Calorimetria e Calor Específico

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Calorimetria - Calor Específico
	
	Disciplina: Física Termodinâmica e Ondas
	
	Professor: Cristiano Cancela da Cruz
	
	Curso: Engenharia
	Unidade: Garcez
DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS
Introdução
Calor específico de uma substância é uma grandeza física que define a variação térmica, variação da temperatura desta substância ao receber determinada quantidade de calor. Pode ser chamado de capacidade térmica mássica, pois não depende da massa de substância e sim do material que é feito. O calor específico é um valor constante para cada substância em cada estado físico (sólido, líquido ou gasoso). Pode-se dizer que o calor específico caracteriza uma substância em determinado estado físico.
A unidade do calor específico no Sistema Internacional de unidades é J/kg.K (Joule por Quilograma .
Kelvin). Outra unidade mais usual é cal/g.°C (Caloria por Grama Grau Celsius).
É possível calcular o calor específico (c) de uma substância a partir da capacidade térmica (C) de um objeto composto por ela e da massa (m) desse corpo.
𝐶
𝑐 = 
𝑚
Também é possível determinar o calor específico de uma substância a partir da quantidade de calor cedida (Q) a um corpo dessa substância, da variação da temperatura (T) que ele sofre, e da massa desse corpo.
𝑐 =
𝑄
𝑚 . ∆𝑇
Ou ainda atraves da relação da troca de calor entre substâncias. Onde a somatório das trocas de calor deve ser igual a zero.
∆𝑄 = 0
Abaixo na tabela encontra-se algumas substâncias e seus respectivos valores de calor especifico.
	Substância
	Calor Específico (cal/g.°C)
	Água
	1,0
	Alumínio
	0,22
	Chumbo
	0,031
	Gelo
	0,5
	Ouro
	0,032
Tabela 1 – Calor específico de algumas substâncias
Esta prática será desenvolvida baseada no princípio das trocas de calor. O calor será trocado entre a água, o corpo de prova e o calorímetro.
Objetivo
· Determinar o calor específico de sólidos aplicando os princípios da calorimetria.
Material Utilizado
Equipamentos no Laboratório Didático:
Você irá utilizar as maletas 25 – Física Termodinâmica e Calorimetria e a 16 – Balança digital.
Nas maletas, separe os equipamentos.
	Descrição
	Imagem
	Fonte Térmica
	
	
Copo de Béquer
	
	
Termômetro
	
	
Balança
	
	
Corpo de Prova em Alumínio
	
	
Calorímetro
	
	
Proveta Graduada
	
	
Barbante
	
	
Papel Toalha (consumível)
	
	
Recipiente com água
	
Roteiro Experimental
1ª parte – Determinar a capacidade térmica do calorímetro
1. Ligue a balança, coloque a proveta vazia sobre ela e realize a tara da balança apertando o botão identificado por T, zerando a balança. Agora, retire a proveta da balança e coloque nela 100 ml de água fria.
2. Coloque novamente a proveta na balança medindo a massa dos 100 ml de água. Anote este valor e identifique por mH2O =98,74 Em seguida, coloque os 100 ml de água no calorímetro.
3. Agite levemente o líquido no calorímetro por alguns instantes, meça com o termômetro a temperatura inicial da água no calorímetro e anote esse valor; Ti = 24oC.
4. Coloque 40 ml de água na proveta e com a balança, meça a massa desta quantidade de água e transfira para o copo de béquer. Anote este valor, massa de 40 ml de água; mágua = 43,06g
5. Colocando o béquer com água o sistema de aquecimento, aqueça os 40 ml de água monitorando a temperatura com o termômetro até a temperatura atingir aproximadamente 80 oC. Anote a temperatura da água; Tab = 74oC
6. Coloque rapidamente a água aquecida no calorímetro e o feche rapidamente. Agite o conjunto suavemente.
7. Durante o processo observe seguidamente a temperatura indicada no termômetro, aguardando a temperatura estabilizar.
8. Quando a temperatura estabilizar, meça a temperatura de equilíbrio térmico e anote esse valor Tf =37oC.
9. Para determinar capacidade térmica do calorímetro utilize o princípio da conservação de energia, considere o calor específico da água c = 1 cal/g.oC:
QCEDIDO + QRECEBIDO = 0
Qcedidopela água quente + Qabsorvidopelo calorímetro + Qágua calorimetro = 0 mágua . c . (Tf – Tab) + C (Tf − Ti) + mH2O . c . (Tf – Ti) = 0
C = − mH2O . c . (Tf – Ti) − mágua . c . (Tf – Tab)
(Tf − Ti)
2ª parte – Determinar o calor específico de sólidos
1 – Desmonte o procedimento anterior, resfriando o calorímetro com água corrente, meça 60 ml de água na proveta, com a balança, meça a massa de 60 ml de água e coloque no calorímetro, posicionando o termômetro no mesmo. Anote este valor: mágua = 62,17g.
2 – Aguarde o equilíbrio térmico e anote na tabela o valor da temperatura inicial da água dentro do calorímetro Ti da água. Ti = 28oC.
3 – Na balança, meça a massa do corpo de prova, cilindro de alumínio, anote este valor; mAL = 26,92 g e
coloque dentro do copo de béquer.
4 – Meça 100 ml de água com a proveta e coloque dentro do copo de béquer junto com o corpo de prova, no sistema de aquecimento aqueça até a ebulição, aguarde um instante, monitorando a temperatura com o termômetro.
5 – Desligue o aquecimento e meça a temperatura utilizando o termômetro. Anote a temperatura TiAl = 99oC e retire o cilindro de alumínio mergulhando-o imediatamente dentro do calorímetro com água. A temperatura anotada é a temperatura inicial do cilindro de alumínio.
6 – Monitore a temperatura dentro do calorímetro e aguarde até que a temperatura estabilize, não sofrendo mais variação, neste momento teremos o equilíbrio térmico entre o calorímetro, a água do calorímetro e o corpo de prova de alumínio, anote está temperatura que será a temperatura final da mistura. Este valor é tanto a temperatura final TF do calorímetro, da água, como do cilindro de alumínio. TF =33oC.
8 – Com estes dados, você deve ser capaz de determinar o calor específico do alumínio através da igualdade
das trocas de calor.
O calor recebido pelo calorímetro e a água dentro dele é igual ao calor perdido pelo cilindro de alumínio, ou seja:
𝑄𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 + 𝑄á𝑔𝑢𝑎 + 𝑄𝑎𝑙𝑢𝑚í𝑛𝑖𝑜 = 0
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . ∆𝑇 + 𝑚á𝑔𝑢𝑎. 𝑐á𝑔𝑢𝑎. ∆𝑇 + 𝑚𝐴𝑙. 𝑐𝐴𝑙. ∆𝑇 = 0
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . (𝑇𝐹 − 𝑇𝑖) + 𝑚á𝑔𝑢𝑎. 𝑐á𝑔𝑢𝑎. (𝑇𝐹 − 𝑇𝑖) + 𝑚𝐴𝑙 . 𝑐𝐴𝑙. (𝑇𝐹 − 𝑇𝑖𝐴𝑙) = 0
− 𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . (𝑇𝐹 − 𝑇𝑖) − 𝑚á𝑔𝑢𝑎. 𝑐á𝑔𝑢𝑎. (𝑇𝐹 − 𝑇𝑖)
𝑐𝐴𝑙 =
𝑚𝐴𝑙
. (𝑇𝐹
− 𝑇𝑖𝐴𝑙)
Nesta fórmula calcule o calor específico do alumínio 𝑐𝐴𝑙, onde 𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 é capacidade térmica do calorímetro calculada na 1ª parte do procedimento.
Análise dos Resultados e Conclusões
1. Qual a substância utilizada no corpo de provas que utilizou?
2. Qual o valor tabelado do calor específico do alumínio?
3. Qual o valor encontrado para o calor específico do alumínio experimentalmente?
4. O calor específico depende da massa da substância, explique?
5. Por que é necessário aguardar alguns minutos, após a ebulição da água para medir a temperatura e utilizar o corpo de provas?
6. Por que o calorímetro deve ser agitado após a introdução do corpo de prova?
7. O valor obtido para o calor específico do alumínio foi o esperado? Compare com o valor tabelado para a substância do corpo de prova.
Roteiro Experimental
1ª Parte – Determinação da capacidade térmica do calorímetro
1. Ligar a balança e realizar a tara com a proveta vazia.
2. Adicionar 100 mL de água fria à proveta, medir sua massa e registrar o valor mH2O=98,74 gm_{H2O} = 98,74\ \text{g}mH2O​=98,74 g. Em seguida, transferir essa água para o calorímetro.
3. Medir a temperatura inicial da água no calorímetro com o termômetro e registrar Ti=24∘CT_i = 24^\circ\text{C}Ti​=24∘C.
4. Medir 40 mL de água na proveta, determinar sua massa maˊgua=43,06 gm_{\text{água}} = 43,06\ \text{g}maˊgua​=43,06 g e transferir para um béquer.
5. Aquecer a água no béquer até aproximadamente 80∘C80^\circ\text{C}80∘C. Medir a temperatura e registrar Tab=74∘CT_{ab} = 74^\circ\text{C}Tab​=74∘C.
6. Transferir rapidamente a água aquecida para o calorímetro, fechá-lo e agitar suavemente.
7. Acompanhar a variação de temperatura até a estabilização.
8. Registrar a temperatura final de equilíbrio Tf=37∘CT_f = 37^\circ\text{C}Tf​=37∘C.
9. Calcular a capacidade térmica do calorímetroaplicando o princípio da conservação de energia:
Qcedido+Qrecebido=0Q_{cedido} + Q_{recebido} = 0Qcedido​+Qrecebido​=0 maˊgua quente⋅c⋅(Tf−Tab)+C⋅(Tf−Ti)+mH2O⋅c⋅(Tf−Ti)=0m_{\text{água quente}} \cdot c \cdot (T_f - T_{ab}) + C \cdot (T_f - T_i) + m_{H2O} \cdot c \cdot (T_f - T_i) = 0maˊgua quente​⋅c⋅(Tf​−Tab​)+C⋅(Tf​−Ti​)+mH2O​⋅c⋅(Tf​−Ti​)=0 C=− mH2O⋅c⋅(Tf−Ti) − maˊgua quente⋅c⋅(Tf−Tab)(Tf−Ti)C = \frac{-\,m_{H2O} \cdot c \cdot (T_f - T_i)\ -\ m_{\text{água quente}} \cdot c \cdot (T_f - T_{ab})}{(T_f - T_i)}C=(Tf​−Ti​)−mH2O​⋅c⋅(Tf​−Ti​) − maˊgua quente​⋅c⋅(Tf​−Tab​)​ 
2ª Parte – Determinação do calor específico de um sólido (alumínio)
1. Resfriar o calorímetro com água corrente. Medir 60 mL de água, determinar sua massa maˊgua=62,17 gm_{\text{água}} = 62,17\ \text{g}maˊgua​=62,17 g e colocar no calorímetro. Registrar a temperatura inicial Ti=28∘CT_i = 28^\circ\text{C}Ti​=28∘C.
2. Medir a massa do corpo de prova (cilindro de alumínio): mAl=26,92 gm_{Al} = 26,92\ \text{g}mAl​=26,92 g.
3. Colocar o cilindro de alumínio em um béquer com 100 mL de água e aquecer até a ebulição.
4. Após estabilização, medir a temperatura do cilindro: TiAl=99∘CT_{iAl} = 99^\circ\text{C}TiAl​=99∘C.
5. Transferir imediatamente o cilindro aquecido para o calorímetro contendo a água, fechá-lo e agitar suavemente.
6. Aguardar até que a temperatura final de equilíbrio seja atingida, registrando TF=33∘CT_F = 33^\circ\text{C}TF​=33∘C.
7. Determinar o calor específico do alumínio utilizando a conservação de energia:
Qcalorıˊmetro+Qaˊgua+QAl=0Q_{\text{calorímetro}} + Q_{\text{água}} + Q_{Al} = 0Qcalorıˊmetro​+Qaˊgua​+QAl​=0 C⋅(TF−Ti)+maˊgua⋅c⋅(TF−Ti)+mAl⋅cAl⋅(TF−TiAl)=0C \cdot (T_F - T_i) + m_{\text{água}} \cdot c \cdot (T_F - T_i) + m_{Al} \cdot c_{Al} \cdot (T_F - T_{iAl}) = 0C⋅(TF​−Ti​)+maˊgua​⋅c⋅(TF​−Ti​)+mAl​⋅cAl​⋅(TF​−TiAl​)=0 cAl=− (C⋅(TF−Ti)+maˊgua⋅c⋅(TF−Ti))mAl⋅(TF−TiAl)c_{Al} = \frac{-\,\big(C \cdot (T_F - T_i) + m_{\text{água}} \cdot c \cdot (T_F - T_i)\big)}{m_{Al} \cdot (T_F - T_{iAl})}cAl​=mAl​⋅(TF​−TiAl​)−(C⋅(TF​−Ti​)+maˊgua​⋅c⋅(TF​−Ti​))​
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