Calorimetria

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

TERMODINÂMICA EXPERIMENTAL

DR. CARLSON P. DE SOUZA

“Determinação do Poder Calorífico”

Natal – RN

Abril de 2008

“Determinação do Poder Calorífico”

Relatório referente à segunda prática realizada no laboratório da disciplina DEQ-310.

Natal – RN

Abril de 2008

INTRODUÇÃO

A calorimetria estuda, essencialmente, o fenômeno de transferência de energia, na forma de calor, de um corpo a outro, de todas as maneiras possíveis. Ocupa-se, ainda, do efeito que essa transferência provoca no estado de um corpo: sua fusão, seu endurecimento, sua evaporação e outros fenômenos decorrentes da perda ou aquisição de calor, também identificado como energia térmica. Essa energia está associada à vibração, mais ou menos intensa, das partículas que constituem o corpo, sejam moléculas, átomos ou elétrons. A calorimetria é a base para o estudo da termodinâmica, que estuda as relações entre energia térmica e energia mecânica, como também a transferência de calor, uma das operações mais comuns na indústria química.

O calor (Q) é a forma de transferir energia térmica entre dois corpos que se vale da diferença de temperaturas existente entre eles. Não é correto afirmar que um corpo tem mais calor que outro; o calor é uma forma de transferir energia de um sistema para outro, sem transporte de massa, e que não corresponde à execução de um trabalho mecânico.

Todo corpo tem uma certa quantidade de energia interna que está relacionada ao movimento aleatório de seus átomos ou moléculas e às forças interativas entre essas partículas. A quantidade de energia transferida enquanto houver diferença de temperatura é a quantidade Q de calor trocado, se o sistema se encontrar isolado de outras formas de transferência de energia.

Termodinamicamente falando, calor e trabalho não são funções de estado (ou seja, não dependem apenas da diferença entre o estado inicial e o estado final do processo), mas dependem do caminho, no espaço de estados, que descreve o sistema em uma evolução quase-estática ou reversível (no sentido termodinâmico) de um estado inicial A até um estado final B. Dessa forma é possível determinar a quantidade de energia que é transferida em um processo. As mudanças da energia interna (U) que acontecem em todo o processo físico ou químico relacionam-se a Q e a W pela primeira lei da Termodinâmica:

U = Q + W

O calor de combustão é a variação de entalpia (quantidade de calor liberada) pela queima de um mol de substância. A cada uma das reações elementares de combustão completa está associada uma quantidade de calor liberada característica, denominada calor de reação.Em geral costuma-se determinar, experimentalmente, a quantidade de calor liberada por uma amostra, mediante a realização de ensaio em laboratório, sob condições padronizadas.

TEORIA

Capacidade térmica ou capacidade calorífica é a grandeza física que determina a variação térmica de um corpo ao receber determinada quantidade de calor. O valor da capacidade térmica é correspondente à quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do corpo em uma unidade de variação de temperatura.

Q =C.T

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 substância possuem capacidades térmicas diferentes.

A grandeza que caracteriza uma substância é o calor específico, definido como a a quantidade de calor necessária para aquecer de 1°C uma unidade de massa dessa substância, a uma dada temperatura. Assim, cada substância tem o seu calor específico, diferentes blocos de uma substância têm o mesmo calor específico, pois são de mesma substância.

c = C/m

A quantidade de calor sensível recebida ou cedida por um corpo, em função da variação de temperatura, pode ser expressa da seguinte forma:

Q = mcT

Se vários corpos, no interior de um recipiente isolado termicamente, trocam calor, os de maior temperatura cedem calor aos de menor temperatura, até que estabeleça o equilíbrio térmico.

A soma algébrica dos calores trocados (recebidos e cedidos) é igual a zero:

Q1 + Q2 + Q3 +...+ Qn = 0

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O calor de combustão de uma substância é determinado utilizando-se uma bomba calorimétrica. Neste aparelho a combustão ocorre a volume constante (W = 0), de modo que a quantidade de calor, Q, recebida pelo conjunto que forma o calorímetro é igual em módulo à variação de energia interna do sistema reacional.

O material usado consiste em um calorímetro de bomba completo com um sistema de ignição, prensa para pastilhas, bomba de oxigênio com regulador de pressão, pastilhas de ácido benzóico e de pó de madeira, e um fio condutor fino de níquel-cromo.

A Figura abaixo mostra as partes do conjunto do calorímetro, incluindo a bomba calorimétrica (E) e o termômetro diferencial (F). O calorímetro usado neste experimento é equipado com um agitador elétrico (A), que é conectado a uma fonte (B) que faz a ignição da pastilha no interior da bomba. O recipiente maior (C) garante um certo isolamento térmico da bomba e do recipiente com água (D).

A Figura seguinte mostra o conjunto do calorímetro montado. O fio de ignição é ligado ao contato elétrico da bomba calorimétrica, o agitador está fixado ao calorímetro e conectado á fonte, a bomba calorimétrica está imersa em água no recipiente próprio dentro do calorímetro, o termômetro está preso ao suporte e a tampa fechada.

A última figura mostra, da esquerda para a direita, a montagem da bomba calorimétrica. Primeiro a pastilha