Objetivos- Determinação da capacidade calorífica C do conjunto Calorímetro.

- Medida do Calor específico de sólidos (Alumínio, Latão e Cobre) usando o método das misturas.

ResumoNa realização de experimentos envolvendo troca de calor entre corpos, afim de

determinar seus calores específicos, utilizamos de um aparato chamado Calorímetro, cuja finalidade é isolar os corpos do ambiente, evitando dessa forma, trocas de calor entre os corpos e o meio externo. Esse calorímetro possui também uma capacidade térmica, ou seja, parte do calor também é absorvida pelo recipiente.

Nosso experimento consiste na medida do calor específico de três sólidos diferentes, de Alumínio, Cobre e Latão. Mas para tal, é necessário primeiramente determinar a Capacidade térmica do Calorímetro, já que os dados do mesmo são utilizados na determinação dos calores específicos dos outros materiais.

Primeiramente, utilizaremos apenas água em duas temperaturas diferentes, observando o quanto de calor é absorvido pelo recipiente. A partir desses dados determinaremos a Capacidade térmica do calorímetro. Depois repetiremos o mesmo procedimento, mas utilizando água na temperatura ambiente e o outro material com uma temperatura mais elevada.

Realizando o experimento, obtivemos uma Capacidade Calorífica de 31,44 cal . °C−1 para o recipiente de isopor. Para o calor específico dos materiais, obtivemos 0,252, 0,255, 0,089 cal . g−1 .° C−1 para o Alumínio, Cobre e Latão, respectivamente. Assim, comparando com o valor teórico, os erros foram entre 3,16 e 177,54%.

Assim, observamos os erros causados por aproximações ou pela dificuldade em definir com total precisão, já que parte do calor é perdido naturalmente para o ambiente.

Introdução Teórica

Do ponto de vista prático, quando permitimos a dois ou mais corpos trocarem calor até atingirem o equilíbrio térmico, o fazemos dentro de um dispositivo chamado calorímetro, que evita as trocas de calor com o meio externo e a partir disto ele permite a determinação experimental do calor especifico de uma substância.

Basicamente, um calorímetro é constituído de um vaso calorímetro, contendo uma quantidade conhecida de água, onde uma amostra de um material qualquer, cujo calor especifico (C) queremos determinar, é colocada.

Compõe ainda o conjunto de um termômetro, através do qual podemos fazer a leitura da temperatura de equilíbrio térmico e finalmente um recipiente feito de material termicamente isolante, para evitar a troca de calor com o meio externo (Figura 01).

Para aumentar a temperatura de um corpo homogêneo, devemos fornecer calor ao mesmo. A transferência de calor é garantida pelo principio termodinâmico que diz: “O fluxo de calor é sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura”. A quantidade de calor (Q) transferida é proporcional a massa (m) do corpo e a variação da temperatura (T).

Algebricamente temos:

ΔQ=cm ΔT ( 1 )

Onde c é o calor especifico.Deve-se notar que o calor específico é uma propriedade da substancia, e portanto, é

uma importante constante física.Podemos ainda definir a capacidade calorifica de um sistema como sendo:

C=cm (2)

Diferente do calor específico, a capacidade calorifica é uma propriedade de um corpo determinado.

No método das misturas, geralmente se esquenta uma amostra do material em estudo e depois se coloca o mesmo num vaso calorimétrico com água fria (temperatura ambiente). Sendo Qcal a quantidade de calor trocada pelo calorímetro, Qagua a quantidade

de calor trocada pela água e Qx a quantidade de calor trocada pelo corpo x, teremos, para o conjunto, calorímetro-água-corpo_x (termicamente isolado) a seguinte equação:

Qcal+Qágua+Q x=0 (3)

Tendo em vista a equação fundamental da calorimetria e admitindo que não haja mudanças de fase de nenhum dos elementos do conjunto, a expressão (3) pode ser escrita, no equilíbrio térmico como sendo:

mcalccalT cal+macaT a+mx c xT x=0 (4)

ou

Ccal(T e−T cal )+ma c a (T e−T a )+m x cx (T e−T x )=0 (5)

ou seja :

c x=(C+maca)(T e−T a )

m x(T x−T e)

Onde:

ma = Massa de água;mx = Massa da amostra do sólido;Te = Temperatura de equilíbrio térmico;Ta = Tcal = temperatura inicial da água;Tx = Temperatura inicial da amostra;cx = Calor específico da amostra;C = Capacidade calorífica do calorímetro;ca = calor específico da água ( = 1 cal/goC).

Procedimento Experimental

Resultados e Discussões

Uma vez realizada a primeira parte do experimento, obtivemos os dados da Tabela 1:

Tabela 1 - Medidas experimentais para a det. da capacidade do calorímetro

M a (g) M 1 (g) T 0 (°C) T 1 (°C) T e (°C) C (cal . °C−1)150 150 28 100 59 48,38709677150 150 33 100 63 35150 150 27 100 63 4,166666667150 150 26,5 100 63 2,054794521150 150 26 100 56 70150 150 32 100 63 29,03225806

Média 31,440136

Para o cálculo do Ccalorímetro, nos utilizamos da equação (7), uma adaptação da equação (6):

C caloímetro=cágua¿¿

Dando progressão ao experimento, obtivemos os dados da Tabela (2) com os metais. Através da equação (6) e utilizando do valor médio obtido no experimento anterior, obtivemos o Cmaterial:

Tabela 2 - Medidas Experimentais para determinação do calor específico dos sólidosMaterial M a (g) M 1 (g) T 0 (°C) T 1 (°C) T e (°C) c (cal . g−1 .° C−1)Alumínio 150 199,53 27 98,5 42,5 0,251691664

Cobre 150 191,31 32 98 46 0,255340899Latão 150 72,735 26,5 99 29 0,089090601

Com o valor obtido experimentalmente é possível criar uma comparação entre o Cexperimental e os valores encontrados em literatura, calculando o erro percentual. Esse procedimento foi realizado na Tabela (3).

Tabela 3 - Comparação com o valor da LiteraturaMaterial cexperimental c teórico E%Alumínio 0,252 0,215 17,066

Cobre 0,255 0,092 177,544Latão 0,089 0,092 3,162

Assim, é perceptível pelo erro as perdas inevitáveis em experimentos termodinâmicos. Como os valores utilizados foram médias de diversos Calorímetros diferentes, é esperado uma variação entre o valor obtido e o encontrado na literatura.

Logo, apesar dos erros o experimento conseguiu mostrar de forma satisfatória a transferência de calor.

Conclusão

Os objetivos do experimento foram alcançados com êxito. Determinamos para os Calorímetros utilizados, uma Capacidade Calorífica média de 31,44 cal . °C−1. A partir desse dado, realizando o experimento com os outros materiais, obtivemos como calor específico, 0,252, 0,255, 0,089 cal . g−1 .° C−1 para o Alumínio, Cobre e Latão, respectivamente.

Comparando os dados obtidos experimentalmente com os encontrados na literatura, obtivemos como erro percentual 17,06%, 177,54% e 3,16% para o Alumínio, Cobre e Latão, respectivamente.

Dessa forma, concluímos que os objetivos do experimento foram alcançados. Conseguimos com êxito calcular a Capacidade Calorífica do recipiente e os calores específicos dos materiais. Erros são inevitáveis em experimentos termodinâmicos, uma vez que naturalmente parte do calor é perdida para o ambiente e a precisão dos equipamentos que medem a temperatura também deixa a desejar, uma vez que não nos informa casas decimais.