UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

FERNANDO REINOLDO SCREMIN

PROPOSIÇÃO DE AULA PRÁTICA

POTENCIAL ENERGÉTICO DOS ALIMENTOS: CONTEXTUALIZANDO A

TERMOQUÍMICA

Trabalho entregue como forma de avaliação da disciplina de Orientação pedagógica do curso de Doutorado em Química da Universidade de São Paulo.

SÃO PAULODezembro de 2008

1. Introdução

1.1 Energia dos alimentos

Caloria é a quantidade de calor o alimento libera após sua digestão e metabolização,

sendo então a energia armazenada nas ligações químicas dos alimentos. A energia química é

liberada no organismo através do metabolismo dos nutrientes absorvidos pelo sistema

digestório. É ela responsável por todas as atividades vitais dos seres vivos. 3

Os alimentos energéticos ou calóricos são aqueles que quando metabolizados

liberam energia química aproveitável pelo organismo. Esta energia é quantificada através da

unidade caloria, que é a quantidade de energia necessária para elevar de 1°C um grama de

água. Costuma-se utilizar a quilocaloria, que equivale a 1000 calorias. Para simplificar, a

quilocaloria também é chamada de Caloria. 3

Os alimentos fornecem diferentes quantidades de energia. A determinação da

quantidade de energia que está armazenada em cada alimento é importante, especialmente

no planejamento de uma dieta para balancear a quantidade de energia que é ingerida e que

é gasta. As calorias em excesso se acumulam em forma de gordura. 3

A determinação do valor energético pode ser realizada por meio de calorimetria direta.

Para tanto, as amostras devem ser desidratadas pois a água é desprezada, uma vez que ela

tem índice calórico igual a zero.A amostra é colocada em uma bomba calorimétrica e a

quantidade de energia é obtida pelo aumento da temperatura da água. A análise

comparativa dos valores energéticos pode ser feita entre os valores obtidos por calorimetria

direta e os informados nos rótulos dos produtos.3

Dessa forma uma porção de alimentos a queima de um grama de carboidrato libera

4,1 kcal, um grama de proteína produz 5,6 kcal e um grama de gordura libera 9,5 kcal.

Em termos práticos, utiliza-se uma tabela de composição química de vários alimentos

que apresenta os valores já calculados

1.2 Conceitos de termodinâmica

O trabalho é a propriedade fundamental da Termodinâmica. Há trabalho quando um

corpo é deslocado contra uma força que se opõe ao deslocamento. A capacidade de um

sistema realizar trabalho é denominada de energia interna do sistema, U. 1

A energia de um sistema pode variar de diversas maneiras que não envolvem

trabalho. Em um sistema, quando a energia se modifica decorrente da diferença de

temperatura entre o sistema e sua vizinhança se diz que a energia foi transferida na forma

de calor. Uma fronteira que não permite a passagem de energia na forma de calor é dita

adiabática. 1

A energia transferida na forma de calor é medida em joules, contudo a unidade

muito utilizada é a caloria, onde em sua definição original, 1 cal correspondia a energia

necessária para elevar de 1°C a temperatura de 1 g de água. Na definição moderna tem-se: 2

1 cal= 4,184J

Em um processo onde calor é liberado para a vizinhança é denominado de processo

exotérmico, como por exemplo, as reações de combustão. As reações que absorvem calor

da vizinhança são denominadas endotérmicas, como por exemplo, a vaporização. 2

O único modo de variar a energia interna de um sistema fechado é transferir energia

para ele como calor ou trabalho. Se um sistema está isolado, isso não é possível, ou seja, a

energia interna não pode variar. Esse fato é conhecido como a primeira lei da

termodinâmica onde: a energia interna de um sistema isolado é constante. Se w é o trabalho

feito sobre o sistema e q for a energia transferida como calor para o sistema, então a

variação de energia é ∆U= q+w. 2

Sendo este o enunciado matemático da primeira lei da termodinâmica, uma vez que

resume a equivalência entre o calor e o trabalho mostra que a energia interna é constante

em um sistema isolado. 1

Uma aplicação desta lei é a calorimetria, onde se utiliza um calorímetro para estudar

as trocas de calor em um sistema. Na figura 01 abaixo se pode observar uma representação

de um bomba calorimétrica: 1

Figura 1: Bomba calorimétrica a volume constante. 1

O processo a ser investigado, como por exemplo, uma reação química, é disparado

no interior de um vaso a volume constante (bomba calorimétrica). O vaso é mergulhado em

um banho de água e o conjunto de montagem é o denominado calorímetro. Este opera

mergulhado em um banho externo e as temperaturas dos dois banhos são acompanhadas

permanentemente e mantidas iguais. Logo não há perda nem ganho de calor do calorímetro

paras as vizinhanças, operando adiabaticamente. A variação de temperatura é proporcional

ao calor que a reação absorve ou libera. 1

2. Justificativa.

A contextualização da termodinâmica em qualquer fase do aprendizado não é uma

tarefa muito trivial, é comum dificuldade do receptor de perceber que energia interna do

sistema pode ser transferida na forma de calor ou como trabalho e entender suas relações.

Dessa forma a elaboração de práticas palpáveis e contextualizadas é uma boa

alternativa para conduzir à um bom entendimento.

Apresenta-se aqui uma proposta de aula prática que busca trazer conceitos básicos

de termodinâmica, como entalpia de combustão e liberação de energia na forma de calor a

partir de um experimento muito simples com materiais rotineiros.

A proposta é a montagem de um calorímetro com embalagens longa vida e a

verificação de potenciais energéticos de alguns alimentos.

Apresenta-se em anexo um modelo do que poderia ser o roteiro para a prática

proposta.

3. Teste do Experimento:

O experimento proposta para a prática foi testado o calorímetro montado pode ser

visto na figura 2:

Fi gura 2:

Calorímetro proposto para realização do experimento.

O experimento seguiu o procedimento detalhado no roteiro em anexo. Foi utilizado

como amostra biscoito a base de leite, torrada a base de fibras e pipoca doce todas as

amostras comerciais e os resultados obtidos estão descritos na tabela 1:

Tabela 1: resultados obtidos na para a queima das 3 amostras sendo amostra 1 torrada, amostra 2 biscoito e amostra3 pipocaTubo/g Amostra/g Temp1 /oC Temp2 /oC Qmed /cal Qmed /Kcal Qmed/J Qmed/KJ μq/Kcalg-1 μqmédio/Kcalg-1 μq/KJg-1 μqmédio/KJg-1

9,5620 (am1) 0.3373 27 34 83,387 0,0833 348,558 0,3485 0,24609,8419 (am1) 0,3345 27 33 71,810 0,0718 300,166 0,3001 0,21469,7540 (am1) 0,4467 27 35 95,606 0,0956 399,633 0,3996 0,2140

0,2249 0,93370,89730,8946

0,9085

9,5470 (am2) 0,6397 27 74 561,688 0,5616 2347,856 2,3478 0,87799,7251 (am2) 0,5520 27 69 501,691 0,5016 2097,068 2,0971 0,90879,7173 (am2) 0,6122 27 75 573,286 0,5732 2396,335 2,3963 0,9363

0,9076 3,67023,79903,9143

3,7945

9,8396 (am3) 0,3246 27 47 237,558 0,2375 992,992 0,9929 0,73179,6819 (am3) 0,2944 27 44 202,918 0,2029 848,197 0,8482 0,68929,8160 (am3) 0,5001 27 54 323,006 0,3230 1350,165 1,3502 0,6459

0,6889 3,05912,88112,6997

2,8800

Observando os resultados fica claro que o experimento mesmo com que

notavelmente a adiabaticidade do sistema seja pequena devido às condições do calorímetro

proposto, tem resultados satisfatórios uma vez que gerou resultados coerentes entre as

mesmas amostras, deve-se também ressaltar ao aluno que realizar esta prática a

fundamental importância do alto poder qualitativo do experimento onde pode concluir

claramente que o, por exemplo, que os biscoitos são mais calóricos que as torradas

observando o potencial energético.

Na tabela 2 pode-se observar o erro obtido no experimento quando comparado aos

valores contidos nas embalagens dos alimentos

Tabela 2: Erro porcentual obtido durante as análises

Amostra Erro %biscoito a base de leite 60,217torrada a base de fibras 55,129

pipoca doce 61,569

Comparando os resultados obtidos com valores tabelados nos alimentos observa-se

um alto erro provindo essencialmente da não adiabaticidade do modelo proposto, ou seja,

muito do calor gerado não diretamente transferido para a massa de água.

Observa-se também que os erros têm valores próximos o que ressalta ainda mais o

caráter qualitativo do experimento e discrepâncias entre valores da mesma amostra podem

ser relacionados à combustão incompleta das amostras ou posicionamento inadequado da

amostra dentro do calorímetro ou a não homogeneidade da composição do alimento.

4. Conclusão

Pode-se concluir que o experimento sugerido tem uma grande aplicabilidade

qualitativa na análise de alimentos

Também se pode dizer que o experimento sugerido pode ajudar na contextualização

de alguns conceitos termoquímicos fundamentais para formação de alunos onde a química

tem faz parte de um currículos obrigatório durante o curso.

6. Referências Bibliográficas

1. ATKINS, P.W. Físico-química, 6ª edição, vol 1, Rio de Janeiro, LTC,1999, p.37-45.

2. ATKINS, P; JONES, L.Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente,

3ªedição, Porto Alegre, Bookman, 2006, p.304-311.

3. GOMES, Márcio Augusto de Oliveira. Determinação da energia contida em alguns alimentos.

Curitiba, 1999.26f. Monografia (Especialização em Ensino de Química Experimenal para o 2o.

Grau) - Setor de Ciências Exatas, Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná,

p.112-124.

4. CROCKFORD, H.D; KNIGHT, S.B. Fundamentos de Físico-química, LTC, Rio de Janeiro, 1977,

p.53.

POTENCIAL ENERGÉTICO DOS ALIMENTOS: CONTEXTUALIZANDO A TERMOQUÍMICA

1) Objetivos:

Medir o potencial energético de alguns alimentos.

2) Introdução:

Inicialmente, definiremos provisoriamente calor, como uma quantidade de energia

que se transfere de um corpo a outro por efeito exclusivo de uma diferença de temperatura

entre ambos.

A quantidade de calor recebida por um sistema simples, sob pressão constante (por

exemplo, a pressão atmosférica local), é proporcional ao acréscimo de temperatura

produzido, isto é:

Q = C(T2-T1)

Onde C é um fator de proporcionalidade, chamado capacidade calorífica, que depende da

natureza da substância, da massa considerada, e que varia também, sensivelmente com o

intervalo de temperatura (T2-T1).

A unidade utilizada para a energia no Sistema Internacional de Unidades é o joule, J.

Porém, a unidade caloria (1 cal = 4,184 J), continua sendo utilizada na indústria alimentícia, e

uma caloria nutricional é igual a 1000 calorias químicas (1kcal). Atualmente, os rótulos dos

alimentos devem conter as informações em calorias químicas. A capacidade calorífica em

calorias por grau e a capacidade calorífica específica em calorias por grau e por grama.

Calorimetria é a determinação da quantidade de calor liberada ou absorvida como

decorrência de uma transformação química ou física. Esta determinação baseia-se na

aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica: “para qualquer sistema, existe uma propriedade

denominada energia, que é conservada e que pode ser transferida para ou do sistema por

interações de calor ou de trabalho”. Medidas calorimétricas são feitas para determinar a

capacidade calorífica de materiais, bem como os ganhos ou perdas de energia decorrente de

transformações físicas (vaporização, fusão, etc.) ou químicas (reações de combustão,

neutralização, Tc). A parte da calorimetria que trata especificamente das variações de

temperatura causadas por reações químicas é conhecida como Termoquímica.

Medidas calorimétricas mais precisas são feitas em calorímetros, aparelhos que

permitem isolar termicamente do meio o sistema a ser estudado. Deste modo pode-se

trabalhar adiabaticamente. Um calorímetro consiste usualmente de uma câmara de reação,

a qual contém um termômetro e um agitador.

Quando uma transformação qualquer é realizada em calorímetro, uma fração do

calor liberado ou absorvido é gasta para aquecer ou resfriar os diversos componentes do

próprio calorímetro. Consequentemente, antes de utilizar um calorímetro é necessário

conhecer a sua capacidade calorífica, Ccal.

Nas experiências termoquímicas realizadas em laboratórios, basicamente, o que se

faz é medir a variação de temperatura dos calorímetros e seu conteúdo, decorrente da

reação química. Pode0se então calcular o calor absorvido ou cedido no frasco, denominado

calor medido qmed. Como as variações térmicas que ocorrem em um calorímetro adiabático

são causadas só pela ocorrência de reação química, um aumento na temperatura do frasco

(qmed > 0) implica que a reação é exotérmica (ΔH < 0), e uma diminuição (qmed < 0) implica que

a reação é endotérmica (ΔH > 0). Daí que a relação entre o calor medido e a variação de

entalpia da reação é:

ΔH = - qmed

A determinação da variação de temperatura que acompanha a ocorrência de uma

transformação química ou física exige paciência e meticulosidade. Tanto antes (estado

inicial) como após (estado final) à ocorrência de um processo, faz-se necessário acompanhar

a evolução da temperatura com o tempo.

Nesta atividade, vamos calcular a quantidade de energia (em calorias) que um grão

de amendoim e uma certa porção de pão pode fornecer ao corpo. Para isso, vamos queimar

o pão e o amendoim respectivamente, e usar o calor produzido nesse processo para aquecer

uma quantidade conhecida de água. Isso irá provocar um aumento na temperatura da água

e, com esse dado, será possível calcular a energia fornecida pelo amendoim e o pão,

aplicando os dados na fórmula:

qmed = (Mágua . Cágua . ΔT + Mvidro . Cvidro . ΔT)

como

qliberado = -qmed

obteremos o valor da quantidade de energia liberada pela queima dos alimentos analisados.

3) Procedimento experimental

• Preparação Prévia

Os alimentos devem ser previamente selecionados, aconselha-se alimentos com

baixo teor de água, pois os alimentos devem ser bem secos antes do início da prática.

A montagem do calorímetro consiste em retirar as partes de cima e de baixo de uma

embalagem longa vida, de outra embalagem longa vida retire uma placa suficiente para

tapar uma das extremidades da embalagem longa vida, nesta placa recorte um orifício

pouco menor que o diâmetro de um tudo de ensaio,encaixe um tubo de ensaio nesse orifício

e monitore a temperatura da água com um termômetro.

• Procedimento:

Pese as amostras que devem ter em torno de 0,5g, que foram secas previamente,

pese também o tudo de ensaio e adicione água destilada (10 mL para alimentos menos

calóricos e 15 ou 20 ml para alimentos mais calóricos), meça cuidadosamente a temperatura

da água neste instante (temperatura ambiente).

Coloque o tubo de ensaio no sistema montado como na figura 2. Fixe as amostras em

hastes metálicas. Inflame o alimento com um fósforo ou bico de gás e coloque-o

rapidamente dento do cilindro para que a chama atinja diretamente o tubo de ensaio.

Quando a combustão terminar meça a temperatura da água homogeneizando

levemente o líquido. Repita o procedimento com outros alimentos para comparação.

Todas as medidas realizadas no experimento devem ser realizadas em triplicata.

Figura 1: Modelo do calorímetro proposto

4) Análise de dados e discussão.

• Deve se calcular o calor medido (Qmed) em cal, kcal, j e kj:

• Calcular o potencial energético (μq) em Kj/g e Kcal/g:

• Considerar densidade da água como 1 g/cm3:

• Considerar como calor específico do vidro 0,2cal/g:

• Discuta sobre a viabilidade do experimento:

• Discussão sobre possíveis fontes de erro:

• Correlacionar os valores obtidos com valores reais:

5) Referências Bibliográficas

• ATKINS, P.W. Físico-química, 6ª edição, vol 1, Rio de Janeiro, LTC,1999, p.37-45.

• ATKINS, P; JONES, L.Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio

ambiente, 3ªedição, Porto Alegre, Bookman, 2006, p.304-311.

• GOMES, Márcio Augusto de Oliveira. Determinação da energia contida em alguns

alimentos. Curitiba, 1999.26f. Monografia (Especialização em Ensino de Química

Experimenal para o 2o. Grau) - Setor de Ciências Exatas, Departamento de Química,

Universidade Federal do Paraná, p.112-124.

• CROCKFORD, H.D; KNIGHT, S.B. Fundamentos de Físico-química, LTC, Rio de Janeiro,

1977, p.53.