Relatório - 9 Equilibrio Termico e Curva de Aquecimento

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Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé
	
	
	Curso: Engenharias
	Disciplina: CCE084 - FÍSICA EXPERIMENTAL II
	Código: 
	Turma: 3083
	
	
	Professor (a): CARLOS EDUARDO BARATEIRO
	Data de Realização: 04/05/2017
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Nome do Aluno (a): Felipe Henrique Ferreira
Nome do Aluno (a): Mariana Oliveira Vieira
Nome do Aluno (a): Paula Oliveira Miranda
Nome do Aluno (a): Rafael Barros Mothé
Nome do Aluno (a): Raquel de Oliveira Ferreira
Nome do Aluno (a): Victor De Almeida Santos
Nome do Aluno (a): Wesley Pereira Pinto
	Nº da matrícula: 2016026093-57
Nº da matrícula: 2016025028-62
Nº da matrícula: 2016024440-05
Nº da matrícula: 2016031374-16
Nº da matrícula: 2016027100-23
Nº da matrícula: 2016024458-69
Nº da matrícula: 2016024439-71
Nome do Experimento: Equilíbrio Térmico e Curva de Aquecimento 
Objetivos:
 -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; 
-Construir gráficos da temperatura versus tempo utilizando dados coletados durante as mudanças de fase.
Introdução Teórica:
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:
 
 
Alguns exemplos de temperaturas:
	
	Escala Celsius (°C)
	Escala Fahrenheit (°F)
	Escala Kelvin (K)
	Ar liquefeito
	-39
	-38,2
	243
	Maior Temperatura na superfície da Terra
	58
	136
	331
	Menor Temperatura na superfície da Terra
	-89
	-128
	184
	Ponto de combustão da madeira
	250
	482
	523
	Ponto de combustão do papel
	184
	363
	257
	Ponto de fusão do chumbo
	327
	620
	600
	Ponto de fusão do ferro
	1535
	2795
	1808
	Ponto do gelo
	0
	32
	273,15
	Ponto de solidificação do mercúrio
	-39
	-38,2
	234
	Ponto do vapor
	100
	212
	373,15
	Temperatura na chama do gás natural
	660
	1220
	933
	Temperatura na superfície do Sol
	5530
	10000
	5800
	Zero absoluto
	-273,15
	-459,67
	0
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 temperatura de 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:
	Substância
	c (cal/g°C)
	Alumínio
	0,219
	Água
	1,000
	Álcool
	0,590
	Cobre
	0,093
	Chumbo
	0,031
	Estanho
	0,055
	Ferro
	0,119
	Gelo
	0,550
	Mercúrio
	0,033
	Ouro
	0,031
	Prata
	0,056
	Vapor d'água
	0,480
	Zinco
	0,093
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:
	Calor latente de fusão
	
	80cal/g
	Calor latente de vaporização
	
	540cal/g
	Calor latente de solidificação
	
	-80cal/g
	Calor latente de condensação
	
	-540cal/g
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 variaçãode 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:
Instrumentos de Medição
Inicie anotando os dados dos instrumentos de medição que serão utilizados no experimento.
Equilíbrio Instrumentos de Medição
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.
Meça o valor da temperatura dessa água com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Coloque esse água dentro do Calorímetro e o feche.
Coloque 50 ml de água fervente dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Meça o valor da temperatura dessa água fervente com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Misture os 50 ml dessa agua fervente no calorímetro que já continha a água na temperatura ambiente, aguarde um minuto, agite e verifique a temperatura do conjunto – faça três leituras;
Coloque 50 ml de gelo picado dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Meça o valor da temperatura desse gelo picado com a respectiva incerteza – faça três leituras.
Coloque 50 ml desse gelo picado dentro do calorímetro que já continha a mistura de agua ambiente + água fervente, aguarde um minuto, agite e verifique a temperatura do conjunto – faça três leituras.
Curva de aquecimento e mudanças de estados física da água 
Anote o valor da temperatura ambiente – faça três leituras; 
Coloque gelo picado dentro de um tubo de ensaio; 
Aguarde cerca de dois minutos observando por fora do tubo;
Prenda o termômetro na haste com auxílio das mufas; 
Leia a temperatura do gelo no interior do tubo de ensaio;
Aguarde dois minutos e verifique a temperatura novamente;
Aqueça o tubo de ensaio com a lamparina, verificando a temperatura no interior do tudo a cada 20 segundos enquanto houver gelo no interior do tubo, usando sempre o agitador;
Ao derreter todo o gelo verifique a temperatura e anote o tempo em que esse gelo levou para derreter; 
Continue observando e anotando a temperatura e o tempo, a cada 20 segundos e anotando os resultados; 
Ao começar a levantar fervura, verifique e anote a temperatura e o tempo transcorrido; 
Deixe certo tempo essa água ferver, anotando a temperatura e o tempo e anotando os resultados.
Dados Coletados:
	
	Modelo
	Fabricante
	Num Série
	Faixa de Medição
	Resolução
	
Termômetro de Vidro #1
	
INCOTERM
	
INCOTERM
	
L 006/06
	
110°C
	
1°C
	Termômetro de Vidro #2
	
INCOTERM
	
INCOTERM
	
L 75997/10
	
110°C
	
1°C
	
Cronômetro
	
SWTWTFS
	
SWTWTFS
	
PC396
	
1/100
	
0,01s
	
	Parte 1: Medição de 50 ml de água na temperatura ambiente
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do Volume:
	Incerteza da medição do volume
	
Medida 1
	
24°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
Medida 2
	
24°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
Medida 3
	
24°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
	Parte 1: Medição de 50 ml de Agua fervente
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do Volume:
	Incerteza da medição do volume
	
Medida 1
	
60°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
Medida 2
	
58°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
Medida 3
	
55°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
	Parte1: Medição da mistura em temperatura ambiente e agua fervente
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	
Medida 1
	
36°C
	
0,5°C
	
Medida 2
	
36°C
	
0,5°C
	
Medida 3
	
36°C
	
0,5°C
	
	Parte 1: Medição de 50 ml de gelo picado
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do Volume:
	Incerteza da medição do volume
	
Medida 1
	
1°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
Medida 2
	
3°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
	
Medida 3
	
1°C
	
0,5°C
	
50ml
	
25 ml
 
	
	Parte1: Medição da mistura Agua em temperatura Ambiente, Agua fervente e gelo picado.
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	
Medida 1
	
17ºC
	
0,5ºC
	
Medida 2
	
17ºC
	
0,5ºC
	
Medida 3
	
18ºC
	
0,5ºC
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	
Medida 1
	
30°C
	
0,5°C
	
Medida 2
	
24°C
	
0,5°C
	
Medida 3
	
26°C
	
0,5°C
	PARTE II: Curva de Aquecimento
	
	Temperatura no termômetro
	Incerteza da medição de temperatura
	Medição do Tempo
	Incerteza da medição de tempo
	Med 1
	0 °C
	0,5° C
	20s
	0,005 s
	Med 2
	0 °C
	0,5° C
	60s
	0,005 s
	Med 3
	0 °C
	0,5° C
	80s
	0,005 s
	Med 4
	9°C
	0,5° C
	120s
	0,005 s
	Med 5
	47°C
	0,5° C
	160s
	0,005 s
	Med 6
	80°C
	0,5° C
	200s
	0,005 s
	Med 7
	100°C
	0,5° C
	220s
	0,005 s
	Med 8
	100°C
	0,5° C
	240s
	0,005 s
	Med 9
	100°C
	0,5° C
	260s
	0,005 s
Conclusões:
a)Calcule a temperatura média da água que estava na temperatura ambiente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
R: tm: 24+24+24/3= tm = 24º
Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC
b)Calcule o volume médio da água que estava na temperatura ambiente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
R: vm: 50+50+50/3 = 50 ml
Incerteza: √25²+25²+25²/2= 30,6 ml
 C) Calcule a temperatura média da água que estava fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
R: Tm: 60+58_55/3 = tm= 57,67 ºC
Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC
D)Calcule o volume médio da água que estava fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
R: vm=50+50+50/3= tm= 50ml
Incerteza: √25²+25²+25²/2= 30,6 ml
E) Calcule a temperatura média da mistura da água que estava na temperatura ambiente com a fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
R: Tm: 36+36+36/3= tm: 36º C
Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC
F) Com base no observado explique quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema.
R: Água Fervente: Ganhou Calor
 Temperatura Ambiente: Perdeu Calor
Qual seria a temperatura teórica de equilíbrio para essa mistura de água que estava na temperatura ambiente com a fervente? Justifique sua resposta.
R: A temperatura teórica seria a média entre temperatura ambiente e temperatura da água fervente, que seria igual a 42
ºC, próximo aos 36º C da temperatura média experimentalmente.Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
R:Sim, os resultados foram satisfatórios e as discrepâncias se dá , devido a incerteza das medidas.
I)Calcule a temperatura média do gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Tm: 1+3+1/3= Tm= 1,67
Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC
J)Calcule o volume médio do gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
R: vm: 50+50+50/3 = tm= 50
Incerteza: √25²+25²+25²/2= 30,6 ml
K)Calcule a temperatura média da mistura da água ambiente, fervente e com o gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor.
Tm= 17+17+18/3 = Tm= 17,3
Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC
L)Com base no observado explique quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema.
R: Água quente: Perdeu calor para água ambiente
 Água ambiente: Perdeu calor para o gelo. 
 O gelo: Ganhou Calor.
Qual seria a temperatura teórica de equilíbrio para essa mistura da água ambiente, fervente e com o gelo pica? Justifique sua resposta.
R: A temperatura ambiente aproximadamente 24º C a 30 º C quando há mistura de dois fluídos de temperaturas diferentes , a temperatura de equilíbrio é a media entre elas.
n) Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
R:Sim, os resultados foram satisfatórios e as discrepâncias se dá , devido a incerteza das medidas.
	
O)Para a segunda parte do experimento (curva de aquecimento) construa um gráfico (temperatura versus tempo) do fenômeno observado.
Explique porque em certos pontos desse gráfico não há aumento de temperatura (platô).
R= Entre o instantes 0s e 20s a temperatura permanece constante e este intervalo corresponde ao ponto de fusão. Os sólidos fundem-se gradativamente, absorvendo calor de fusão. A temperatura permanece constante porque não há aumento na energia cinética média das moléculas. O calor fornecido aumenta a energia potencial destas. A partir de 4 minutos há uma segunda zona de temperatura constante. Agora, temos o ponto de ebulição. O fornecimento contínuo de calor propicia a energia necessária para que as moléculas vençam as forças de atração intermoleculares do líquido e escapem para forma gasosa. 
Como se chama cada mudança de estado físico observado nessa segunda parte do experimento?
 R: Descrita na P.
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: Não, a ebulição da água não ocorre, necessariamente, a 100ºC. A temperatura que a água tem de atingir para entrar em ebulição, isto é, para ferver, depende da pressão atmosférica. Como a pressão diminui à medida que a altitude se eleva nos lugares altos a ebulição ocorre a temperaturas inferiores a 100ºC.
De onde veio a água líquida quando o gelo picado derreteu?
R: Do gelo derretido devido ao aquecimento da temperatura.
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
R: R:Sim, os resultados foram satisfatórios e as discrepâncias se dá , devido a incerteza das medidas.
Ao se retirar do freezer uma vasilha de alumínio, cria-se ao redor dela uma fina camada de gelo (como neve), explique porque isso ocorre. 
R: Isso ocorre porque o alumínio possui capacidade superior de transmitir calor para o ambiente externo.