Trabalho de Troca de calor

Prévia do material em texto

Universidade Estácio de Sá 
Disciplina: Física Experimental II
TROCA DE CALOR
Douglas Kurz (201402238177)
Renée Vilas Boas (201403061025)
Turma : 3105 / Quarta feira ( 21:10 às 22:50)
Professora: Claudia Logelo
Introdução
Para falarmos em calor será necessário introduzir o conceito de energia térmica que surge devido ao continuo movimento das moléculas ou átomos que constituem uma matéria. 
Em outras palavras a energia térmica tem sua origem na energia cinética das moléculas ou átomos. A medida dessa energia cinética ou energia térmica é chamada de temperatura. 
É comum que um sistema termodinâmico possua alguns corpos ou regiões em diferentes estados térmicos, ou seja, em diferentes temperaturas (sistema fora do equilíbrio termodinâmico), neste caso o sistema irá busca o equilíbrio termodinâmico (mesma temperatura) por processo espontâneo de transferência de energia térmica, denominado calor. 
O calor é denominado como uma transferência de energia entre dois corpos ou duas regiões distintas de um mesmo corpo. Para sua propagação ocorrer se torna necessário que os dois corpos ou regiões se encontrem fora do equilíbrio térmico, ou seja, que suas temperaturas sejam diferentes. “O sentido do fluxo de calor Φ segue espontaneamente do corpo (ou região) de maior temperatura para o corpo (ou região) de menor temperatura.” Definimos o fluxo de calor como sendo uma quantidade Q que atravessa uma superfície S por uma unidade de tempo. 
 = Q/t
Onde o Φ é dado em cal/s, kcal/s ou watt (W) que corresponde a Joule por segundo (J/s). Dessa forma descrevemos o processo de propagação de calor num contexto geral, contudo se torna necessário discutir as suas variações que dependem da natureza da fonte de calor e meio material. Essas são classificadas como: condução, convecção e radiação (ou irradiação).
A troca de calor acontece quando dois ou mais corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato em um mesmo ambiente (sistema isolado) e, depois de certo tempo, alcançam o equilíbrio térmico. 
O sistema isolado referido acima é mais conhecido como calorímetro. Um sistema fechado que impossibilita a troca de calor do sistema com o meio. 
As trocas de calor acontecem porque o calor é um tipo de energia que transita entre os corpos, ocasionando esse movimento, fato que acontece até que haja o equilíbrio térmico entre ambos. Esse processo acontece porque os corpos sentem a necessidade de ceder e receber calor. 
Para uma dada massa, a quantidade de calor necessária para produzir um determinado acréscimo de temperatura depende da substância. Chama-se Capacidade Térmica C, de um corpo o quociente entre a quantidade de calor dQ, fornecida ao corpo e o correspondente acréscimo de temperatura dT:
C = dQ/dT
A capacidade térmica por unidade de massa de um corpo, denominada calor específico, depende da natureza da substância da qual ele é feito e é definido como o quociente entre sua capacidade térmica e sua massa:
C= C /m= 1 dQ/mdT
Pode-se falar, apropriadamente, por um lado, da capacidade térmica de uma moeda de cobre e, por outro lado, do calor específico do cobre. O calor que deve ser transferido a um corpo de massa m, cujo material tem um calor específico c, para elevar sua temperatura desde Ti até Tf é:
Q = mcΔT
Objetivo: 
Observar a troca de calor entre uma massa de água no estado liquido e no estado solido.
Teoria:
Para que ocorra troca de calor, é necessário que ele seja transferido de uma região a outra através do próprio corpo, ou de um corpo para outro. Existem três processos de transferência de calor estudados na termologia, são eles: condução, convecção e irradiação. A irradiação é a propagação de ondas eletromagnéticas que não precisam de meio para se propagar, enquanto que a condução e a convecção são processos de transferência que necessitam de um meio material para se propagar.
Condução
Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de condução de calor é denominado condução. No caso dos metais, além da transmissão de energia de átomo para átomo, há a transmissão de energia pelos elétrons livres, ou seja, são os elétrons que estão mais afastados do núcleo e que são mais fracamente ligados aos núcleos, portanto, esses elétrons, colidindo entre si e com átomos, transferem energia com bastante facilidade. Por esse motivo, o metal conduz calor de modo mais eficiente do que outros materiais.
Convecção
Da mesma forma que o metal, os líquidos e os gases são bons condutores de calor. No entanto, eles transferem calor de uma forma diferente. Esta forma é denominada convecção. Esse é um processo que consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido. Por exemplo, vamos considerar uma vasilha que contenha água à temperatura inicial de 4°C. Sabemos que a água acima de 4ºC se expande, então ao colocarmos essa vasilha sobre uma chama, a parte de baixo da água se expandirá, tendo sua densidade diminuída e, assim, de acordo com o Princípio de Arquimedes, subirá. A parte mais fria e mais densa descerá, formando-se, então, as correntes de convecção. Como exemplo de convecção temos a geladeira, que tem seu congelador na parte de cima. O ar frio fica mais denso e desce, o ar que está embaixo, mais quente, sobe.
Irradiação
Podemos dizer que a irradiação térmica é o processo mais importante, pois sem ela seria praticamente impossível haver vida na Terra. É por irradiação que o calor liberado pelo Sol chega até a Terra. Outro fator importante é que todos os corpos emitem radiação, ou seja, emitem ondas eletromagnéticas, cujas características e intensidade dependem do material de que é feito o corpo e de sua temperatura. Portanto, o processo de emissão de ondas eletromagnéticas é chamado de irradiação. A garrafa térmica é um bom exemplo de irradiação térmica. A parte interna é uma garrafa de vidro com paredes duplas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor por condução. As partes interna e externa da garrafa são espelhadas para evitar a transmissão de calor por irradiação.
Calor sensível e calor latente são grandezas físicas que descrevem a quantidade de calor que se precisa adicionar ou remover de uma substância para que ela sofra alguma variação térmica. Veja a seguir suas definições.
Calor sensível é a quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa de uma substância altere sua temperatura em 1 grau. Essa denominação só é dada para o caso em que o calor recebido apenas altera a temperatura do material, permanecendo este no mesmo estado de agregação.
Um exemplo desse tipo de situação é um pedaço de metal que se aquece quando é colocado próximo ao fogo, porém continua no estado sólido.
O calor sensível, também chamado por calor específico sensível, é representado pela letra c e depende do tipo de material e do seu estado de agregação. 
Para a água no estado líquido, temos: c = 1 cal/ g . ºC. Isso significa que é necessário fornecer 1 cal para que 1g de água aumente sua temperatura em 1º Celsius ou que é necessário retirar 1 cal para que a temperatura diminua em 1º Celsius.
Mas para a água em estado sólido, essa quantidade já é c = 0,5 cal/ g.ºC.
A definição de calor sensível está relacionada também com o conceito de Capacidade térmica, que corresponde à quantidade de calor que a massa total de um corpo precisa receber ou perder para que sua temperatura varie 1ºC.
Já o calor latente, representado pela letra L, é a quantidade de calor que, ao ser fornecida ou retirada de um corpo, não altera sua temperatura, mas causa mudança em seu estado de agregação. Ele informa a quantidade de calor por unidade de massa que é necessário fornecer ou retirar de um objeto para mudar o seu estado de agregação.
Observamos esse fenômeno no derreter do gelo, em que é possível ver a água no estado sólido e líquido à mesma temperatura.O calor que está sendo fornecido para a substância é revertido totalmente para a mudança de fase, e não para o aumento da temperatura.
Se a substância recebe calor para alterar seu estado, que é o que ocorre na fusão e na vaporização, então o valor de L é positivo. Mas se a substância perde calor, L é negativo, sendo o que ocorre na solidificação e liquefação.
Material Utilizado: 
Água
Gelo
Calorímetro
Termômetro
Procedimento Prático:
Inicialmente foi medida a temperatura do gelo e da água:
Temperatura Inicial da Água To: 23ºC
Temperatura Inicial do Gelo To: 1ºC
Logo após a medição das temperaturas iniciais, foi colocada a água dentro do calorímetro, dentro de outro recipiente, colocado o gelo e esta recipiente inserida na água. Fechado o calorímetro, inserimos o termômetro para analisarmos a variação de temperatura e a troca de calor.
Após alguns minutos, podemos observar que a temperatura do gelo passou a 3ºC a permaneceu constante até o derretimento total do gelo. 
Dados (gráfico):
Após o derretimento, ocorreu a temperatura de equilíbrio como podemos observar no gráfico abaixo: 
Temperatura Final do Gelo e da Água: 13ºC
Temperatura de Equilíbrio
Conclusão
Após a execução do experimento, podemos observar a troca de calor ocorrida entre a água e o gelo. Contudo, o calorímetro é feito de alumínio, ou seja, material condutor. O calorímetro ideal deveria ser de material isolante térmico. Mesmo assim podemos perceber variação térmica ocorrida em ambos os materiais. A água teve sua temperatura reduzida enquanto o gelo teve sua temperatura elevada. Após a fusão, foi encontrada uma temperatura de Equilíbrio (13ºC).
Observamos também que durante a fusão, a temperatura do gelo foi elevada gradativamente até atingir o equilíbrio térmico de 13°C.