e seus respectivos desvios padrões, também como os dados encontrados na literatura, encontram-se na Tabela 5. 
Tabela 5 - Capacidade calorífica média e teórica para cada objeto
	
	Capacidade calorífica média (kJ.kg-1.K-1)
	Capacidade calorífica literatura (kJ.kg-1.K-1)
	Bronze
	0,929352055 ± 0,887454213
	0,37656
	PVC
	1,2101315 ± 0,495034767
	1,172304
	Aço
	0,488990429 ± 0,035424002
	0,481482
Fonte: (1), (2) 
	A capacidade térmica é uma grandeza que depende do calor específico de cada material de maneira direta. Uma vez que alta capacidade térmica é uma característica de materiais isolantes, espera-se que seu calor específico também seja elevado, o que pode ser comprovado ao encontrar o maior calor específico para o cano de PVC, o qual é caracterizado como isolante térmico diferentemente do bronze e do aço, os quais são metais e bons condutores, consequentemente ao fornecer a mesma quantidade de calor para estes materiais, os metais apresentam temperatura mais elevada do que a do PVC. 
	Já ao comparar os calores específicos experimentais do bronze e do aço pode-se observar que os mesmos não condizem com a teoria, uma vez que o bronze é um melhor condutor em relação ao aço espera-se que seu calor específico seja menor, o que não foi encontrado após os cálculos com os dados obtidos no procedimento. Este erro pode ser justificado devido ao sistema não estar completamente isolado durante o procedimento, tendo então perca de calor para o ambiente e também por considerar a temperatura inicial dos objetos como a temperatura da água quente em que estavam submersos.
	CONCLUSÃO
	Apesar de alguns erros experimentais que promoveram o desvio da capacidade calorífica, principalmente do latão, os métodos se mostraram satisfatórios tendo em vista que os valores práticos do PVC e do aço foram muito próximos quando comparados com a literatura. Um adendo deve ser dado que o material considerado nesse relatório como bronze foi apenas intuitivo, não havendo a confirmação dessa informação; mais um possível erro que pode ter gerado tal resultado discrepante. Erros advindos de medições e outros já citados podem também ter prejudicado a análise deste. 
	Porém, o esperado que o PVC tivesse uma capacidade calorífica devido ao mesmo ser considerado um isolante, foi comprovado na prática, obtendo um valor de 1,2101315 kJ.kg-1.K-1. O aço também teve o resultado esperado de ter um valor muito abaixo do PVC por este ser um condutor térmico eficiente, como todos os metais e ligas metálicas.
	Uma nova realização do experimento confirmaria os resultados, porém, por ora, as incertezas do método ainda ficam presentes.
REFERÊNCIAS
INDUSTRIAS JQ S.A.. Chemours FC. Sistema de Gestión de Calidad certificado bajo norma ISO 9001 . 2016. Disponível em: <http://www.jq.com.ar/imagenes/productos/pvc/pvcprop/dtecnicos.htm>. Acesso em: 09 set. 2018.
ALFA LAVAL AALBORG INDUSTRIES. Com. LTDA. Calor específico médio . Disponível em: <http://www.aalborg-industries.com.br/downloads/calor-especifico-medio.pdf>. Acesso em: 09 set. 2018.