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Calor latente
Eduardo B. M. Da silva, Iago B. Vettorazzi, Ingrid C. Moreira e Mariana R. M. Henriques
Física II – Engenharia de Alimentos – CCENS Universidade Federal do Espírito Santo – UFES 2019/2 - Alegre-ES
Resumo. A presente prática teve como objetivo descobrir por meio de fórmulas, experimentos e com base nos princípios da termodinâmica o valor de potência da fonte térmica, de (16±3)cal/, que foi utilizado para determinar o calor latente de vaporização, de (240±12)cal/g. Além disso determinou- se o calor latente de fusão, de (96±6)cal/g, a partir da teoria de que o somatório das quantidades de calor deve ser igual a zero em um estado de equilíbrio térmico. Devido à erros, os resultados obtidos se diferem dos tabelados.
Palavras chave: Calorímetro, calor sensível, calor latente.
1. Introdução
Quando dois ou mais corpos, que estão em temperaturas diferentes, são colocados em contato, ocorrem trocas de calor entre eles, até ser atingido o equilíbrio térmico. Quando um corpo troca calor normalmente tem sua temperatura variada. No entanto, quando ele atinge uma temperatura de transição de fase ele troca calor sem ter sua temperatura alterada. Como demonstra abaixo:
Gráfico 1 : Mudanças de estado
Por conseguinte, define-se calor sensível como calor que ao ser recebido ou cedido por um corpo, provoca variação de temperatura. Já o calor latente é a ocorrência da mudança de estado físico quando a energia é absorvida ou
liberada sob forma de calor por um sólido ou um líquido, sem variar a temperatura. Desse modo, o calor latente mede a quantidade de calor por unidade de massa necessário para haver a transição de fase. [1]. Obtido através da equação 1 a seguir:
𝑄 = 𝐿 × 𝑚 (1.1)
Q → Quantidade de calor L → Calor de transformação m → massa
Em um experimento que envolve o calorímetro, água e gelo, quando há mudança de fase da liquida para gasosa é chamado de calor de vaporização. Ao utilizar uma fonte térmica para essa transformação, tem como base a potência do mesmo, dado por:
𝑄 𝑡 (1.2)
P → Potência Q → Quantidade de calor t → Tempo
Assim, ao combinar e manipular a equação 1.1 e 1.2 é possível calcular o calor latente de vaporização, fornecido por:
𝑃×𝑡 𝑚 (1.3)
Já para a mudança de fase da sólida para a liquida o calor de transformação é chamado de calor de fusão, onde envolve a quantidade calor de todos os elementos envolvidos no processo, como mostra a formula abaixo:
𝑄𝑐 + 𝑄𝑎 + 𝑄𝐿 + 𝑄𝑆 = 0 (1.4)
2. Procedimento Experimental
Para a realização da série 1 deste experimento, mediu-se inicialmente 100 mL de água fria com auxílio de uma proveta de 250mL e transferiu-a para um béquer onde, por meio de um termômetro, verificou-se a temperatura inicial do conjunto. Calculou-se a massa da água, por meio do produto do seu volume pela densidade, fornecida no roteiro. Os valores obtidos nessa etapa constam na tabela 1. O béquer contendo a água foi levado para o aquecimento em uma fonte térmica com tela de amianto (fig. 1).
Figura 1: Fonte térmica.
Simultaneamente acionou-se um cronômetro e a cada variação de 3°C na temperatura registrou-se o tempo correspondente na tabela 2, com suas respectivas incertezas. Para este passo realizou-se 20 medições.
Após esta etapa, aguardou-se até que a água alcançasse sua temperatura de ebulição e cronometrou-se 5 minutos. Ao atingir o tempo marcado, desligou-se a fonte térmica e o béquer foi cuidadosamente posicionado sobre uma flanela, e então averiguou-se sua temperatura até que esta chegasse aos 60°C. Com isso, colocou-se a água novamente na proveta para verificar seu volume final e, juntamente com o valor de sua densidade, calculou-se a massa da água que evaporou no decorrer desses 5 minutos. Os resultados e suas incertezas encontram-se na tabela 3. Para preencher a tabela 4, foi feita a variação do tempo e da temperatura encontrados na tabela 3, reduzindo-se assim os valores trabalhados pela metade. Utilizando a variação da temperatura, a massa e adotando o calor específico da água como c = 1,0 cal/g°C, calculou-se o calor (Q) para cada uma das 10 medições, sempre associando os valores às suas incertezas. Posteriormente, utilizando os valores encontrados para Q e a variação do tempo, descobriu-se a potência (Eq. 1.2) de cada uma das medidas e então foi feita uma média com esses valores, juntamente com a média do desvio padrão. Por fim foi feito um gráfico do calor em função da variação do tempo para representar a potência. Para a série 2 , primeiramente determinou-se o valor do calor latente (Eq 1.3) de vaporização da água, considerando suas incertezas, para preencher a tabela 5. Com a finalidade de completar a tabela 6, a princípio adicionou-se 100 mL de água na proveta, calculando sua massa inicial, e em seguida colocou-a no calorímetro. Mediu-se a temperatura inicial do conjunto, e então pôs-se 2 cubos de gelo no calorímetro, que foi rapidamente tampado. A partir de então monitorou-se a temperatura a cada um minuto até que esta atingisse o equilíbrio. Assim, despejou-se o líquido na proveta afim de verificar o volume e, a partir deste, a massa final da água. Por fim, depois da obtenção desses dados, determinou-se o calor latente de fusão do gelo e sua incerteza, a partir da
Tabela 3: Volume final e massa da água evaporada. (𝑽𝒇 ± 𝝈𝑽𝒇)𝒄𝒎𝟑^ (𝑴𝒗 ±^ 𝝈𝑴𝒗)𝒈 80 ± 1 20 ± 1
Já na Tabela 4, os valores das 20 medições de tempo em relação à variação de temperatura foram colocados de forma comparativa, sendo possível observar a variação de tempo para cada medição, por exemplo, da primeira em relação à segunda houve uma variação de (32 ± 1) segundos, e também sendo possível observar a variação de temperatura, que nesse caso foi de (276, ± 0,5) K em todas as etapas. Dessa forma, considerando o calor específico fornecido no roteiro, foi possível calcular a quantidade de calor recebida em cada etapa, que foi de (1255 ± 70) J em todas as etapas, para assim calcular a potência da fonte térmica em cada etapa e posteriormente sua média, que foi de (66 ±
- W.
Tabela 4: Valores da Variação do tempo e temperatura, quantidade de calor e potência. N (∆𝒕𝒊)𝒔 (∆𝑻𝒊)℃ (𝑸𝒊)𝒄𝒂𝒍 (𝑷𝒊)𝒄𝒂𝒍 /𝒔 1 32 3 300 9, 2^22 3 300 13, 3 15 3 300 20 4 17 3 300 17, 5^19 3 300 15, 6 17 3 300 17, 7 15 3 300 20 8 17 3 300 17, 9 20 3 300 15 10 23 3 300 13, 〈𝑴〉 - - - (^) 15,98 ± 3, 32
Essa média foi o valor utilizado para obter a quantidade de calor utilizada para a evaporação da água e esse calor foi utilizado para calcular o calor latente de vaporização da mesma. O resultado encontrado foi de (1005 ± 50)x10^3 J/kg, apresentado na Tabela 5. Usar essa média não leva a valores muito precisos, já que se trata de uma aproximação de todos os
valores encontrados em cada medição. Com isso, é possível que haja erro no valor final encontrado para o calor latente. Vale notar que também pode haver erros provenientes de cálculos realizados pelos estudantes.
Tabela 5: Calor latente de vaporização (𝑳𝒗 ± 𝝈𝑳𝒗)𝒄𝒂𝒍/𝒈 240 ± 12
A figura 2 mostra um gráfico com uma reta paralela ao eixo do tempo, dessa forma, é possível observar que o coeficiente angular do gráfico é nulo, ou seja, trata-se de um valor constante de calor fornecido para a água durante todo o tempo do experimento. Vale notar que, apesar de a quantidade de calor fornecida ser constante, o tempo em relação à variação de temperatura da água não é constante.
Figura 2: Gráfico da potência.
Para a construção da tabela 6 foi transferido para um calorímetro (100 ± 1)x10-3^ kg de água e mediu-se a temperatura do conjunto com um termômetro, chegando ao valor de (298,0 ± 0,5) K. Após isto foram adicionados dois cubos de gelo ao calorímetro e foram efetuadas medidas de minuto a minuto da temperatura, até que o gelo derretesse e o material entrasse em equilíbrio térmico. Nessa etapa, erros advindos de imperfeições no calorímetro podem influenciar nos resultados, assim como o valor de sua capacidade térmica, calculada em experimento anterior. Ao final do processo foi medido o
volume final do material em uma proveta. O valor encontrado foi de (130 ± 1)x10- m^3 , e assim foi possível calcular sua massa, igual a (130 ± 1)x10-3^ kg. Com esses resultados foi possível calcular, através da (Eq 1.4), o calor latente de fusão da água, chegando ao resultado de (402 ± 25)x10^3 J/kg. Os valores encontrados para os
calores latentes de fusão e de vaporização da água não estão de acordo com os presentes na literatura, isso pode ter ocorrido devido a erros e falhas previamente citados, tanto de equipamentos, quanto dos estudantes, assim como condições laboratoriais e resultados de práticas anteriores.
Tabela 6: Massas, temperaturas, volume e calor latente de fusão. (𝑴𝒊 ± 𝝈𝑴𝒊)𝒈
(𝑻𝒊 ± 𝝈𝑻𝒊)℃
(𝑻𝑬 ± 𝝈𝑻𝑬)℃
(𝑽𝒇 ± 𝝈𝑽𝒇)𝒄𝒎𝟑
(𝑴𝑭 ± 𝝈𝑴𝑭)𝒈
(𝑳𝑭 ± 𝝈𝑳𝑭)𝒄𝒂𝒍 /𝒈 100 ± 1 25 ±0,5 2 ±0,5 130 ± 1 130 ± 1 95,67±5,
4. Conclusão
Após a realização dos procedimentos experimentais, juntamente com a manipulação das fórmulas estudadas em aula teórica, foi possível determinar a potência média da fonte térmica, que foi de 16±3 cal/s, e a partir desta, descobrir o valor de calor latente de vaporização, 240± cal/g. Também foi determinado o calor latente de fusão da água, de 96±6 cal/g. Tais valores não foram compatíveis com os valores tabelados de calor latente, provavelmente devido à erros cometidos no decorrer do experimento.
5. Referências
[1] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física: Gravitação, ondas e termodinâmica. ed. 7. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2006. Vol 2
