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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ Campus Macaé FISICA TEORICA E EXPERIMENTAL II ANA CAROLINA DE LIMA RODRIGUES ARTHUR FERREIRA BARBOSA MATEUS LEMOS DE SOUZA MARCONI FERREIRA DIAS RAONI GABRIEL RODRIGUES DE CASTRO EXPERIMENTO 10: Equilíbrio Térmico e Curva de Aquecimento Relatório apresentado ao Professor Carlos Eduardo Barateiro, da Universidade Estácio de Sá - Campus Macaé/RJ como requisito parcial para avaliação da disciplina de Física teórica e experimental II. Macaé 19 de maio de 2018 Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé Disciplina: CCE0848 - FÍSICA EXPERIMENTAL II Experimento: 10 Professor (a): CARLOS EDUARDO BARATEIRO Data de Realização: 19/05/2018 Nome do Aluno (a): Ana Carolina de Lima Rodrigues Arthur Ferreira Barbosa Mateus Lemos de Souza Marconi Ferreira Dias Raoni Gabriel Rodrigues de Castro Nº da matrícula: 201501083261 201503387381 201603247459 201101530987 201703099346 201703099346 Nº da turma: 3039 3039 3039 3039 3039 3039 Título do Experimento: Equilíbrio Térmico e Curva de Aquecimento OBJETIVOS: Ao final do experimento o aluno será capaz de reconhecer que ao colocar em contato dois corpos a temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo com temperatura maior para o corpo de temperatura menor; reconhecer, identificar e descrever as mudanças de estado físicos; e construir gráficos da temperatura versus tempo utilizando dados coletados durante as mudanças de fase. INTRODUÇÃO TEÓRICA: Curva de aquecimento e resfriamento é o gráfico que mostra a variação de temperatura de uma amostra quando aquecida ou resfriada, incluindo-se as mudanças de estado físico. 0 Evolução da temperatura de 1kg de água aquecida com taxa constante de 1.000W. Os gráficos mostram a temperatura em função do tempo de aquecimento e da Nos estudos relacionados a mudanças de fase de substâncias, vemos que é possível provocar essa mudança mediante o fornecimento ou a retirada de energia térmica. Os exemplos mais simples dessa ocorrência são as mudanças de estado do sólido para líquido, do líquido para gasoso ou vice-versa. Por exemplo, se aquecermos um pedaço de gelo, ou seja, se fornecermos calor a ele, veremos que ele se funde (ou derrete). Sendo assim, podemos dizer que mudança de estado é uma reorganização interna dos átomos (ou moléculas) de uma substância, causando modificações significativas em suas propriedades. Curvas de aquecimento e de resfriamento: o que ocorre durante uma transição de fase. Curvas de aquecimento ou de resfriamento mostram a variação da temperatura com o tempo à medida que o objeto vai perdendo ou ganhando energia. Vamos considerar uma quantidade de 1kg de gelo com uma temperatura inicial de -20°C (ponto A da figura acima) e que recebe uma taxa de calor constante de 1.000 watts, ou seja, 1.000 J/s. Ao receber essa energia, as moléculas de água que estão organizadas como um sólido começam a oscilar cada vez mais rapidamente, causando um aumento linear na temperatura, que é determinado ela equação: Q = m.c.Δt. Isto ocorre até o instante em que o gelo atinge a temperatura de 0°C, ponto B do gráfico, quando a oscilação das moléculas é tal que as ligações entre elas começam a se romper. Neste instante, o gelo começa a derreter e toda a energia fornecida passa a ser usada para romper as ligações que mantém a estrutura sólida. Por este motivo, a temperatura fica constante até que todo o gelo esteja derretido, mesmo com a energia sendo continuamente fornecida. A energia fornecida durante a transição pode ser obtida da expressão Q = m.L. A partir do instante em que o gelo está completamente derretido (ponto C), a temperatura da água aumenta constantemente. Suas moléculas vibram mais rapidamente até atingirem a temperatura de ebulição (ponto D). O calor recebido a partir desse instante será usado para vaporizar a água, que permanece com temperatura constante até que o líquido tenha evaporado completamente (ponto E). Toda a energia recebida a partir desse ponto será usada para aquecer o vapor. A construção de gráficos deste tipo, a partir de dados experimentais, permite determinar com exatidão as temperaturas de transição e os valores do calor específico e do calor latente. CONTEÚDO HISTÓRICO Chamamos de Termologia a parte da física que estuda os fenômenos relativos ao calor, aquecimento, resfriamento, mudanças de estado físico, mudanças de temperatura, etc.. Temperatura é a grandeza que caracteriza o estado térmico de um corpo ou sistema. Fisicamente o conceito dado a quente e frio é um pouco diferente do que costumamos usar no nosso cotidiano. Podemos definir como quente um corpo que tem suas moléculas agitando-se muito, ou seja, com alta energia cinética. Analogamente, um corpo frio, é aquele que tem baixa agitação das suas moléculas. Ao aumentar a temperatura de um corpo ou sistema pode-se dizer que está se aumentando o estado de agitação de suas moléculas. Ao tirarmos uma garrafa de água mineral da geladeira ou ao retirar um bolo de um forno, percebemos que após algum tempo, ambas tendem a chegar à temperatura do ambiente. Ou seja, a água "esquenta" e o bolo "esfria". Quando dois corpos ou sistemas atingem a mesma temperatura, dizemos que estes corpos ou sistemas estão em equilíbrio térmico. Para que seja possível medir a temperatura de um corpo, foi desenvolvido um aparelho chamado termômetro. O termômetro mais comum é o de mercúrio, que consiste em um vidro graduado com um bulbo de paredes finas que é ligado a um tubo muito fino, chamado tubo capilar. Quando a temperatura do termômetro aumenta, as moléculas de mercúrio aumentam sua agitação fazendo com que este se dilate, preenchendo o tubo capilar. Para cada altura atingida pelo mercúrio está associada uma temperatura. A escala de cada termômetro corresponde a este valor de altura atingida. A escala Celsius é a mais usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0 °C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100 °C). A escala Fahrenheit é utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0 °F) e a temperatura do corpo humano (100 °F). A escala Kelvin é também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula (0 K) e é calculada a partir da escala Celsius. Por convenção, não se usa "grau" para esta escala, ou seja 0 K, lê-se zero kelvin e não zero grau kelvin. Em comparação com a escala Celsius: A conversões entre escalas pode ser estabelecida por uma convenção geométrica de semelhança. Por exemplo, convertendo uma temperatura qualquer dada em escala Fahrenheit para escala Celsius: Pelo princípio de semelhança geométrica: Da mesma forma, pode-se estabelecer uma conversão Celsius-Fahrenheit: E para escala Kelvin: Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor. Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes. A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperaturade um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5 °C para 15,5 °C. A relação entre a caloria e o joule é dada por: 1 cal = 4,186J Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples. Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a quilocaloria. 1 kcal = 10³cal É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo. Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico. Assim: Onde: Q = quantidade de calor sensível (cal ou J). c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C). m = massa do corpo (g ou kg). Δθ = variação de temperatura (°C). É interessante conhecer alguns valores de calores específicos: Quando Q>0: o corpo ganha calor e quando Q<0: o corpo perde calor. Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente. A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L). Assim: A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1 g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra. Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico. Por exemplo, para a água: Quando Q>0: o corpo funde ou vaporiza e quando Q<0: o corpo solidifica ou condensa. Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variação de temperatura. Assim podemos elaborar um gráfico de temperatura em função da quantidade de calor absorvida. Chamamos este gráfico de Curva de Aquecimento: Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente e com seu interior. Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontram, toda a energia térmica passa de um corpo ao outro. Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja: ΣQ=0 (lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero) Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente. Capacidade térmica é a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade. Então, pode-se expressar esta relação por: Sua unidade usual é cal/°C. A capacidade térmica de 1g de água é de 1cal/°C já que seu calor específico é 1cal/g.°C. MATERIAIS UTILIZADOS: Tripé delta com sapatas niveladoras amortecedoras haste metálica mufas duplas de 90 graus pinças com cabo agitador termômetros de -10ºC a 110ºC Becker Tubo de ensaio proveta gelo picado água a temperatura ambiente água fervente Lamparina ou bico de Bunsen Cronometro Calorímetro ROTEIRO DO EXPERIMENTO Inicialmente anote os dados dos instrumentos de medição que serão utilizados no experimento – preencha a Tabela 1. Tabela 1: Dados dos Instrumentos Modelo Fabricante Num Série Faixa de Medição Resolução Termômetro de vidro 1 1006/06 INCOTERM 932B1 10°C A 110°C 1°C Termômetro de vidro 2 1006/06 INCOTERM 932B1 10°C A 110°C 1°C Béquer N/A N/A N/A 0 A 50ml 0,5ml Cronômetro 75947/10 INCOTERM 07826 10 a 100 s 0,1s Régua EQ003A CODEPE 227272 0 A 500mm 0,5mm Coloque 50 ml de água na temperatura ambiente dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras e anote na Tabela 2. Meça o valor da temperatura dessa água com a respectiva incerteza – faça três leituras e anote na Tabela 2. Coloque essa água dentro do Calorímetro e o feche. Tabela 2: Dados da Temperatura da Água Ambiente Equilíbrio Térmico Volume da água Incerteza na medição do volume Temperatura da água Incerteza da medição de temperatura Med. 1 50ml 0,5ml 24°C 0,5°C Med. 2 50ml 0,5ml 24°C 0,5°C Med. 3 50ml 0,5ml 24°C 0,5°C Coloque 50 ml de água fervente dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras e anote na Tabela 3. Meça o valor da temperatura dessa água fervente com a respectiva incerteza – faça três leituras e anote na Tabela 3. Tabela 3: Dados da Água Fervente Equilíbrio Térmico Volume da água fervente Incerteza na medição do volume Temperatura da água Fervente Incerteza da medição de temperatura Med. 1 50ml 0,5ml 63°C 0,5°C Med. 2 50ml 0,5ml 63°C 0,5°C Med. 3 50ml 0,5ml 63°C 0,5°C Misture os 50 ml dessa agua fervente no calorímetro que já continha a água na temperatura ambiente, fique agitando a mistura e a cada quinze segundos anote o valor da temperatura do conjunto preenchendo a Tabela 4. Tabela 4: Dados do Equilíbrio Água Ambiente e Fervente Equilibrio Térmico Tempo Trasncorrido Incerteza na medição do tempo Temperatura no Termômetro Incerteza da medição de temperatura Med. 1 15s 0,005s 39°C 0,5°C Med. 2 30s 0,005s 39°C 0,5°C Med. 3 45s 0,005s 39°C 0,5°C Med. 4 60s 0,005s 39°C 0,5°C Med. 5 75s 0,005s 39°C 0,5°C Med. 6 90s 0,005s 39°C 0,5°C Coloque 50 ml de gelo picado dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras e anote na Tabela 5. Meça o valor da temperatura desse gelo picado com a respectiva incerteza – faça três leituras faça três leituras e anote na Tabela 5. Tabela 5: Dados do Gelo Equilíbrio Térmico Volume do Gelo Incerteza na medição do volume Temperatura do Gelo Incerteza da medição de temperatura Med. 1 50ml 0,5ml 0°C 0,5°C Med. 2 50ml 0,5ml 0°C 0,5°C Med. 3 50ml 0,5ml 0°C 0,5°C Coloque 50 ml desse gelo picado dentro do calorímetro que já continha a mistura de agua ambiente + água fervente, fique agitando a mistura e a cada quinze segundos anote o valor da temperatura do conjunto preenchendo a Tabela 6. Tabela 6: Dados do Equilíbrio Agua Ambiente, Fervente e Gelo k) Equilíbrio Térmico Tempo Transcorrido Incerteza na medição do tempo Temperatura no Termômetro Incerteza da medição de temperatura Med. 1 15s 0,005s 20°C 0,5°C Med. 2 30s 0,005s 15°C 0,5°C Med. 3 45s 0,005s 15°C 0,5°C Med. 4 60s 0,005s 15°C 0,5°C Med. 5 75s 0,005s 15ºC 0,5°C Med. 6 90s 0,005s 15°C 0,5°C Faça a montagem mostrada na figura ao abaixo: Anote o valor da temperatura ambiente – faça três leituras e preencha a Tabela 7. Tabela 7: Dados da Temperatura Ambiente Medição da Temperatura Ambiente Incerteza da medição de temperatura Med. 1 25°C 0,5°C Med. 2 25°C 0,5°C Med. 3 25°C 0,5°C Coloque gelo picado dentro de um tubo de ensaio, fazendo o agitamento do mesmo, faça oito leituras da temperatura do gelo, uma a cada 20 segundos, preenchendo a Tabela 8 – a última leitura deve ser quando não houver mais gelo no tubo de ensaio (anote esse tempo). Tabela 8: Curva de Aquecimento Parte 1 Curva de Aquecimento Tempo Transcorrido Incerteza na medição do tempo Temperatura no Termômetro Incerteza damedição de temperatura Med. 1 20s 0,005s 0°C 0,5°C Med. 2 40s 0,005s 3°C 0,5°C Med. 3 60s 0,005s 5°C 0,5°C Med. 4 80s 0,005s 13°C 0,5°C Med. 5 100s 0,005s 19°C 0,5°C Med. 6 120s 0,005s 26°C 0,5°C Med. 7 140s 0,005s 40°C 0,5°C Med. 8 160s 0,005s 50°C 0,5°C Acenda o bico de Bunsen e aqueça o tubo de ensaio, agite o liquido e verifique a temperatura no interior do tubo a cada 20 segundos até o início da fervura do líquido, preenchendo a Tabela 9 – a última leitura deve ser o momento do início da fervura e anote esse tempo. Tabela 9: Curva de Aquecimento Parte 2 Curva de Aquecimento Tempo Transcorrido Incerteza na medição do tempo Temperatura no Termômetro Incerteza da medição de temperatura Med. 1 20s 0,005s 39°C 0,5°C Med. 2 40s 0,005s 49°C 0,5°C Med. 3 60s 0,005s 50°C 0,5°C Med. 4 80s 0,005s 69°C 0,5°C Med. 5 100s 0,005s 85°C 0,5°C Med. 6 120s 0,005s 96°C 0,5°C Med. 7 140s 0,005s 99°C 0,5°C Med. 8 160s 0,005s 99°C 0,5°C Med. 9 180s 0,005s 99°C 0,5°C Med. 10 200s 0,005s 99°C 0,5°C Após iniciar a fervura, continue anotando o valor da temperatura faça quatro leituras da temperatura da água fervendo, uma a cada 20 segundos, preenchendo a Tabela 10. Tabela 10: Curva de Aquecimento Parte 3 Curva de Aquecimento Tempo Transcorrido Incerteza na medição do tempo Temperatura no Termômetro Incerteza da medição de temperatura Med. 1 20s 0,005s 99°C 0,5°C Med. 2 40s 0,005s 99°C 0,5°C Med. 3 60s 0,005s 99°C 0,5°C Med. 4 80s 0,005s 99°C 0,5°C Com os dados da Tabela 2, calcule a temperatura média da água que estava na temperatura ambiente e seu respectivo volume utilizado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor – preencha a Tabela 11. Tabela 11: Valores Médios da Água na Temperatura Ambiente Dados da Temperatura Unidade Medição 1 Medição 2 Medição 3 Valor Médio Desvio Padrão Valor °C 24°C 24°C 24°C 24°C 0,5°C Incerteza 0,5°C 0,5°C 0,5°C 0,5°C 0,5°C Dados do Volume Unidade Medição 1 Medição 2 Medição 3 Valor Médio Desvio Padrão Valor ml 50ml 50ml 50ml 50ml 0,5ml Incerteza 0,5ml 0,5ml 0,5ml 0,5ml 0,5ml Com os dados da Tabela 3, calcule a temperatura média da água fervente e seu respectivo volume utilizado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor – preencha a Tabela 12. Tabela 12: Valores Médios da Água Fervente Dados da Temperatura Unidade Medição 1 Medição 2 Medição 3 Valor Médio Desvio Padrão Valor °C 63°C 63°C 63°C 63°C 0,5°C Incerteza 0,5°C 0,5°C 0,5°C 0,5°C 0,5°C Dados do Volume Unidade Medição 1 Medição 2 Medição 3 Valor Médio Desvio Padrão Valor ml 50ml 50ml 50ml 50ml 0,5ml Incerteza 0,5ml 0,5ml 0,5ml 0,5ml 0,5ml Com os dados da Tabela 4, trace a curva temperatura x tempo referente a mistura da água na temperatura ambiente e água fervente – preencha o Gráfico 1. Gráfico 1: Curva da Mistura Água Ambiente e Água Fervente Com os dados da Tabela 5, calcule a temperatura média do gelo e seu respectivo volume utilizado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor – preencha a Tabela 13. Tabela 13: Valores Médios do Gelo Dados da Temperatura Unidade Medição 1 Medição 2 Medição 3 Valor Médio Desvio Padrão Valor °C 0°C 0°C 0°C 0°C 0,5°C Incerteza 0,5°C 0,5°C 0,5°C 0,5°C 0,5°C Dados do Volume Unidade Medição 1 Medição 2 Medição 3 Valor Médio Desvio Padrão Valor ml 50ml 50ml 50ml 50ml 0,5ml Incerteza 0,5ml 0,5ml 0,5ml 0,5ml 0,5ml Com os dados da Tabela 6, trace a curva temperatura x tempo referente a mistura da água na temperatura ambiente, água fervente e gelo – preencha o Gráfico 2. Gráfico 2: Curva da Mistura Água Ambiente, Água Fervente e Gelo Qual o valor teórico para a temperatura de equilíbrio da água na temperatura ambiente e a água fervente da primeira parte do experimento? Justifique sua resposta. R: Em nosso ambiente a temperatura de equilíbrio da água é 24°C, visto que essa era a temperatura ambiente no dia da realização do experimento. A temperatura de equilíbrio da água fervente é 100°C, no dia do experimento a temperatura máxima que alcançamos foi 99°C, tal divergência deve-se a pressão atmosférica, erros de leitura do termômetro, paralaxe ou também pela precisão do termômetro, 0,5°C. Compare o valor teórico da temperatura de equilíbrio da água na temperatura ambiente e a água fervente da primeira parte do experimento com o Gráfico 1. Estão coerentes os valores? Justifique sua resposta. R: Qual o valor teórico para a temperatura de equilíbrio da água na temperatura ambiente, a água fervente e o gelo da primeira parte do experimento? Justifique sua resposta. R: Compare o valor teórico da temperatura de equilíbrio da água na temperatura ambiente, a água fervente e o gelo da primeira parte do experimento com o Gráfico 2. Estão coerentes os valores? Justifique sua resposta. R: Com base no observado explique quem ganhou e quem perdeu calor no primeiro equilíbrio (água ambiente e água fervente) e no segundo equilíbrio (água ambiente/água fervente e gelo). R: Com os dados das Tabelas 8, 9 e 10, trace a curva temperatura x tempo com a curva de aquecimento do gelo até a água fervente – preencha o Gráfico 3. Gráfico 3: Curva de Aquecimento Como se chama cada mudança de estado físico observado nessa segunda parte do experimento e retratado no Gráfico 3? R: Caso você repetisse essa segunda parte do experimento (curva de aquecimento) em outro lugar (ou em outro dia, com pressão atmosférica diferente), seriam mantidos os valores da temperatura de descongelamento do gelo e de ebulição da água? Justifique a sua resposta. R: De onde veio a água líquida quando o gelo picado derreteu? R: R: Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias. R:
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