Calor especifico de um sólido, Provas de Engenharia de Alimentos
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RELATÓRIO EXPERIMENTAL SOBRE A DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO DE UM SÓLIDO

ARIADNY DA SILVA ARCAS KELLY GOBBY

Cuiabá-MT Fevereiro/2012

RELATÓRIO EXPERIMENTAL SOBRE

A DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO DE UM SÓLIDO

ARIADNY DA SILVA ARCAS KELLY GOBBY

Este relatório experimental é parte da

avaliação da disciplina de Física

experimental I, do curso de Engenharia

de Alimentos, do Instituto Federal de

Educação, Ciência e Tecnologia de

Mato Grosso, Campus Cuiabá – Bela

Vista; solicitado pelo Professor Jonas

Spolador.

Cuiabá-MT Fevereiro/2012

1. INTRODUÇÃO

Este relatório é voltado para o estudo e identificação do calor específico

do alumínio, estanho, latão, cobre, e de seus possíveis erros experimentais.

Para isso, cada corpo foi introduzido em um recipiente contendo água e

aquecido até o início da ebulição da água, onde a partir deste ponto cessou-se

o aquecimento. Após aguardarmos três minutos, retiramos o metal e colocamos

dentro de um vaso calorimétrico, isolado do meio externo onde se alcançou o

equilíbrio térmico. Colocando o corpo em contato e dentro de um calorímetro,

ocorre uma transferência de energia, sob a forma de calor, da temperatura mais

elevada para o que se encontra a temperatura mais baixa, até o equilíbrio.

Para se elevar a temperatura de um gás, líquido ou sólido, é necessário

que lhe seja fornecido calor. A quantidade de calor necessária para elevar de

um grau a massa unitária de uma substância depende da sua capacidade em

absorver este calor, sendo uma forma de identificação de um corpo. O termo

calor é usado para indicar a energia transferida de um corpo ou sistema, não

sendo usado para indicar a energia que um corpo possui.

A propagação do calor que utilizamos foi à condução térmica, que é a

transferência de energia do movimento de vibração entre as moléculas de um

sistema. O fluxo de calor segue do corpo de temperatura mais alta para o de

temperatura mais baixa.

Procuramos explicar sucintamente sobre o funcionamento das trocas

calorimétricas, procurando elencar pelo menos uma de suas características

mais importantes.

2.0 OBJETIVOS -Explicar e analisar as trocas de calor envolvidas no processo;

-Determinação do calor específico de corpos sólidos.

2.1 MATERIAIS NECESSÁRIOS -01 Calorímetro com agitador e equivalente em água de aproximadamente

200g;

-02 Termômetros nas escala de 10-110°C;

-01 Tripé delta com haste e sapatas niveladoras;

-01 Dinamômetro de 2N;

-01 Mufa dupla a 90°;

-01 Manta de aquecimento;

-01 Corpo de alumínio de 60g;

-01 Corpo de latão de 84g;

-01 Corpo de estanho de 42g;

-01 Corpo de cobre de 91g;

-01 Barbante ou fio com argola e ganchos;

-01 Proveta graduada de 250 ml;

-01 Cronômetro;

-01 Copo de Becker de 250 ml;

-01 Pano para limpeza;

-01 Caixa de fósforos;

Obs.Para a realização desta prática não é necessário utilizar exatamente as

massas especificadas de cada corpo. Podem ser usadas as mais variadas

massas, desde que ela seja conhecida.

2.2 MONTAGEM Executamos a montagem do aparelho conforme ilustra a figura (1) e (2). Na figura (1) temos o aparato onde executamos a fervura da água até o início da ebulição. Como houve a utilização do aquecimento, o nosso cuidado

durante a manipulação dos materiais foram bastantes cautelosas.

a) Termômetro; (b) Mufa dupla a 90°; (c) Haste; (d) Tripé delta; (e) Copo de Becker; (f) Material submerso; (g) Manta de aquecimento;

Figura (1)

Para identificação da capacidade térmica dos matérias, foi necessário à

utilização do calorímetro, aparelho ilustrado pela figura (2).

(h) Calorímetro; (i) Agitador; (j) Orifício fornecido pelo fabricante para a colocação do termômetro Figura (2)

2.3 PROCEDIMENTO - 1° Realizamos a separação de todo os matérias. - 2° Montamos o aparato seguindo as orientações das figuras (1) e (2). - 3° Pesamos o vaso do calorímetro Mc=71g e adicionamos 200 ml de água à

temperatura ambiente de 25°C resultando em um total de Mtc=271g, tampamos

o conjunto e introduzimos o termômetro no orifício da tampa (j).

- 4° Como nosso objetivo é medir e testar o poder calorífico de alguns matérias,

colocamos em uma primeira etapa um pedaço de alumínio de 60 gramas

amarrado por um fio de barbante e preso na área da garra metálica (b), deixando o material totalmente submerso e centralizado em 200 ml de água

(medido em proveta) sob aquecimento até o início da ebulição. O termômetro

foi acoplado ao recipiente conforme especificado em (a). - 5° Após o inicio da ebulição, desligamos a manta e a partir deste ponto

cronometramos 03 (três) minutos, realizando pequenos movimentos no

barbante, para que o aquecimento pudesse se “homogeneizar”. Anotamos a

temperatura e transferimos o material através do fio, e colocamo-lo dentro do

calorímetro com 200 ml de água a 25°C. Tampamos o calorímetro e

introduzimos o termômetro no orifício da tampa. Com o agitador (i) realizamos pequenos movimentos, e anotamos a temperatura máxima alcançada durante

o equilíbrio do calorímetro.

- 6° O calor especifico da substância que compõem o corpo de prova pode ser

obtido pelas equações:

(01) (Peso).

(02) ; (Calor específico).

(03) c=Q/(m x Δθ); (Calor sensível).

(04) Ep= | x – xc | / xc * 100 %; (Erro)

Onde:

P= peso, (N);

m= massa do corpo, (g ou Kg);

g= gravidade aproximadamente (10m/s2).

c= calor específico do corpo, (cal/g°C ou J/kg°C). Q= calor, (cal ou J).

Δθ’= diferença entre a temperatura inicial do corpo e a temperatura de

equilíbrio térmico do sistema, (°C).

Δθe= diferença ente a temperatura de equilíbrio térmico do sistema e a

temperatura inicial da água no calorímetro, (°C).

Δθa= diferença ente a temperatura de equilíbrio térmico do sistema e a

temperatura inicial da água no calorímetro, (°C).

Ep= Erro Experimental

x= valor experimental.

xc= valor teórico conhecido.

- 7° Realizamos os mesmos procedimentos com o estanho, latão e cobre;

Obs. Consideramos que 1cm3 de água equivalendo a 1 ml e aproximadamente

1 grama e com base na tabela (1) onde são especificado o calor especifico de

cada substância.

Substância Calor especifico (cal/g.°C)

Água 1 Alumínio 0,22 Estanho 0,055

Latão 0,092 Cobre 0,094

Tabela (1)

3. DISCUSSÃO Calor é uma forma de energia que é transferida de um corpo para o outro

devido à diferença entre suas temperaturas. À medida que a temperatura dos

corpos se iguala, cessa a transferência de energia, e nessa situação é atingido

o equilíbrio térmico. O fluxo de calor depende não apenas da diferença entre as

temperaturas da substância, mas também da quantidade de material que

existe. O termo calor é usado para indicar a energia transferida de um corpo ou

sistema, não sendo para indicar a energia que um corpo possui. A unidade de

calor “Q”, no sistema internacional é em joules (J). As unidades mais usadas é

a caloria (cal) que é a quantidade de calor requerido para alterar a temperatura

de um grama de água em um grau Celsius.

A matéria não contém calor, mas contém energia cinética molecular. Calor

em outras palavras é a energia em trânsito de um corpo a uma temperatura

mais alta para outro a temperatura mais baixa. Já o calor sensível é a

quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um

corpo. Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental

da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de

sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade

dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico. Calor específico

é a quantidade de calor requerida para alterar a temperatura de uma unidade de

massa da substância em um grau.

Ao se realizar uma medida, há sempre fontes de erro que a afetam. As

fontes de erro fazem com que toda medida realizada, por mais cuidadosa que

seja, esteja afetada por um erro experimental. Os erros experimentais podem

ser classificados em erros sistemáticos e erros aleatórios. Os erros

sistemáticos são causados por fontes identificáveis, e, em princípio, podem ser

eliminados ou compensados e fazem com que as medidas feitas estejam

consistentemente acima ou abaixo do valor real, prejudicando a exatidão. Os

erros aleatórios são flutuações, para cima ou para baixo, que fazem com que, aproximadamente a metade das medidas realizadas de uma mesma grandeza em

uma mesma situação experimental esteja desviada para mais, e a outra metade esteja

desviada para menos. Os erros aleatórios afetam a precisão da medida. Para que os

erros experimentais fornecessem resultados aceitáveis, o corpo deveria estar na

estufa algum tempo. Assim, é muito provável que este ponto do procedimento já tenha

sido iniciado antes de começar a aula, com a realização de trocas do ambiente.

3.1 Calor específico do Alumínio

O alumínio é um metal leve, macio e resistente. Possui um aspecto

cinza prateado, fosco, maleável, muito dúctil, adequado para a mecanização e

fundição, além de ter uma excelente resistência à corrosão e durabilidade

devido à camada protetora de óxido. Por ser um bom condutor de calor, é muito

utilizado em panelas de cozinha. Colocamos na tabela (2) todas as informações

práticas que conseguimos identificar referente ao alumínio.

m(al) m(a) m(e) θ(al) θ(a) θ(e) c(a) Alumínio (g) (g) (g) (°C) (°C) (°C) (cal/g.°C)

60 200 200 92 25 27 1 Tabela (2)

Com essas informações e utilizando a fórmula do calor específico (02), temos

que o valor prático do alumínio é de aproximadamente 0,21 cal/g.°C, e o

teórico 0,22 cal/g.°C. Com base na tabela (1), calculamos o erro (4), de 4,5%.

Esta porcentagem identifica que o erro foi do tipo sistemático, variando 4,5%

para mais ou para menos. Devido às circunstâncias não foi possível realizar

replicata do experimento. Caso fosse aplicado, poderíamos utilizar duas

ferramentas estatísticas, a média aritmética e o desvio padrão, diminuindo

assim os erro. Durante a prática não apresentamos os dados teóricos de cada

material. Por esse motivo mesmo calculando o calor especifico, não foi possível

comprara-los e identificar os erros pela sua origem.

3.2 Calor específico do Estanho

O estanho é um metal de cor prateada, maleável, sólido nas condições

ambientais, não se oxida facilmente com o ar e é resistente a corrosão. É

empregado para produzir diversas ligas metálicas e em especial para proteger

outros metais da corrosão através do revestimento. O estanho é obtido

principalmente do mineral cassiterita onde se apresenta como um óxido. Os

dados extraídos durante a prática do estanho foram organizadas na tabela (3).

m(es) m(a) m(e) θ(es) θ(a) θ(e) c(a) Estanho (g) (g) (g) (°C) (°C) (°C) (cal/g.°C) 42 200 200 91 25 24 1

Tabela (3)

Com base na tabela (3) e utilizando a fórmula do calor específico (02), temos

que o valor prático do estanho é de 0,14 cal/g.°C, e o teórico de 0,055 cal/g.°C.

Conforme tabela (1), calculamos o erro, utilizando a fórmula (4) e chegamos ao

seguinte resultado de 158%. Este erro engloba a categoria dos erros aleatórios,

que são aqueles que não conseguimos dominar. Eles acontecem de modo

imprevisível e não são de quantificação possível. Só identificamos este erro

após consulta do calor específico em literaturas.

3.3 Calor específico do Latão

O latão é uma liga metálica de cobre e do zinco dependendo do tipo de

latão. Essa liga metálica tem uma cor amarelada semelhante a do metal ouro e

é consideravelmente resistente a manchas. Um exemplo de latão é a parte

dourada dos cadeados. Os dados extraídos durante a prática do estanho

foram organizadas conforme a tabela (4).

m(l) m(a) m(e) θ(l) θ(a) θ(e) c(a) Latão (g) (g) (g) (°C) (°C) (°C) (cal/g.°C) 85 200 200 92 25 27 1

Tabela (4)

Utilizando essas informações e a fórmula do calor específico (02), temos que

o valor prático do latão é de 0,069 cal/g.°C, e o teórico de 0,092 cal/g.°C.

Conforme tabela (1). Calculamos o erro (4), de 25%. Este erro engloba a

categoria dos erros aleatórios assim como já mencionado na prática do

estanho.

3.4 3.3 Calor específico do Cobre O cobre é normalmente fornecido em um grão fino de formulário

policristalino de coloração avermelhada/alaranjado. Apresentam as

propriedades de ser dúctil, maleável e alta condutividade eletrica.

m(cu) m(a) m(e) θ(cu) θ(a) θ(e) c(a) Cobre (g) (g) (g) (°C) (°C) (°C) (cal/g.°C) 91 200 200 93 25 27 1

Tabela (5)

Utilizando as informaçooes da tabela (4) e a fórmula do calor específico (02),

temos valores pratico 0,066 cal/g.°C, e 0,092 cal/g.°C no teórico. Conforme

tabela (1). Calculando o erro (4), sendo de 28,3%. Erro classificado como

aleatório, podendo haver trocas de calor do material com o ar, entre o momento

da retirado do metal da água em ebulição e a sua colocação calorímetro, bem

como o erro da leitura instrumental do termômetro dentro do calorímetro.

4.0 CONCLUSÃO

Verificamos que, devido ao erro experimental ser considerado alto para

o calor específico do estanho, latão e cobre o mesmo não assumiu o valor

teórico esperado. O erro experimental pode ter ocorrido devido à observação

da temperatura no termômetro, ou seja, operacional, assim como trocas de

calor com o material utilizado. Esta experiência proporcionou a verificação do

calor específico dos materiais metálicos através de uso do calorímetro de água

e aplicação de cálculos experimentais.

Verificou-se que quando vários corpos a diferentes temperaturas se encontram

em um recipiente termicamente isolados, são produzidas trocas caloríficas

entre eles alcançando a temperatura de equilíbrio há certo tempo. Quando foi

alcançado este equilíbrio é obedecido que a soma das quantidades de calor

trocadas é zero. Analisando todos os experimentos por outro ângulo temos a transferência de

energia dos movimentos de vibração entre as moléculas depende do material. Os

matérias onde à condução é rápida são denominados de condutores. Já os que

apresentam condução demorada são denominados de isolantes ou maus condutores.

Para que os experimentos dessem resultados aceitáveis os corpos deveriam

se encontrar na estufa algum tempo. Assim, seria mais provável que este ponto

do procedimento as trocas de calor tenha sido iniciado antes de começar a

aula. Também podemos apontar como aprimoramento, ter sempre em mãos os

valores teóricos do material a ser trabalhado.

5.0 REFERÊNCIAS:

BOSQUILHA, ALESSANDRA e PELLEGRINI, Minimanual Compacto de Física, Teoria e Pratica editora Rideel, 2°edição, São-Paulo, 2003, páginas (170-189).

HEWITT, PAUL G.Física Conceitual, editora Bookman,Porto-Alegre-RS,2008, 9°edição, páginas (268-280).

HALLIDAY, RESNICK e WALKER, Fundamentos da Física, volume 2, 8°edição páginas (183-200).

NUSSENZVEIG, H. Moysés, Física Básica Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor. Editora Blucher, 4° edição, São-Paulo. Páginas (167-176).

http://www.rc.unesp.br/igce/fisica/ervino/textos/calorespsol.pdf (acessado em

18 de fevereiro de 2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico (acessado em 19 de

fevereiro de 2012).

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Calorimetria/calor.php

acessado em 19 de fevereiro de 2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADnio (acessado em 19 de fevereiro de

2012).

http://www.ifi.unicamp.br/~brito/graferr.pdf (acessado em 20 de fevereiro de

2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%A3o (acessado em 20 de fevereiro de

2012).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cobre (acessado em 20 de fevereiro de 2012).

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