Rel 6 Calor específico de um sólido

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determinação do calor específico de um sólido 
Cristiane Schmitt, Douglas Rodrigues, Fernando Padilha.
Alunos do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pampa
Avenida Tiarajú, 810, Bairro Ibirapuitã - CEP 97546-550 - Alegrete – RS – Brasil.
E-mail: cristianeschmittg@gmail.com, douglinhasw@gmail.com, nandobolinha90@hotmail.com,
Experimento 6 – Física II
 
Resumo – a quantidade de calor de um corpo varia com a temperatura, se a quantidade de calor aumenta ou diminui sem que o corpo mude de estado, variação de calor é chamada de Calor Sensível, enquanto que na mudança de estado é chamado de Calor Latente. Quando um corpo mais quente é colocado em contato com um corpo mais frio, haverá um fluxo de calor do mais quente até o mais frio, pela lei da conservação de energia em um sistema fechado, a soma das variações de calor dos dois corpos presentes nos sistemas é sempre igual à zero, ou seja, quando um corpo perde calor, outro recebe, portanto se soubermos a capacidade térmica de um dos corpos podemos determinar a do outro. Este então é o objetivo do experimento, que é de perceber as trocas de calor envolvidas no processo, determinar a capacidade térmica do calorímetro, e determinar o calor específico de vários tipos de sólido. 
 
Palavras-Chave – Calorímetro, Calor Específico, Capacidade Térmica, Fluxo de Energia; 
1 - INTRODUÇÃO
 Calor específico é uma grandeza física intensiva que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor. Também é chamado de capacidade térmica mássica. A unidade no SI é J/(kg.K) (joule por quilograma e por kelvin). Uma unidade usual bastante utilizada para calores específicos é cal/(g.ºC) (caloria por grama e por grau célsius)¹. Em rigor há dois calores específicos distintos: o calor específico sob volume constante e o calor específico sob pressão constante. O calor específico à pressão constante é geralmente um pouco maior do que o calor específico a volume constante, sendo a afirmação verdadeira para materiais com coeficientes de dilatação volumétrico positivos. Em virtude do aumento de volume associado à dilatação térmica, parte da energia fornecida na forma de calor é usada para realizar trabalho contra o ambiente a pressão constante e não para aumentar a temperatura em si; o aumento de temperatura experimentado para um sistema à pressão constante é, pois menor do que aquele que seria experimentado pelo mesmo sistema imposto o volume constante uma vez mantida a mesma transferência de energia na forma de calor. No caso do calor específico a volume constante, toda a energia recebida na forma de calor é utilizada para elevar a temperatura do sistema, o que faz com que em virtude de sua definição seja um pouco menor (NUSSENZWEIG, H. MOYSES, 1997). 
 Calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de calor entre os corpos e suas medidas, a forma de energia denominada “calor” só pode ser concebida quando conjugada com uma permuta de energia, pelo que o termo calor está sempre associado a fluxo de calor. A palavra calorímetro é usada para designar um instrumento utilizado na medição de calor envolvido numa mudança de estado de um sistema, tal pode envolver uma mudança de fase, de temperatura, de pressão, de volume, de composição química ou qualquer outra propriedade associada com trocas de calor. O calor específico de uma substância, geralmente indicado pelo símbolo “c”, é a quantidade de calor necessário para elevar a temperatura, de um grama da substância de um grau Celsius (1º) (HALLIDAY, 2009) 
2 - METODOLOGIA
 A quantidade de calor de um corpo varia com a temperatura, quanto mais quente, mais calor o corpo possui. A quantidade de calor de um corpo é representada no gráfico a seguir mostrado na figura 1:
Figura 1 - Variação do calor.
 Quando um corpo aumenta ou diminui de temperatura sem mudar de estado, a variação de calor é chamada de Calor Sensível, e é dado pela equação: [1] 
 
Onde:
 = Variação de calor;
m = Massa do corpo;
c = Constante de calor específico;
 = Variação de temperatura
 Quando um corpo muda de estado, sua temperatura permanece constante, e variação de calor é chamada de Calor Latente, que é dado pela equação:
 
Onde:
 = Variação de calor;
m = Massa do corpo;
L = Constante de Calor Latente;
 Uma característica de cada corpo é a Capacidade Térmica, que é dada pelo produto de sua massa, e a constante de calor específico do corpo, sendo expressa pela equação: [1]
 
 Substituindo a equação 3 na equação 1, temos outra equação que representa a variação de calor sensível do corpo, mostrada na equação abaixo:
 
 Quando um corpo mais quente é colocado em contato com um corpo mais frio haverá um fluxo de calor do mais quente para o mais frio, pela Lei da Conservação de Energia, em um sistema fechado, a soma das variações de calor dos corpos presentes nos sistemas é sempre igual a zero, ou seja, quando um corpo perde calor, o outro recebe. [2]
 Para a determinação da capacidade térmica de um corpo, utilizamos a capacidade térmica de outro corpo conhecido. Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes, elas tendem a se igualar, então conhecendo a capacidade térmica de um dos corpos, podemos calcular a temperatura do outro corpo através da variação de temperatura dos dois corpos. [2]
3 – PROCEDIMENTOS E RESULTADOS 
3.1) Determinação da capacidade térmica do calorímetro
 Para começar o experimento da determinação da capacidade térmica do calorímetro, primeiro medimos a massa do sistema constituído pelo calorímetro e pelo termômetro acoplado (McT), depois adicionamos aproximadamente 200 ml de água, e medimos sua massa (McTa), e para determinar por diferença qual a massa de água introduzida utilizamos a equação (ma = McTa – McT), também lemos a temperatura (T1) indicada pelo termômetro acoplado ao calorímetro, os dados coletados e calculados estão expostos na tabela 1 abaixo. 
Tabela 1 - Parâmetros de massa do calorímetro
 Aquecendo 200 ml de água a uma temperatura (T2), colocamos essa água quente dentro do calorímetro, observamos que a temperatura no termômetro acoplado ao calorímetro começa a subir, e depois a descer, registramos então a maior temperatura alcançada (Tf), e depois medimos a massa total do conjunto formado pelo calorímetro, termômetro, água fria, e água quente. Por diferença calculamos a massa da água quente colocada no calorímetro usando a equação (mq = Mcq - McTa), os dados coletados e calculados estão expostos na tabela 2 abaixo.
Tabela 2 - Parâmetros de massa do calorímetro com água quente
 Utilizando a equação 5 de conservação de energia térmica, calculamos o valor da capacidade térmica do calorímetro.
 = Variação de calor da água;
 = Variação de calor do Calorímetro;
 Manipulando as equações utilizando as equações 1 e 4, chegamos a equação 
Onde:
Cg = Capacidade Térmica do Calorímetro;
ma = Massa da água;
ca = Constante de calor específico da água;
Tf = Temperatura mais alta atingida;
T1 = Temperatura próxima a ambiente;
T2 = Temperatura de Fervura;
Logo:
 136,95 cal/(g ºC) 
3.2) Determinação do calor específico do sólido
 Primeiramente repetimos os passos do item 3.1, agora com aproximadamente 175 ml de água, e os dados encontrados estão na tabela 3 de parâmetros.
Tabela 3 - Parâmetros de massa do calorímetro
 Depois medimos as massas de quatro tipos de sólidos, e colocamos na tabela 4.
Tabela 4 - Massa dos sólidos
 Depois fazendo o experimento com um sólido de cada vez, colocamo-los na água com temperatura de ebulição, e depois adicionamos os sólidos dentro do calorímetro, observamos que a temperatura sobe edepois começa a descer, na tabela 5 mostramos os dados de temperatura de ebulição, e de temperatura de equilíbrio para cada tipo de sólido utilizado nos experimentos. 
Tabela 5 - Temperatura inicial, de Fervura, e de Equilíbrio dos sólidos do experimento.
 Com todos os dados coletados, e utilizando a lei de conservação de energia, para cada tipo de sólidos calculamos o calor específico de cada um deles, mostrados na tabela 6.
Onde:
 = Variação de calor da água;
 = Variação de calor do Calorímetro;
 = Variação de calor do sólido;
Onde:
Cs = Constante de Calor específico do sólido;
Cg = Capacidade Térmica do Calorímetro;
ma = Massa da água;
ca = Constante de calor específico da água;
Tf = Temperatura mais alta atingida;
T1 = Temperatura próxima a ambiente;
T2 = Temperatura de Fervura;
ms = Massa do sólido;
 Para o sólido de Aço:
0,191 cal/(g ºC)
 Para o sólido de Alumínio:
0,263 cal/(g ºC)
 Para o sólido de Cobre:
0,150 cal/(g ºC)
 Para o sólido de Latão:
0,118 cal/(g ºC)
 Na tabela 6, a comparação dos valores calculados com os valores tabelados.
Tabela 6 - Calor Específico calculado e tabelado
 
 A diferença entre os valores calculados e tabelados são devido a variação da capacidade térmica do calorímetro, porém os valores são bastante próximos o que comprova o experimento.
Análise de Resultados:
- Sobre o congelamento dos lagos, eles congelam da superfície para o fundo, e na verdade não congelam o fundo, Porque a camada de gelo funciona como uma espécie de cobertor, impedindo que a água mais profunda congele, a capa gelada faz o papel de isolante térmico, e como o gelo é um mal condutor, ele evita que o resto da água perca calor para a atmosfera. 
- O comportamento anômalo da água entre as temperaturas de 0 e 4ºC ocorre porque suas moléculas realizam ligações de hidrogênio. Quando uma substância é aquecida, ela recebe energia de forma que suas moléculas ficam agitadas, passando a ocupar um maior volume, ou seja, sofre dilatação. 
- Para fundir os dois corpos de alumínio, o calor latente é a quantidade de energia térmica que é absorvida ou cedida por um corpo ou sistema termodinâmico, durante uma mudança de seu estado físico, em temperatura constante. Quando uma substância pura atinge sua temperatura de fusão ou ebulição, durante o seu aquecimento, seu estado físico começa a mudar. Nesse processo, ela continua a absorver calor, no entanto, sua temperatura permanece constante, isso acontece, pois, ao atingir essas temperaturas, nas quais ocorrem mudanças de estado físico, todo o calor que está sendo absorvido pelo sistema termodinâmico é utilizado para vencer a energia potencial. 
4 – CONCLUSÕES 
 Este experimento nos mostrou que a calorimetria é basicamente uma área de estudo da termodinâmica que estuda a troca de energia entre dois sistemas, quando essa troca de energia se dá em forma de calor. Desse modo, a calorimetria é bastante importante em diversos estudos, pois basicamente a troca de calor ocorre constantemente na natureza. No decorrer dessa atividade foi conveniente possibilitar as discussões sobre como os conceitos de calor e temperaturas podem ser traduzidas em termos de comportamento molecular, em outras palavras pode-se considerar que a temperatura expressa o maior ou menor grau de agitação térmica de um corpo, pois quanto maior a temperatura, maior será a agitação térmica, esse modelo pode ser usado também para explicar a transmissão de calor por condução térmica, sabendo assim que o fluxo de calor continuará enquanto existir uma diferença de temperatura.
 Também podemos calcular os valores de calor específico para quatro tipos diferentes de sólidos, e comparar com os valores tabelados, mostrando que o experimento, apesar de alguns fatores que fazem com que os resultados não sejam iguais, teve um resultado dentro do esperado para os valores calculados e medidos.
 
 
 
5 – REFERÊNCIAS 
[1] KNIGHT, Física - Uma Abordagem Estratégica - Vol. 2 - 2ª Ed. 2009. 
[2] HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J. – “Fundamentos de Física 2” – volume 2: gravitação, ondas e termodinâmica, pág. 95, 8 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 
[3] H.D. Young, R.A. Freedman, “Física II – termodinâmica e ondas”, Edit. Pearson – Addison Wesley, São Paulo: 2007.
[4] NUSSENZWEIG, H. MOYSES - “Física Básica” – vol. 2 – 2a edição – Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1981 
ma (Kg)
ma = McTa - McT
1,3841,5490,16521
McT (Kg)McTa (Kg)T1 (C°)
Parâmetros de massa e temperatura
AçoAlumínioCobreLatão
92,8 g32,3 g106,8 g100,4 g
Massa dos sólidos
Temperatua dos SólidosAçoAlumínio CobreLatão
Temperatura Inicial da água (°C)21212121
Temperatura de Fervura (°C)9394100100
Temperatura de Equilíbrio (°C)25232524
Calor EspecíficoAçoAlumínio CobreLatão
Calor Específico Calculado (cal/(g ºC)0,1910,2630,1500,118
Calor Específico Tabelado (cal/(g ºC)0,1100,2150,09230,0917
ma (Kg)
ma = McTa - McT
1,3841,5940,21019
McT (Kg)McTa (Kg)T1 (C°)
Parâmetros de massa e temperatura
mq (Kg)
mq = Mcq - McTa
95650,2411,835
T2 (°C)TfMcq (Kg)
Parâmetros de massa e temperatura