UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PAR

FACULDADE DE GEOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

AQUECIMENTO E MUDANA DE FASE DA GUA

AXEL DAVIDSON RODRIGUES TAVARES

EWERTON DE SOUZA FONSECA

MARCO ANTNIO DA SILVA CORREA DE ALMEIDA

VICTOR MATHEUS SILVA FILAHO

WALISON RODRIGUES DE OLIVEIRA

Marab/PA

Junho/2015

AXEL DAVIDSON RODRIGUES TAVARES

EWERTON DE SOUZA FONSECA

MARCO ANTNIO DA SILVA CORREA DE ALMEIDA

VICTOR MATHEUS SILVA FILAHO

WALISON RODRIGUES DE OLIVEIRA

AQUECIMENTO E MUDANA DE FASE DA GUA

Relatrio da prtica experimental AQUECIMENTO

E MUDANA DE FASE DA GUA, realizada em

Maio de 2015, da disciplina Fsica Geral II,

ministrada pelo Prof. Dr. Jos Elisandro de Andrade,

no laboratrio de fsica do campus II da Universidade

Federal do Sul e Sudeste do Par.

Marab/PA

Junho/2015

NDICE

1. Introduo.............................................................................................................. 04

2. Objetivos................................................................................................................ 06

3. Materiais e mtodos.............................................................................................. 06

4. Resultados e discusses....................................................................................... 07

5. Concluso.............................................................................................................. 11

6. Bibliografia............................................................................................................. 11

1. INTRODUO

Calor a transferncia de energia em razo de uma diferena de temperatura.

Verifica-se nesta transferncia de calor, quando dois corpos esto em contato trmico, que a

quantidade de energia liberada por um absorvida pelo outro. O calor flui do corpo mais

aquecido para o corpo menos aquecido at que seja atingido o equilbrio trmico.

Quando um corpo absorve ou libera calor, algumas de suas propriedades fsicas se

alteram. Nesta absoro ou liberao de energia trmica, o corpo apresentar variaes em

suas caractersticas iniciais, atravs do aumento ou diminuio da temperatura, contrao ou

dilatao (linear, superficial ou volumtrica) e mudanas de estado fsico (fuso ou ebulio,

condensao ou solidificao).

Quando um corpo absorve calor (variao positiva da energia interna), o corpo

apresentar aumento da temperatura, dilatao linear, superficial e volumtrica e mudar de

estado fsico ( temperatura constante).

Quando um corpo libera energia trmica (variao negativa da energia interna), o

corpo ter sua temperatura diminuda, apresentar contrao linear, superficial e volumtrica e

mudar de estado fsico ( temperatura constante).

A quantidade de calor Q necessrias para aumentar (ou diminuir) a temperatura de

uma amostra de uma substncia proporcional variao da massa e variao de

temperatura desta amostra, tal que:

= . .

Onde:

Q: Quantidade de calor (Joule);

m: Massa (Kg);

c: Calor especifico (Joule/Kg. C);

: Variao da temperatura ( C).

Pode-se calcular a quantidade de calor necessria para aumentar a temperatura em

atravs da equao 1, desde que durante todo este aumento no ocorra mudana de fase.

Eq. 1 Equao 1

Calor especifico uma caracterstica prpria de cada material. Define-se calor

especifico: (...) a capacidade trmica especifica, ou a capacidade trmica por unidade de

massa (TIPLER; MOSCA. Pg. 600, 2009):

=

=

.

Onde:

c: Calor especifico (Joule/Kg. C);

C: Capacidade trmica (Joule);

m: Massa (Kg);

: Variao da temperatura ( C).

Interpreta-se calor especifico como sendo a quantidade de calor necessria que

uma amostra precisa absorver ou liberar para que 1 Kg dessa amostra sofra um aumento de

temperatura de 1 K.

O calor especifica da gua, objeto de estudo neste experimento, equivale a 4.186

Joule/Kg.K no sistema internacional.

A quantidade de calor Q necessria para transformar, para mudar de estado fsico,

uma amostra de massa m, temperatura constante, proporcional massa desta amostra,

tal que:

= .

Onde:

Q: Quantidade de calor (Joule);

m: Massa (Kg)

L: Calor latente (KJ/Kg).

Quando Q a quantidade de calor necessria para transformar a massa m do

estado solido para liquido (fuso), tem-se (calor latente de fuso). Quando tratar-se da

mudana de liquido para gasoso (vaporizao), tem-se (calor latente de vaporizao).

No sistema internacional, o calor latente de fuso do gelo equivale 333,5.103

Joule/Kg, fundindo a -273,15 K (ou 0 C); o calor especifico de vaporizao da gua

Equao 3

Equao 2

equivale 2,257.106 Joule/Kg, vaporizando -173,15 K (ou 100 C). O gelo no pode fundir

a uma temperatura abaixo ou acima do ponto de fuso, nem a gua pode vaporizar a uma

temperatura abaixo ou acima do ponto de vaporizao.

No aquecimento de uma substncia com mudana de fase, ela primeiro absorver

calor de tal modo que ocorra apenas o aumento da temperatura. Quando esta substancia atingi

o ponto de fuso ou ponto de vaporizao, ela passa a utilizar toda a energia recebida para

completar sua mudana de fase at que toda sua massa tenha mudado de estado fsico. Como

explicou HALLIDAY E RESNICK (Pg. 193, Vol. 2, 2007) sobre uma amostra de gua sendo

aquecida de -10 C at 15 C: O processo de aquecimento ocorre em trs etapas: (1) o gelo

no pode fundir a uma temperatura abaixo do ponto de congelamento; assim, a energia

transferida para o gelo em forma de calor apenas aumenta a temperatura do gelo at a

temperatura chegar a 0 C. (2) a temperatura no pode passar de 0 C at que todo o gelo

tenha fundido; assim, quando o gelo est a 0 C toda a energia transferida para o gelo em

forma de calor usada para fundir o gelo. (3) Depois que todo o gelo funde, toda a energia

transferida para a gua usada para aumentar a sua temperatura..

Para este experimento fez-se o uso de um equipamento que funciona baseado no

efeito Joule. Ou seja, transformao energia eltrica em energia trmica. A energia trmica

disponvel foi usada para aquecer uma amostra de gelo inicialmente a - 4 C at 100 C.

2. OBJETIVOS

Estudar o movimento parablico;

Determinar a velocidade 0v de lanamento da esfera;

Determinar experimentalmente o alcance da esfera lanada horizontalmente;

Comprar o alcance terico com o experimental e calcular o erro relativo .

3. MATERIAIS E MTODOS.

3.1 Materiais utilizados.

3.2 Procedimento Experimental.

Inicialmente foi posto gelo no aparerecipiente desligado. Em seguida submergiu-

se um termmetro, por um orifcio contido na tampa. Um minuto aps registrou-se a

temperatura inicial (- 4 C). Tornou-se a submergir o termmetro no gelo, Ligou-se o aparelho

e a partir desse ponto aferiu-se a temperatura (sob aquecimento) de minuto a minuto at 100

C. O tempo total dessa observao durou 40 minutos. Os dados obtidos esto contidos na

tabela 1.

4. RESULTADOS E DISCUSSES.

Os dados foram obtidos a partir do aferimento do termmetro imerso na mistura

de gua e gelo em aquecimento e checado de minuto a minuto. A observao durou 40

minutos, com a temperatura da gua variando de -4 C at 100 C. A tabela 1 exibe os valores

aferidos:

Tempo (minuto) Temperatura ( C) Tempo (minutos) Temperatura ( C)

1 -4 21 37

2 -5 22 42

3 -3 23 48

4 -2 24 53

5 -3 25 59

6 -1 26 63

7 5 27 69

8 8 28 73

9 4 29 78

10 5 30 82

11 6 31 87

12 8 32 91

13 9 33 96

14 7 34 99

15 12 35 99

16 13 36 99

17 13 37 99

18 17 38 99

19 23 39 99

20 30 40 100

Tabela 1: Temperaturas obtidas em funo do tempo.

A partir dos dados obtidos demonstrados na tabela acima, foi plotado seguinte grfico:

Grfico 1: Grfico do comportamento do aquecimento do gelo e da gua com dados

obtidos a partir do aferimento em laboratrio.

FONTE: Os prprios autores.

A temperatura estando entre -4 C e 0 C a gua absorve calor e permanece no

estado slido sem mudana de fase. Para este intervalo, a quantidade de calor absorvida pela

amostra proporcional a massa e a variao de temperatura de acordo com a equao 1.

Uma vez atingido o ponto de fuso (0 C) o gelo continuar a absorver calor e a

partir deste momento passar a mudar de estado fsico. Neste momento sua temperatura

permanece constante at que toda massa seja fundida. A quantidade de calor absorvida para

esta mudana de estado fsico proporcional a massa, conforme a equao 3.

Quando toda a massa de gelo fundida, o sistema passar a usar a energia que

continua a receber para aumentar a temperatura da gua. Agora, a temperatura subira de 0 C

at 100 C. Neste ponto a quantidade de calor recebida pela gua proporcional a massa e a

variao de temperatura conforme a equao 1.

Atingida a temperatura de 100 C a gua vai evaporar (ponto de vaporizao), pois

energia trmica continua a ser fornecida ao sistema. Enquanto toda a massa presente no for

vaporizada, a gua ter sua temperatura constante e a quantidade de calor absorvida

proporcional a massa conforme equao 3.

Basicamente tem-se o seguinte diagrama de mudana de fase:

Teoricamente o grfico do aquecimento da gua deveria ser uma reta crescente

entre -4 C at 0 C; uma reta constante durante todo o perodo de tempo da fuso; uma reta

crescente de 0 C at 100 C; e uma reta constante a partir de 100 C (a partir do ponto de

vaporizao). Este comportamento alternado de retas crescente e retas constantes previsvel,

pois as equaes 1 e 2, que calculam a absoro de calor pela gua, so ambas funes do

primeiro grau. O grfico terico o seguinte:

Gelo

-4 C at 0 C

Equao 1

Fuso

0 C

Equao 3

gua

0 C at 100 C

Equao 1

Vaporizao

100 C Equao 3

Tanto o grfico 1 quanto o grfico 2, apresentam o comportamento do

aquecimento do gelo e da gua. O grfico 1 foi construdo a partir dos dados obtidos em

experimento no laboratrio. O grfico 2 demonstra o comportamento linear esperado

teoricamente do comportamento da gua quando aquecida.

De acordo com as equaes 1 e 2, que so funes de primeiro grau, devem dar

origem a grficos lineares. Entretanto, o grfico 1 apresenta comportamento no linear, sendo

assim, o comportamento no previsto.

O que pode explicar est disparidade, no grfico 1, entre o comportamento obtido

em laboratrio e o comportamento esperado de acordo com o grfico 2 e as equaes 1 e 2?

Motivos:

(1) O termmetro nunca mediu a temperatura no mesmo local. Hora mais prximo ao

gelo, hora mais afastado do gelo e prximo aos resistores que aquecem o sistema.

Quando mais prximo ao gelo, o termmetro entrou em equilbrio trmico com o gelo,

e no com o sistema. Quando mais prximo aos resistores, o termmetro entrou em

equilbrio trmico com os resistores e com a gua;

(2) O recipiente que aqueceu o gelo e a gua sofreu agitaes e perturbaes externas;

(3) A tampa do recipiente possua um orifcio que permitia que o sistema trocasse calor

com o ambiente.

(4) O termmetro, quando retirado do recipiente, foi exposto ao ambiente climatizado

mais tempo que o necessrio, resultado assim, em uma diminuio no seu valor de

Grfico 2: Grfico que demonstra o comportamento terico do

aquecimento do gelo e da gua. Observao: Grfico fora de

escala.

FONTE: Os prprios autores.

equilbrio e aferido o valor incorreto (termmetro e gua j no estavam mais em

equilbrio trmico no momento da leitura).

(5) Controle falho, em quase todo o processo, na obteno de dados;

Outra observaes importante ocorre entre o minuto 33 e o minuto 39, quando o

termmetro registrou 7 vezes a temperatura de 99 C. Nesta temperatura, a gua estava

mudando de estado fsico (atingiu seu ponto de vaporizao). Evidencia-se est afirmao

atravs da averiguao da sada de vapor dgua que saia pelo orifcio na tampa do recipiente.

Neste ponto do grfico 1, a gua se comportou de forma previsvel como explica a equao 3.

Substncias que apresentam essa caracterstica ponto de fuso varivel e ponto de

vaporizao constante so chamada substncias azeotrpicas (ou azetropos).

Substncias azeotrpicas so substancias que se comportam como substncias

puras. Esse tipo de substncia apresenta uma faixa de fuso (fuso varivel) e um ponto de

vaporizao constante. Apesar de se comportarem como substncias puras, os azetropos no

so puros. So misturas homogneas.

Logo, conclui-se, que a substncia que foi submetida ao experimento trata-se de

azetropo. Analises qumicas podem determinar os componentes que formam a mistura que

foi aquecida.

Grfico 3: Grfico de aquecimento de uma substncia azeotrpica, que

apresenta uma faixa de fuso e uma vaporizao constante.

FONTE: Os prprios autores.

4. CONCLUSO

Aquecer qualquer substncia significa, tambm, modificar suas propriedades

fsicas. Aumento de temperatura, dilatao e mudana de estado fsico so as grandezas

fsicas que podem ser percebidas facilmente com os equipamentos e as instalaes adequadas.

Espera-se que a gua (destilada) se funda ou solidifique 0 C e se vaporize ou

condense a 100 C presso de 1 atm ao nvel do mar.

De modo geral, as mudanas de fase ocorrem a temperatura constante, enquanto

o aquecimento ocorre o aumento gradual da temperatura.

Entretanto, algumas substncias apresentam ponto de fuso varivel (faixa de

fuso) e ponto de vaporizao constante. Substncias com essas caractersticas so

chamadas de substncias azeotrpicas.

No experimento realizado em laboratrio ocorria o aquecimento de gelo,

inicialmente a -4 C, at o ponto de vaporizao (100 C). Neste experimento observou-se que

quando o aquecimento do sistema gelo, gua e vapor, apresentou uma faixa de fuso e um

ponto de vaporizao constante, ou seja, o sistema se apresentou como um azetropo. O

grfico 1 demonstra isto. O aquecimento ocorreu crescente entre -4 e de forma no linear at

99 C. Atingido o ponto de vaporizao neste caso a 99 C a gua vaporizou a temperatura

constante.

Alguns fatores ajudam a explicar porque o aquecimento no se deu de forma

linear, como previam as equaes 1 e 3, e por que o ponto de fuso foi varivel e o ponto de

vaporizao foi constante: (1) O termmetro nunca mediu a temperatura no mesmo lugar; (2)

O recipiente que aqueceu o sistema sofreu perturbaes externas; (3) O recipiente podia trocar

calor com o ambiente; (4) O termmetro foi exposto ao ambiente climatizado por diversas

vezes e a um tempo maior que o necessrio; (5) Controle falho; (6) Trata-se de uma

substncia azeotrpica.

5. REFERNCIA

FELTRE, R. Fundamentos da qumica: qumica, tecnologia e sociedade. Volume nico.

Quarta edio. Editora Moderna: So Paulo, 2005.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Fsica. Volume 2. 8 ed. Rio

de Janeiro: LTC, 2009.

TIPLER, P. A; MOSCA, G. Fsica para Cientistas e Engenheiros. Volume 1. Rio de Janeiro:

LTC, 2008.