Calorimetria

1.Introdução

A calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre dois sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor, forma de energia que está associada a sua transferência ou transporte. Os primeiros estudos a respeito do calor falavam a respeito de uma substância que passava de uma massa mais fria para uma outra mais quente, porém , com o avanço da física e da ciência concluiu-se que na verdade o calor e o trabalho eram formas de energia que não estavam associados a massa em si, como a energia potencial e a energia cinética, e só era possível medi-la quando em fluxo de um sistema mais quente para um sistema mais frio, por isso é correto falar que um corpo recebeu calor e errôneo falar que o mesmo possui calor. É comum que os alunos confundam temperatura com calor, temperatura é a medição da quantidade de calor, ou melhor, da agitação molecular correspondente a uma substância em observação , é medida em Kelvin no SI.

Há duas definições importantes em calorimetria fora a de calor, e é de total relevância explicá-las:

Capacidade Térmica (C) : É uma propriedade extensiva que representa a capacidade de um corpo em mudar a sua temperatura ao realizar uma troca de calor, matematicamente é representado por:

C=Q/∆T

onde Q é o calor trocado e delta T é a variação da temperatura correspondente. Geralmente é representada nas unidades cal/℃.

Calor Específico (c) : É a capacidade específica de uma substância em mudar a sua temperatura ao receber ou liberar calor para cada unidade de massa, é dada matematicamente por :

A unidade mais comumente utilizada para calor específico é o cal/(g℃) , no SI usa-se o J/K.kg

Além da capacidade térmica e do calor específico , há algumas fórmulas importantes em calorimetria, elas estão relacionadas a dois tipos de calores trocados, o calor sensível e o calor latente.

Calor Sensível

O calor sensível é a energia trocada entre dois corpos quando não há mudança de fase em algum deles, ou seja, está limitado a variação de temperatura do sistema, é dado por:

onde m representa a massa, c o calor específico e ∆T a variação da temperatura. A unidade resultante geralmente utilizada para o calor sensível é a Caloria.

Calor Latente

É o calor resultante quando ocorre mudança de fase , é dado por :

onde m é a massa da substância e L é o calor latente de mudança de fase.

Quando dois corpos de temperatura diferentes entram em contato, eles tendem a um equilíbrio térmico , que acontece quando calor é cedido pelo corpo mais quente ( de maior temperatura) para o corpo mais frio ( de temperatura inferior) até que a temperatura do sistema pare de variar e se torne constante. A soma total entre os módulos das quantidades de calor cedidas e recebidas em uma troca térmica é numericamente igual a zero.

2 . Objetivos

Determinar a quantidade de calor 'Q' recebida por um calorímetro quando nele são adicionados 100 ml de água a temperatura ambiente e 100 ml de água à temperatura 10℃ e 20 ℃ superior, respectivamente, até que se estabeleça o equilíbrio térmico. E assim obter a massa equivalente de água necessária para receber o mesmo calor 'Q'.

3. Parte Experimental

Materiais utilizados:

Dewar de 380mL

2 provetas de 100mL

1 Béquer de 500mL

Chapa aquecedora

Termômetro de Mercúrio

Termômetro de Espeto (Digital)

Água da torneira

Procedimento Experimental

Parte I : Em uma proveta, colocou-se exatos 100mL de água da torneira à temperatura ambiente, em seguida transferiu-se o volume para um Dewar (Calorímetro). Com um termômetro digital foram medidas as temperaturas

desde a transferência até o equilíbrio térmico (calorímetro-água) em intervalos de 20 segundos, por um período de 10 minutos , repetiu-se processo mais 2 vezes e anotou-se os resultados obtidos [tabela 1, pág.7].

Parte II : A segunda parte foi bastante similar com a primeira, novamente colocou-se 100mL de água a temperatura ambiente (água fria) numa proveta e logo em seguida foi transferida para o calorímetro. Ao se estabelecer o equilíbrio térmico com a água fria, a temperatura obtida no Dewar foi de 25,4 ℃ [etapa 1], ao passo que cerca de 1L de água (água quente) foi posta para aquecer até a temperatura de 35,3℃ [etapa 2].

Quando 100mL da água quente foi adicionada ao Dewar em equilíbrio [à 25,4℃] foi medida novamente a temperatura em intervalos de 20 segundos,anotando-se os resultados [presentes na tabela da figura 1, pág.7], pelos mesmos 10 minutos. Repetiu-se o processo mais 2 vezes e as temperaturas para etapa 1 obtidas foram 24,9℃ e 25,7℃ respectivamente, já para a etapa 2, foram 35℃ e 35,8℃ , respectivamente.

Parte III: A parte 3 foi análoga à segunda, excetuando-se pela temperatura de equilíbrio térmico no Dewar somente com a água fria [etapa 1], que foram de 25,2℃ e 25,4℃ para as duas medidas feitas, e pela adição de água quente à temperatura de 45℃, para ambas as medidas.

4.Resultados e Discussão

Para a parte I do experimento não foi possível obter o equivalente em massa de água (m) para o calor recebido pelo calorímetro, pois o mesmo não trocou calor em virtude de a temperatura final de equilíbrio da água fria junto à do calorímetro ser numericamente igual à temperatura inicial de ambos, ou seja, a temperatura ambiente [teq = ti]. Formulando, obtemos a seguinte relação :

C.( teq-ti )= m.c.∆T

C.0 = m.c.∆T= Q= 0

sendo C a capacidade calorífica do Dewar, teq a temperatura de equilíbrio, m a massa de água, c seu calor específico e ∆T a variação de temperatura sofrida