BAC 014 Prática 2 Equilibrio Termico e Calor Especifico, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
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Microsoft Word - BAC 014 Prática 1 Equilíbrio Térmico e Calor Específico_Revisado.doc

Engenharia de Fluidos – BAC 014

Roteiro da Aula Prática II

Prática 2 - Equilíbrio Térmico e Calor Específico

Equipe Matrícula Nome Assinatura

DATA DA REALIZAÇÃO DO ENSAIO:

Prof. Dr. Rogério Fernandes Brito – E-mail: rogbrito@unifei.edu.br

1. Introdução

1.1. Equilíbrio Térmico e Calor

O equilíbrio térmico entre dois corpos em contato entre si só ocorre quando estes atingem a mesma temperatura. Quando estes corpos atingem um equilíbrio térmico com um terceiro corpo, significa que todos estão em equilíbrio térmico entre si Esta ultima afirmação é conhecida como a "Lei Zero da Termodinâmica."

1.2. Calorímetro

O calorímetro é basicamente constituído de uma câmara com paredes adiabáticas, que não permite a troca de calor entre seu interior com o meio externo, O calorímetro é utilizado para determinar a quantidade de calor liberada ou absorvida por uma transformação física ou química realizada em seu interior. Além disso, um calorímetro pode ser utilizado para determinar o calor especifico de uma substância, o calor latente de uma substância, o calor de reação, etc.

Calor Especifico (c): é a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita trocar para variar sua temperatura em 1 °C. Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura. Obs.: O calor específico depende da substância e não da quantidade da mesma. Diferente da capacidade térmica.

Calor latente: é a grandeza física relacionada a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber ou ceder. Para mudar de fase, ou seja, passar do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa. Durante a mudança de fase a temperatura da substância não varia, mas seu estado de agregação se modifica. O calor latente pode assumir tanto valores positivos quanto negativos. Se for positivo quer dizer que a substância está recebendo calor, se negativo ela está cedendo calor. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade é kJ/kg (quiloJoule por quilograma). Outra unidade usual é a caloria por grama (cal/g). A unidade caloria tende a desaparecer a medida que o SI vá sendo implantado pelos países que o aprovaram.

Capacidade térmica (C) ou capacidade calorífica: é a grandeza física que determina o calor que é necessário fornecer a um corpo para produzir nesta determinada temperatura / variação térmica. A unidade usada no SI é J/K (Joule por Kelvin). A capacidade térmica caracteriza o corpo, e não a substância que o constitui. Dois corpos de massas e de substâncias diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica. Dois corpos de massas diferentes e de mesma substancia possuem capacidades térmicas diferentes. A grandeza que caracteriza uma substancia é o calor específico. A capacidade calorífica está também relacionada com as interações intermoleculares, a estabilidade de uma fase, a condutividade térmica e a capacidade de armazenar energia.

Para a determinação do calor específico de uma substância, coloca-se dentro do calorímetro uma porção da substância de massa e temperatura inicial conhecidas, e também conheidas as temperatura inicial e a temperatura ambiente (Ta).

1.3. O Método das Misturas - Trocas de calor dentro de um calorímetro

Com um corpo de prova no interior do calorímetro é possível determinar o calor necessário para atingir o equilíbrio térmico, adicionando-se uma determinada quantidade de água quente, com temperatura T (T>Ta), fechando o calorímetro. Estando o sistema (calorímetro, corpo de prova e água) isolado termicamente, este entrará em equilíbrio térmico com uma temperatura Te. Neste caso temos a igualdade entre o calor perdido pela água quente e o calor adquirido pelo calorímetro, corpo de prova e meio ambiente. O fato do meio ambiente também receber calor, se deve ao calorímetro não possuir isolamento ideal. Por essa razão, as medidas de temperatura nesse processo devem ser tomadas rapidamente.

1.4. O Equivalente em Água do Calorímetro

O equivalente em água do calorímetro se trata de uma suposição de que o calorímetro fosse constituído de água. Neste caso, determina-se a quantidade de água que seria necessária para absorver a mesma quantidade de calor que o calorímetro. Esta quantidade seria o "equivalente em água (me)" do calorímetro. Com essa informação é possível equacionar as trocas de calor, como apresentado abaixo:

ma ca (T-T0) = (me ca + mcp ccp)(Te -Ta) (1)

Onde

ma = massa de água no calorímetro (g);

me = equivalente em água do calorímetro (g);

mcp = massa do corpo de prova (g);

ccp = calor especifico do corpo de prova (cal/g°C);

ca = calor especifico da água (cal/g°C);

Ta = temperatura inicial da água (°C);

Te = temperatura de equilíbrio térmico (°C).

1.4.1. O Calorímetro Elétrico

Dentre os calorímetros, existem os elétricos, os quais possuem uma resistência adicional R. Estes calorímetros são capazes de elevar a temperatura do sistema por meio do fornecimento de energia elétrica à resistência que dissipa grande parte dessa energia na forma de calor. Nestes calorímetros temos a igualdade entre o calor devido à dissipação de W no resistor (Q) e a diferença entre o calor absorvido do sistema (Qa) e o calor dissipado pelo sistema ao meio ambiente (Qt). Porém, se for adotado como desprezível a transferência de energia ao meio ambiente pelo calorímetro, temos exatamente o calor absorvido pelo sistema como sendo a energia dissipada pela resistência.

Nesta prática, a lei zero da termodinâmica será constatada pela determinação da temperatura de equilíbrio entre corpos de diferentes temperaturas; e calores específicos de algumas substâncias serão determinados com o uso do equivalente em água do calorímetro e, portanto, com o uso do calorímetro.

2. Experimento l

2.1. Objetivos

São eles:

reconhecer que ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo com temperatura maior para o de menor temperatura;

reconhecer que a temperatura de equilíbrio estará entre as temperaturas iniciais dos corpos em contato.

2.2. Preparação do Experimento

Materiais necessários:

01 Tripé delta com sapatas e haste metálica de 500 mm; (1), (2);

02 Mufas duplas e pinças com cabos (3) (4);

01 Agitador grande (7);

02 Termômetros (-10°C a 110°C) (8) e 01 agitador pequeno (18);

01 Becker 250 ml (11);

01 Fio de argola e gancho (12);

01 Proveta graduada de 100 ml (13);

01 Calorímetro de água de 200 ml sem a tampa (14);

01 Rolha de borracha e tubo de ensaio (15) (16);

01 Aquecedor elétrico de imersão (ebulidor) (19);

01 Cronômetro;

03 Baldes com água (descarte, água a Tamb, água Fria).

2.3. Procedimento Experimental

Etapa l:

a) Coloque no tubo de ensaio maior, 30 ml (30 cm3) de água à temperatura ambiente. Feche o tubo com a rolha e agitador pequeno. ANOTE a temperatura da água do tubo de ensaio (Figura 2).

b) Aqueça 200 ml (200 cm3) de água num Becker a 90°C e coloque-o no calorímetro.

c) Anote a temperatura da água quente do calorímetro.

d) Coloque o tubo de ensaio no interior do calorímetro e prenda-o à haste conforme a Figura 3.

e) Agitando levemente a água dos dois frascos, determine e anote de 30 em 30 segundos a temperatura da água contida em cada local (tubo, de ensaio e calorímetro) no mesmo gráfico. Utilizar a tabela no final do relatório.

f) Utilize papel logarítmico e compare as curva e discuta a validade das seguintes afirmações:

"Ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo de temperatura maior para o de temperatura menor."

"A temperatura de equilíbrio térmico entre dois corpos, colocados em cantato, estará entre as temperaturas iniciais dos dois corpos."

3. Experimento 2: Determinação do Equivalente em Água de um Calorímetro

3.1. Objetivos

São eles:

identificar as trocas de calor envolvidas no processo.

determinar o equivalente em água de um calorímetro.

3.2. Preparação do Experimento

Materiais necessários:

(1) Aquecedor elétrico (ebulidor);

(2) Proveta graduada 100 ml;

(3) 2 Béqueres de 250 ml, um com 100 ml de água destilada gelada e um com 100 ml de água destilada a temperatura ambiente;

(4) Termômetro;

(5) Calorímetro de água de 200 ml com tampa.

3.3. Procedimento Experimental

Etapa 1

a) Coloque 50 ml de água fria com temperatura em torno de 10°C abaixo da temperatura ambiente no calorímetro;

b) Tampe o conjunto e introduza o termômetro no calorímetro;

c) Prepare um copo de Béquer com 50 ml de água morna com temperatura em torno de 10°C acima da temperatura ambiente. (OBS: fazer rápido as etapas a, b e c).

d) Meça a temperatura inicial T0af do calorímetro com água fria (ela pode ter variado);

e) Meça a temperatura da água mornaT0aq;

f) Coloque a água morna no calorímetro, tapando-o;

g) Introduza o termômetro no calorímetro;

h) Agite leve e eonstantemente a mistura;

i) Anote a temperatura máxima alcançada (temperatura de equilíbrio térmico entre o calorímetro e a mistura), Te;

j) Calcule a massa total de água utilizada;

k) Determine o equivalente em água me do calorímetro, sabendo-se que:

calor perdido = calor ganho , ou seja,

(2)

onde:

maq = massa de água morna (g).

Ca = calor específico da água (cal/g°C).

T0aq = temperatura inicial da água morna (°C).

Te = temperatura de equilíbrio térmico (°C).

me = equivalente em água do calorímetro (g).

maf = massa de água fria (g).

Toaf = temperatura inicial da água fria (°C).

4. Experimento 3: Reconhecimento da Capacidade Calorífica e Determinação do Calor Específico de Sólidos

4.1. Objetivos:

São eles:

Reconhecer as diferentes capacidades caloríficas dos corpos.

Identificar as trocas de calor envolvidas no processo.

Determinar o calor específico de corpos sólidos.

4.2. Preparação do Experimento:

Materiais necessários:

a) Tripé delta com sapatas e haste metálica.

b) Pingas com cabos e mufas duplas.

c) Béquer de 250 ml.

d) Termômetro.

e) Calorímetro de água de 200 ml sem tampa.

f) Agitadores.

g) Aquecedor elétrico (ebulidor).

h) Corpo de Prova com argolas e gancho.

i) Álcool etílico.

4.3. Procedimento Experimental:

Etapa l:

a) Aqueça a massa de 300g ( 300 ml) da amostra de água destilada, num béquer mantendo o aquecedor afastado do termômetro até aproximadamente 60°C.

b) Retire o aquecedor e aguarde por 3 minutos.

c) Agite levemente o liquido e anote a temperatura inicial da água.

d) Agitando suavemente a água, meça e anote a temperatura da água a cada 30s.

Etapa 2:

a) Repita os procedimentos dos itens (a) a (d) da etapa l anterior, com álcool etílico

OBS: Muito cuidado com o ponto de ebulição do álcool. 78,29°C

Trace as curvas de temperatura versus tempo das duas amostras (água e álcool) no mesmo

gráfico, identificando a substância correspondente aos dados de cada curva e discuta a validade das seguintes afirmações:

"O gráfico (Temperatura x Tempo) nos mostra que a curva de resfriamento depende da substância da qual o corpo é feito e a tangente a curva representa a velocidade de resfriamento que, por definição, e a capacidade térmica (C), onde:

(3)

Etapa 3:

a) Coloque 100 ml de água a temperatura ambiente, no interior do calorímetro.

b) Tampe o conjunto e introduza o termômetro no calorímetro.

c) Anote a massa do corpo de prova de alumínio.

d) Coloque o corpo de prova de alumínio no interior do Béquer com 100 ml de água destilada a temperatura ambiente.

e) Aqueça o conjunto (Béquer mais corpo de prova) até a ebulição.

f) Desligue o sistema de aquecimento.

g) Aguarde 3 minutos, agitando levemente o corpo de prova no interior da água, quente.

h) Leia e anote a temperatura inicial do alumínio.

i) Anote a temperatura ambiente (temperatura inicial do calorímetro).

j) Transporte o corpo de prova de alumínio pelo fio, colocando-o dentro do calorímetro,

k) Tampe o calorímetro e introduza o termômetro no orifício da tampa.

l) Agite levemente e constantemente a mistura.

m) Anote a temperatura máxima alcançada (temperatura de equilíbrio térmico do calorímetro).

n) Obtenha o calor especifico (Cal) da substância que compõe o corpo de prova, o qual pode ser obtido pela equação:

(4)

(5)

onde:

mAl massa do corpo de prova de Alumínio (g);

ma massa de água no calorímetro (g);

me equivalente em água do calorímetro (g);

CAl calor específico do Alumínio (cal/g°C);

Ca calor especifico da água (cal/g°C);

ToAl temperatura inicial do corpo de prova de Alumínio (°C);

Ta temperatura inicial da água (°C);

Te temperatura de equilíbrio térmico do sistema (°C);

Etapa 4

a) Realize os mesmos procedimentos de (a) a (m) da etapa 3, para a amostra de latão.

Determine seu calor especifico.

Referência Bibliográfica:

[1] Livro de Atividades Experimentais - Física Experimental - Termodinâmica - Trocas de Calor e Expansão Térmica dos Líquidos - Cidepe.

Tabela para anotação das medidas Dados referentes à variação de

temperatura na água fria Taf Dados referentes à variação de temperatura na água quente Taq

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