DILATAÇÃO TÉRMICA E CALORIMETRIA

DILATAÇÃO TÉRMICA E CALORIMETRIA

RESUMO: Com a finalidade de ratificar as teorias apresentadas na disciplina de Física II, conceitos acerca da dilatação térmica e da calorimetria foram estudados, abrangendo concepções de calor específico e capacidade térmica. Mediante explicação de como seriam realizadas as experiências, os dados obtidos foram disponibilizados na forma de tabelas, com os respectivos erros percentuais em relação aos valores tabelados. O experimento também busca verificar se o grau de agitação das moléculas de um material tem relação com a dilatação, confrontando se a teoria de que, quanto maior o coeficiente, maior a capacidade de dilatação do corpo, pode ser observada na prática. Em análise à calorimetria, dividiu-se o experimento em duas partes, e em ambas utilizou-se do princípio das trocas de calor, para alcançar os calores específicos dos materiais, e o calor de fusão do gelo.

1. INTRODUÇÃO

Este artigo tem como objetivo apresentar os experimentos realizados no Laboratório de Física da Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR) no ano de 2015, no curso de Engenharia Química como forma parcial de avaliação referente a 2° parcial da disciplina de Física Experimental II. O objetivo principal dos experimentos realizados é para comprovar e colocar em prática a teoria ministrada na disciplina de Física II.

Nas aulas práticas, os grupos realizaram experimentos de acordo com instruções e roteiros concedidos pela professora. A prática inicial foi a respeito da dilatação térmica, enquanto que a segunda foi sobre calorimetria.

Os temas submetidos têm plena relevância nas áreas de Engenharia Química, Engenharia Ambiental e Engenharia Eletrônica. Na engenharia química há uma relação intrínseca à Termoquímica, na qual se estuda a transferência de calor ocorrida nos processos químicos. Além do mais, reações podem não apenas liberar ou consumir calor, como gerar ou absorver luz e eletricidade, ou seja, energia. Na engenharia ambiental os temas vistos têm relação com calor de dissolução, em que se reconhecem se certas modificações nos estados físicos de um sistema são capazes de gerar uma variação de temperatura através da absorção ou liberação de energia. Já para a engenharia eletrônica, um problema recorrente é o funcionamento ineficiente de circuitos elétricos por causa de componentes que provocam excesso de calor. Dessa forma, é necessário o uso de dissipadores de calor.

Assim sendo, fica evidente a necessidade de se possuir o conhecimento a respeito da dilatação térmica e trocas de calor, a fim de se evitar possíveis erros em suas áreas de atuação, que podem ser gerados, como exemplo, por excesso ou falta de calor.

O artigo será distribuído em partes, sendo a parte inicial sobre dilatação térmica, para que se determine o coeficiente dos materiais, e a posterior acerca da calorimetria, em que se busca encontrar o calor específico dos corpos de prova e o calor de fusão do gelo.

1. DILATAÇÃO TÉRMICA

Ao se analisar a dilatação térmica, percebe-se que, ao aumentar a temperatura em uma barra, seu tamanho é aumentado. Isso decorre do fato de que o tamanho dos objetos está sujeito à forma como os átomos estão distribuídos. A frequência com que os átomos vibram altera-se conforme o valor da temperatura. A variação de comprimento pode ser quantificada conforme a seguinte equação:

[pic 1]           

Na qual, ΔL representa a variação de comprimento do objeto, Lo, o comprimento inicial do objeto, α, o coeficiente de dilatação do objeto e θ, a variação da temperatura.

O coeficiente de dilatação () segue à natureza a que o objeto pertence. Por uma relação de praticidade, considera-o constante, mesmo sabendo que, para temperaturas diferentes, mudanças quase que insignificantes sejam observadas. [pic 2]

1.  CALORIMETRIA

Considera-se calor como a energia deslocada entre o sistema e o ambiente devido à diferença de temperatura entre ambos. Pode-se dizer que, ao diminuir a temperatura, um corpo perde calor, sendo válido também o inverso.

Com essas mudanças, tanto em sólidos como em líquidos, ao ver que não passa por mudança física, pode seguir a seguinte equação:

[pic 3]       

em que, Q é a quantidade de calor no objeto, C é a capacidade térmica e θ é a temperatura, sendo a final menos a inicial. A capacidade pode ser determinada conforme a equação:

[pic 4]       

Em que C é a capacidade térmica do material, c é o calor especifico e m é a massa. O calor específico não depende da massa do material, seguindo a natureza. Relacionando a equação da quantidade de calor e a capacidade térmica, obtém-se a equação do calor sensível:

[pic 5]       

        Ao ocorrer mudança de estado físico, utilizam-se os conceitos do calor latente. Nesse caso, a quantidade de calor se dá através da equação:

[pic 6]       

Na qual, Q é a quantidade de calor, m é a massa do objeto e L é o calor latente, dependente da natureza do objeto.        

        Existem três propriedades substanciais para a melhor compreensão da calorimetria. Uma delas é o princípio de transformações inversas, em que a quantidade de calor absorvido por um corpo em uma mudança é, em módulo, análogo à quantidade de calor cedida na mudança inversa. Outra,é o princípio do equilíbrio térmico, em que corpos com diferentes temperaturas conseguem trocar calor e, diante disso, obtém a mesma temperatura um tempo depois, atingindo então, o equilíbrio térmico.

        Também há o princípio da igualdade de trocas de calor, que, em um sistema isolado, o valor do calor cedido pelos corpos é a mesma do calor recebida pelos demais corpos. Esse princípio é equacionado da seguinte maneira:

[pic 7]       

        

        Ressaltando que a equação vista acima é válida apenas para sistemas isolados.

2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

2.1. DILATAÇÃO TÉRMICA

Materiais

• Base para medição;
• Ebulidor com tampão e mangueira;
• Relógio comparador;
• Termômetro;
• Trena;
• Tubo de ferro, alumínio e cobre;

Erro dos equipamentos

• Balança  - 0,01 g;
• Relógio comparador - 0,005 mm;
• Trena - 0,02 m;

Método

        O nível de água no reservatório foi completo e tampado, ajustando a máxima potência do ebulidor para conseguir gerar um fluxo de vapor pela mangueira que estava dentro do material. O comprimento inicial foi medido e anotado fazendo-se uso da trena.