UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CAPACIDADE CALORÍFICA (Cp)
TOLEDO – PR
Agosto de 2012
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Guias e Dicas
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Encontrar documentos
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Encontra documentos específicos para os exames da tua universidade
Encontra documentos específicos para os exames da tua universidade
Videoaulas
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Quiz
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Capacidade Calorífica - Cp, Provas de Engenharia Química
Relatório de Lab I
Tipologia: Provas
2012
1 / 22
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
Documentos relacionados
Pré-visualização parcial do texto
Baixe Capacidade Calorífica - Cp e outras Provas em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity!
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CAPACIDADE CALORÍFICA (Cp)
TOLEDO – PR
Agosto de 2012
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
ALAN ROBER TASCHIN
JANETE CHIMBIDA
PAULO EDUARDO SARTORI
SARAH MAYANE TEIXEIRA
CAPACIDADE CALORÍFICA (Cp)
TOLEDO-PR
Agosto de 2012
Relatório entregue como requisito parcial de avaliação da disciplina de Laboratório de Engenharia Química I do curso de Engenharia Química da Universidade Estadual do Oeste do Paraná – Campus Toledo.
Prof.: Jamal Abd Awadallak r o f. : J a m a l
ii
- INTRODUÇÃO ÍNDICE
- FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
- 2.1 Propriedades Termodinâmicas
- 2.2 Definição de Calor.....................................................................................
- 2.3 Aproximações para Líquidos e Sólidos
- 2.4 Calor e Capacidade Calorífica
- METODOLOGIA
- 3.1 Materiais
- 3.2 Métodos
- RESULTADOS E DISCUSSÕES
- CONCLUSÃO
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Calorímetro e termômetro digital. ........................................................ 8 Figura 2: Banho termostato. ............................................................................... 8 Figura 3: Balança. .............................................................................................. 8
v
NOMENCLATURA
MA0 Massa da água à temperatura ambiente Kg MA1 Massa da água à temperatura T 1 Kg MP1 Massa do corpo sólido Kg T 1 Temperatura quente °C T 0 Tempertura ambiente °C Teq Temperatura de equilíbrio °C Tf Temperatura da água fria °C Tq Temperatura do corpo sólido °C C Capacidade calorífica do calorímetro (Kcal/Kg.ºC) ΔC Erro da capacidade calorífica do calorímetro (Kcal/Kg.ºC) Cpq Capacidade calorífica do corpo sólido (Kcal/Kg.ºC) ΔC pq Erro da capacidade calorífica do corpo sólido (Kcal/Kg.ºC)
1
1. INTRODUÇÃO
A capacidade calorífica C mede o efeito da adição de calor sobre a temperatura do sistema. Em outros termos, é uma medição da energia térmica que precisamos adicionar ou retirar do sistema para modificar a sua temperatura. A prática tem por objetivo determinar a capacidade térmica de um calorímetro simples, além da determinação da capacidade calorífica de corpos sólidos e posteriormente compará-los com valores da literatura.
3
Em que, os índices P e V representam as variáveis fixadas durante a derivação. Valores para cV e cP podem ser obtidos por mecanismos estatísticos usando medidas espectroscópicas (SANTORO, 2007). Elas podem também ser determinadas macroscopicamente através de medidas exatas das propriedades termodinâmicas. As unidades de ambas as grandezas, no sistema internacional, são o J/(kg.K) ou J/(kmol.K), em base molar. Uma vez que na definição de cV e cP estão envolvidas somente propriedades termodinâmicas, cV e cP são também propriedades termodinâmicas de uma substância.
2.2 Definição de Calor
Se um bloco de cobre quente for colocado em um béquer de água fria, sabemos, empiricamente, que o bloco de cobre tende a se resfriar enquanto a água tende a se aquecer, até que o cobre e a água atinjam a mesma temperatura. Porém, cabe definir o que causa essa diminuição de temperatura do cobre e o aumento de temperatura da água. Dizemos que isto é resultado da transferência de energia do bloco de cobre à água. É dessa transferência de energia que chegamos a uma definição de calor. Calor é definido como sendo a forma de energia transferida, através da fronteira de um sistema a uma dada temperatura, a outro sistema (ou meio), numa temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre os dois sistemas. Isto é, o calor é transferido do sistema (ou corpo) de maior temperatura ao sistema (ou corpo) de temperatura menor e a transferência de calor ocorre unicamente devido à diferença de temperatura entre os dois sistemas. Outro aspecto dessa definição de calor é que um corpo ou sistema nunca contém calor. Ou melhor, o calor só pode ser identificado quando atravessa a fronteira. Assim, o calor é um fenômeno transitório.
4
Em se tratando de unidades, no sistema internacional o calor é expresso em joules (J). Porém, deve-se fazer uma análise dimensional do problema. Quando se deseja calcular fluxo de calor, geralmente a unidade utilizada é o watt (W), que equivale à 1J/s. Em termos intensivos, o calor geralmente é expresso em J/kg ou J/kmol. Porém, na prática, geralmente se usa a variável caloria (de símbolo cal). A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5 à 15,5 ºC. Através desta definição, percebe-se claramente que a capacidade calorífica da água entre 14,5 e 15, ºC é igual à 1 cal/(g.ºC). É importante notar que a capacidade calorífica varia com a temperatura, mas para pequenas variações pode ser tomada como constante.
2.3 Aproximações para Líquidos e Sólidos
Pode-se observar nas tabelas de propriedades saturadas e de líquido subresfriado para a água que o volume específico do líquido varia muito pouco com a pressão e que a energia interna varia principalmente com a temperatura. Este comportamento é exibido por qualquer substância na fase líquida ou sólida. Para simplificar avaliações envolvendo líquidos ou sólidos, freqüentemente se adota a hipótese, bastante razoável em termos de engenharia, que o volume específico do líquido é constante e a energia interna é função somente da temperatura. A substância assim idealizada é chamada de incompressível. Assim para uma substância na fase líquida ou sólida, que satisfaz o modelo de substância incompressível a energia interna varia somente com a temperatura, e, portanto, o calor específico a volume constante será função somente da temperatura. Logo, é possível reescrever a Equação (2) como uma diferencial ordinária tendo em vista que cV é função somente de uma variável, a temperatura.
6
2.4 Calor e Capacidade Calorífica
Consideremos um sistema isolado formado por dois corpos. Não pode haver transferência de calor com o exterior, mas pode haver trocas de calor entre os dois corpos que constituem o sistema. A capacidade calorífica C de uma substância é definida por:
Em que δQ é a quantidade de calor que o corpo recebe e dT é a variação de temperatura consequente. Se considerarmos que C não depende da temperatura obtemos:
A capacidade térmica de um corpo é então uma medida da capacidade que um corpo tem de absorver energia sem que aconteça uma grande variação da sua temperatura. Dois corpos com a mesma massa, mas feitos de material diferente têm variações diferentes de temperatura quando recebem a mesma quantidade de calor. Por outro lado, para a mesma substância dois corpos de massa diferente também terão capacidades caloríficas diferentes. O que tiver maior massa terá uma menor variação de temperatura para a mesma quantidade de calor absorvida. Podemos então concluir que a capacidade calorífica depende tanto da substância em causa como da massa da mesma. De fato, podemos eliminar a dependência na massa se dividirmos a capacidade calorífica pela massa m do corpo:
7
A quantidade obtida é chamada calor específico, c, e é somente dependente da substância e do estado da mesma (gás, líquido, etc). Portanto, a quantidade de calor necessária para elevar da temperatura T 1 à temperatura T 2 , m gramas de uma substância (líquido ou sólido) de capacidade calorífica constante c é:
Q = m.c.(T 2 -T 1 ) = C. ∆T (11)
Na qual C=m.c corresponde à capacidade térmica da amostra considerada. Por exemplo, num sistema formado por dois constituintes, A e B, a capacidade térmica seria:
C = mA .c A + mB.cB (12)
Equipamentos conhecidos como calorímetros são comumente empregados na determinação da capacidade calorífica. Uma forma de se obter a quantidade de calor adicionada ou retirada de um material consiste em avaliar a variação de temperatura de uma substância de referência (com capacidade calorífica conhecida) que está em contato com o material. Considere a seguinte situação: uma amostra de massa m 0 de uma substância de capacidade calorífica c 0 , aquecida à uma temperatura T 0 , é mergulhada dentro de uma massa mA de água, de capacidade calorífica cA, contida num recipiente de capacidade térmica C, à temperatura TA<T 0. Quando o sistema atinge o equilíbrio térmico, a temperatura tanto da água, quanto da substância e do calorímetro são TEQ. Considerando-se que as paredes sejam adiabáticas, isto é, não permitem trocas de calor com o exterior, a quantidade de calor “perdida” pela amostra é inteiramente cedida à água e ao recipiente, ou seja:
Q=m 0 .c 0 .(T 0 -TEQ) = (mA.cA+C).(TEQ-TA) (13)
9
3.2 Métodos
Na condução deste experimento foram utilizadas água da torneira, sendo medida sua temperatura e também o banho termostato mantido na temperatura de 84 oC. As peças foram pesadas e colocadas no banho. Seguindo os seguintes passos na determinação da capacidade calorífica do calorímetro ( :
- No calorímetro foram colocados certa quantidade de água da torneira ( ) a temperatura ambiente ( ). Anotando-se as medidas de ) e
na Tabela 1.
- Adicionou-se uma quantidade de água quente ( ) a mesma
temperatura do banho ( ). Anotando-se as medidas de ( ) e , na Tabela
Em seguida mediu-se a temperatura de equilíbrio ( ), dados na
Tabela 1.
- Repetiu-se os passos 1, 2 e 3 mais três vezes. A determinação da capacidade calorífica das peças ocorreu da seguinte forma:
- No calorímetro foram colocados certa quantidade de água da torneira ) a temperatura ambiente ( ). Tirando-se as medidas de ) e ,
os dados estão na Tabela 2.
- Colocou-se a peça 1 ( ) a mesma temperatura do banho ( ).
Tirando-se as medidas de ( ) e , os dados estão na Tabela 2.
- Em seguida mediu-se a temperatura de equilíbrio ( ), dados na
Tabela 2.
- Repetiu-se os passos 1, 2 e 3 para as três peças, realizando o experimento em duplicata.
10
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os calorímetros são normalmente empregados na determinação experimental da capacidade calorífica. Para se obter a quantidade de calor adicionada ou retirada num material deve-se em avaliar a variação de temperatura de uma substância de referência que está em contato com o material (com Cp conhecido). Primeiramente tem-se uma amostra de uma massa MA1 de água, que de acordo com a literatura possui capacidade calorífica Cp de 1 kcal/kg.°C, para qualquer temperatura. Esta massa foi aquecida à T 1. Ao ser misturada com uma massa MA0 de água que estava em uma temperatura T 0. A temperatura do sistema encontrou um equilíbrio à Teq. Estes dados experimentais encontram-se na Tabela 1, juntamente com suas respectivas médias. Tabela 1. Dados experimentais para a determinação da capacidade calorífica do calorímetro.
Experimento MA1(Kg)^ MA0(Kg) T 1 (ºC) T 0 (ºC) Teq (ºC)
1 0,236 0,198 23,2 84,2 48, 2 0,232 0,160 24,8 82,7 45, 3 0,296 0,172 24,8 83,6 45, 4 0,256 0,224 25,0 84,0 47, Médias 0,255 0,189 24,5 83,6 46, Com os dados obtidos, foi possível calcular a capacidade térmica (C) do calorímetro utilizado (uma garrafa térmica), considerando ele adiabático, através da Equação X2, que foi obtida da Equação X1, apenas isolando o C. M (^) A 1. cpq .( T 1 Teq )( MA 0. cpf C ).( Teq T 0 ) Equação x (^1) ( (^10) ) 0
A (^) Teqpq T eq M A C M c T T Equação x
As capacidades caloríficas utilizadas nesses cálculos (Cpq e Cpf) são as da água, que como citada anteriormente não variam com a temperatura. Os dados obtidos estão expostos na Tabela 2.
12
Tabela 5: Dados experimentais para a determinação da capacidade calorífica da lâmina de aço. Experimento MP3(Kg)^ MA0 (Kg) Tq3 (ºC) Tf3 (ºC) Teq3 (ºC) 1 0,232 0,660 24,3 84,3 28, 2 0,232 0,630 24,4 83,6 27, Média 0,232 0,645 24,4 84,0 27,
Com estes dados e com a capacidade calorífica do calorímetro utilizado, foi possível calcular a capacidade calorífica do corpo sólido utilizado, através da Equação X3. Na Tabela 6, se encontram os valores calculados para as 3 peças.
.( )
1
0 P q eq pq A pf eq f M T T c M c C T T Equação X
Tabela 6. Valores calculados para a capacidade calorífica dos corpos sólidos. Peça 1 (Fe Fundido) Peça 2 (Latão) Peça 3 (Aço) Experimento Cpq1(Kcal/Kg.ºC) Cpq2(Kcal/Kg.ºC) Cpq3(Kcal/Kg.ºC) 1 0,1846 0,2334 0, 2 0,1938 0,2139 0, Média 0 ,1892 0,2236 0, Com estes dados, foi feita uma média e obteve-se o valor para a capacidade calorífica dos corpos sólidos usados no experimento: Cpq1 = 0,1892 (Kcal/Kg.ºC) Cpq2 = 0,2236 (Kcal/Kg.ºC) Cpq3 = 0,2338 (Kcal/Kg.ºC) Na literatura encontrou-se valores de calor especifico tabelados, conforme demonstra a Tabela 7, considerando temperatura de 20°C e pressão de 1 atm.
13
Tabela 7: Calor especifico da literatura para várias substâncias.
Fonte: KOSHKIN N. I., SHIRKÉVICH M. G..,
Para o latão, encontrou-se C=0,090 Kcal/Kg.ºC (Aalborg Industries). Como se tratam de sólidos, analisando os valores encontrados de calor especifico dos sólidos juntamente com a Tabela 3, vê-se que não foram encontrados valores semelhantes na literatura. Analisando que foram feitas diversas aproximações para facilitar o experimento pratico há vários erros envolvidos no processo, uma vez que o volume de água utilizado no calorímetro não foi medido com precisão e que a temperatura tem grande influencia sobre a capacidade calorífica, pequenas variações da temperatura já seriam suficientes para alterar os valores de capacidade calorífica encontrados no experimento.
Substância Calor específico (kJ/kg·K)
Calor específico (Kcal/Kg.°C) Aço 0,460 0, Alumínio 0,880 0, Cobre 0,390 0, Estanho 0,230 0, Ferro 0,450 0, Mercúrio 0,138 0, Ouro 0,130 0, Prata 0,235 0, Chumbo 0,130 0, Sódio 1,300 0,