RELATÓRIO 6 - TROCA DE CALOR - George e Delaine

Prévia do material em texto

Troca de Calor 
George Lima Marques e Delaine Silva Santos 
Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas – Universidade Estadual de Santa Cruz 
 Ilhéus - Bahia 
Resumo. O experimento consiste no estudo da variação de temperatura de porções de 
água no interior de um calorímetro e determinação da capacidade térmica dessas 
porções, assim como a análise de forma prática dos fenômenos de troca de calor e 
equilíbrio térmico em um sistema, obtendo resultados satisfatórios dados às condições do 
experimento. 
 
1. Introdução 
O calor que é transferido quando se 
realiza um processo químico ou físico pode 
ser determinado por uma técnica 
experimental conhecida como calorimetria. 
O Calor é definido como 
 (1) 
 O equipamento utilizado para a aferição 
nesse tipo de procedimento é um 
calorímetro, é um aparelho simples 
construído para isolar termicamente o seu 
interior, para que não ocorram trocas de 
calor entre o interior e o ambiente externo, 
como mostra a figura 1. Neste instrumento é 
colocado um termômetro obviamente usado 
para aferição da temperatura do sistema. [1]
 
 
Figura 1 - Esquema de montagem de um calorímetro. 
O princípio da igualdade das Trocas de 
Calor diz que quando vários corpos trocam 
calor apenas entre si, a soma das quantidades 
de calor a que alguns cedem é igual, em 
módulo, à soma das quantidades de calor que 
os restantes recebem. 
 Q1 + Q2 +...+ Qn = 0 (2) 
A temperatura de um objeto varia quando 
emite ou absorve calor, esta variação de 
temperatura sofrida por um objeto que 
absorve certa quantidade de energia é 
denominada capacidade calorífica deste 
objeto. Mais especificamente, a capacidade 
calorífica de um objeto é a quantidade de 
energia necessária para elevar a sua 
temperatura em 1ºC ou 1K. Existe também a 
capacidade calorífica específica ou 
simplesmente calor específico de uma 
substância, que é a energia necessária para 
elevar de 1K ou 1ºC a massa de 1g da 
substância. A capacidade térmica é calculada 
da forma: 
 (3) 
A relação utilizada para calcular o calor 
específico de um calorímetro em que são 
adicionadas amostras de uma mesma 
substância com temperaturas diferentes é: 
 
 
Ou 
 (4) 
 
Onde é a capacidade térmica do 
calorímetro, é a temperatura final do 
sistema, é a temperatura inicial da 
primeira amostra, é a temperatura inicial 
da segunda amostra, é a massa da 
primeira amostra, é a massa da segunda 
amostra e é o calor específico da 
substância.[2]
 
 
 
 
2. Procedimento Experimental 
Obteve-se, com a balança, a massa(m) do 
copo de alumínio interno ao calorímetro. 
Colocou-se uma porção de água no interior 
do calorímetro (menos da metade do seu 
volume) e mediu-se a massa (m) dessa 
porção água. Colocou-se um termômetro no 
interior do calorímetro e obteve-se a 
temperatura dessa porção de água. Mediu-se 
a massa do balão de vidro e, posteriormente, 
colocou-se uma certa quantidade de água. 
Mediu-se novamente a massa do balão de 
vidro, para obter a massa de água no seu 
interior. O balão de vidro foi aquecido, 
utilizando a fonte de calor e o suporte, até 
uma temperatura superior a 40°C. Utilizou-
se o termômetro para verificar a temperatura 
dessa porção de água. Colocou-se a água 
aquecida no interior do calorímetro, tampou-
o e introduziu o termômetro no orifício da 
tampa e mediu-se a temperatura de equilíbrio 
do sistema. 
Repetiu-se todo o procedimento mais 
duas vezes. Antes de reiniciar o 
experimento, enxaguou-se o copo de 
alumínio com água até que o mesmo 
retornou à temperatura ambiente e checou-se 
essa temperatura inicial (ambiente) para cada 
medida. Repetiu-se o experimento 
utilizando, agora, uma porção de água fria 
(com temperatura inferior a 10°C). Obteve-
se essa porção de água fria misturando água 
à temperatura ambiente com alguma 
quantidade de gelo. Repetiu-se este 
procedimento mais duas vezes. 
Nas medidas indiretas o valor da grandeza 
final dependerá das incertezas de cada uma 
das grandezas obtidas direta ou 
indiretamente, bem como da forma da 
expressão matemática utilizada para obtê-
las. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (5) 
 
3. Resultados e Discussão 
A massa do calorímetro obtida na balança 
foi de 31,0 g. Com esse valor, fazendo uso 
da equação (3) podemos calcular a 
capacidade térmica do calorímetro, sendo 
seu calor específico (0,90 ± 0,01) J/g °C. 
Então: 
 
 
 
 
 
A tabela a seguir, contém os valores 
das medições referentes a mistura da água à 
temperatura ambiente e a água quente: 
Tabela 1: Valores referentes as 
medidas feitas para a mistura de água quente 
com água a temperatura ambiente. 
 Medida 1 Medida 2 Medida 3 
MTA* 91,1 g 91,3 g 90,6 g 
Ti* 24 °C 25 °C 24 °C 
MAQ* 90,1 g 94,5 g 90,1 g 
TAQ* 41 °C 43 °C 43 °C 
Tf* 33 °C 34 °C 33 °C 
*MTA é a massa da água a 
temperatura ambiente; Ti é a temperatura 
inicial; MAQ é a massa de água quente; TAQ é 
a temperatura da água quente e Tf é a 
temperatura final do sistema. 
Esta próxima tabela contém os 
valores das medições referentes a mistura da 
água à temperatura ambiente e a água fria: 
Tabela 2: Valores referentes para a 
mistura da água fria com a água a 
temperatura ambiente 
 Medida 1 Medida 2 Medida 3 
MTA* 90,8 g 89,7 g 90,2 g 
Ti* 24 °C 23 °C 24 °C 
MAF* 90,1 g 92,3 94,1 
TAF* 9 °C 7 °C 7 °C 
Tf* 17 °C 16 °C 16 °C 
*MTA é a massa da água a 
temperatura ambiente; Ti é a temperatura 
inicial; MAF é a massa de água fria; TAF é a 
temperatura da água fria e Tf é a temperatura 
final do sistema. 
Sabendo que o calor específico da 
água é (4,18 ± 0,01) J/ g °C e fazendo uso da 
equação (3), podemos determinar a 
capacidade térmica das porções de água: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Onde é a capacidade térmica da 
água a temperatura ambiente e é a 
capacidade térmica da água quente. 
Para as medidas referentes a mistura 
da água fria e a água a temperatura ambiente, 
temos também: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Onde é a capacidade térmica da 
água a temperatura ambiente e é a 
capacidade térmica da água fria. 
Conhecendo a capacidade térmica das 
porções de água e do calorímetro, e 
utilizando as medições de temperatura 
vamos calcular os valores de Q a partir da 
equação (1). 
A partir da equação (5) vamos 
determinar uma expressão para calcular a 
incerteza de Q: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (8) 
 
Daí obtemos:Para as medidas da mistura de água fria 
com a água a temperatura ambiente, temos 
também: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para calcular a soma do calor total, 
utilizando (3) e a partir de (7) podemos 
encontrar a incerteza com a seguinte 
equação: 
 
 
 
 
 
Para as medições da mistura de água 
quente e água a temperatura ambiente, 
temos: 
Medição 1: 
 
 
Medição 2: 
 
 
Medição 3: 
 
 
Para as medições da mistura de água fria 
com água a temperatura ambiente, temos: 
Medição 1: 
 
 
Medição 2: 
 
 
Medição 3: 
 
 
Em um sistema isolado o calor total 
envolvido é zero, pois o calor é liberado e 
absorvido internamente no sistema pelos 
seus componentes. No experimento, o 
sistema não é totalmente isolado, pois 
mesmo tendo um bom isolamento o 
calorímetro também troca calor com o meio 
externo, logo o calor total é diferente de 
zero. Os dados obtidos atestam isso, de 
forma que o calor total sofreu variação de 
medição para medição. Estas variações 
podem ter sofrido influências, também, de 
erros sistemáticos como aparelhos de 
medição com problema, erro ao fechar o 
calorímetro, balança mal calibrada, erros de 
leitura do termômetro e erros aleatórios entre 
cada medição. 
4. Conclusão 
Com os resultados obtidos foi possível 
verificar que as variações de temperatura do 
sistema, interno ao calorímetro, ocorreu 
devido à transferência de calor entre os 
corpos, onde o corpo quente cede calor ao 
corpo frio. Foi observado também, que o 
copo interno ao calorímetro participa da 
troca de calor ora cedendo ora absorvendo, 
impossibilitando afirmar que todo calor 
cedido pela porção de água mais quente foi 
absorvido pela porção de água mais fria. O 
uso de um calorímetro com maior isolamento 
térmico e um termômetro de maior precisão 
pode contribuir para alcançar melhores 
resultados, embora os resultados encontrados 
sejam satisfatórios. 
5. Referências 
1] HALLIDAY, D.; RESNICK, J. W. 
Fundamentos de Física. Vol. 2, 8ª 
edição, Rio de Janeiro, Editora LTD, 
2011. 
[2] NUSSENZVEIG, M. Curso de 
Física básica. Vol. 1, 4ª edição, São 
Paulo: Editora Blucher, 2002.