Universidade Federal do Ceará

Centro de Tecnologia

Prática 09

Capacidade Térmica e Calor Específico

Sumário

1. Objetivo ------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

2. Introdução ---------------------------------------------------------------------------------------------- 4

3. Material Utilizado ------------------------------------------------------------------------------------- 6

4. Pré – Laboratório ------------------------------------------------------------------------------------- 7

5. Procedimento ------------------------------------------------------------------------------------------ 9

6. Resultados -------------------------------------------------------------------------------------------- 10

7. Questionário ------------------------------------------------------------------------------------------ 11

8. Conclusão --------------------------------------------------------------------------------------------- 12

Referências

1. Objetivo

Determinar a capacidade térmica de um calorímetro e o calor específico de sólidos.

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2. Introdução

Capacidade Térmica

A capacidade Térmica pode ser definida como a quantidade de calor que um corpo precisa para que a sua temperatura varie uma unidade. A unidade usual é cal/°C, que indica quantas calorias são necessárias para variar uma unidade

de temperatura em Celsius.

Calor Específico

Calor é a energia térmica em trânsito, isto é, em movimento. As quantidades de calor trocadas entre corpos são proporcionais a suas massas e a variação de

temperatura, sendo equacionado por:

Q = m x c x ΔT

Onde m = massa do corpo

c = calor específico

ΔT = variação de temperatura

Isolando c na equação, temos:

c = Q/m x ΔT

O calor específico indica a quantidade de calor que um corpo precisa receber para 1g da substância aumentar em 1°C a sua temperatura. Essa medida é

inerente ao material, exibindo a facilidade ou dificuldade que o material possui para alterar sua temperatura. Quanto maior o calor específico, mais calor será

necessário para alterar a temperatura da amostra.

Exemplos de calores específicos de algumas substâncias:

Latão = 0,092 cal/gºC Prata = 0,056 cal/gºC Água = 1,0 cal/g°C

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É possível observar que o calor específico da água é bem elevado quando comparado a outras substâncias. Essa característica da água permite, por

exemplo, que o mar não sofra um rápido aquecimento, devido à necessidade de muito calor para variar a temperatura da água. Durante a noite o processo de perda de calor também é mais lento, o que mantém a água morna durante

bastante tempo.

Calorímetro

Calorímetro é um sistema onde ocorrerão trocas de calor de forma isolada. O calorímetro busca o isolamento térmico do meio externo, utilizando para isto materiais isolantes e uma fina camada metálica em seu interior. Existe ainda

um pequeno orifício para o encaixe do termômetro para o controle da temperatura do sistema.

Esquema de um Calorímetro

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3. Material Utilizado

Calorímetro

Água

Amostras de Ferro, Alumínio e Cobre

Balança digital

Termômetros (um digital e um analógico)

Béquer de 250 ml

Proveta graduada de 100 ml

Fogareiro elétrico

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4. Pré Laboratório

Um calorímetro contém 50 ml de água a temperatura ambiente, 25° C. Adiciona-se 50 ml de água a 35° C ao calorímetro. Após alguns minutos a

temperatura estabiliza-se em 29° C. Determine:

a) A capacidade térmica do calorímetro.

Sabendo que C = (m x c0 x (T - te) – m’ x c0 x (te – t0))/ (te – t0), onde:

m = massa de água quente = 50 g

m’ = massa de água fria = 50 g

c0 = calor específico da água = 1cal/ g°C

T = temperatura da água quente = 35° C

t0 =temperatura da água fria = 25° C

te = temperatura final de equilíbrio = 29° C

C = capacidade calorífica do calorímetro

Substituindo na equação, temos:

C = (50gx1(35 - 29) – 50x1(29 – 25))/ (29 – 25) = 25 cal/°C

b) A quantidade de calor absorvida pelo calorímetro.

Sabendo que Calor cedido pelo corpo aquecido = calor ganho pela água e pelo calorímetro, podemos encontrar a seguinte expressão:

M x c x (T - te) = m’ x c0 x te – mo x co x to

Onde:m’ = massa de água no calorímetro

m0 = massa equivalente em água, do calorímetroM = massa da substância em teste

c0 = calor específico da águat0 = temperatura da água fria

te = temperatura final de equilíbrioT = temperatura inicial da substância em teste

c = calor específico da substância em teste

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Logo:mo x co x to = m’ x c0 x te - M x c x (T - te)

sendo mo x co x to = Calor ganho pelo calorímetro, então:Calor Calorímetro = m’ x c0 x (te- t0) - M x c x (T - te)

Calor Calorímetro = 50 x 1 x (29 – 25) – 50 x 1 x (35-29)Calor Calorímetro = - 100 cal

Logo, o calor absorvido pelo calorímetro foi 100 cal.

c) A quantidade de calor absorvida pela água existente previamente no calorímetro.

Qsubs = Qágua - Qcalorimetro

Qágua = Qcalorimetro + Qsubs

Qágua = -100 + m x c x ΔT

Qágua = -100 + 50 x 1 x (35 – 29)

Qágua = -100 + 300

Qágua = 200 cal

d) A quantidade de calor cedida pela água quente (35°C) adicionada ao calorímetro.

Como Qsubs = Qágua - Qcalorimetro

Qsubs = 200 – (-100)

Qsubs = 300 cal

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5. Procedimento

Procedimento 1 : Determinação do equivalente em água do Calorímetro

1.1- Colocou-se uma massa m’ = 80 g de água no calorímetro a temperatura ambiente. Para isso mediu-se numa proveta 80 ml de água e colocou-se

no calorímetro. A temperatura t0 da água fria anotada na Tabela 9.1.1.2- Mediu-se 100 ml de água e colocou-se em um béquer para sofrer

aquecimento até aproximadamente 60° C. A temperatura T exata da água aquecida foi anotada na Tabela 9.1.

1.3- Colocou-se a água aquecida no calorímetro contendo 80 g de água a temperatura ambiente.

1.4- A água do calorímetro foi agitada para homogeneizar a mistura.1.5- Após o equilíbrio térmico, a temperatura te foi anotada na Tabela 9.1.

1.6- A capacidade calorífica do calorímetro foi calculada e exibida na seção de Resultados.

Procedimento 2 : Determinação do calor específico de substâncias

2.1- Colocou-se no calorímetro uma massa m’ = 200 g de água, a temperatura ambiente t0.

2.2- A substância cujo calor específico deveria ser determinado foi aquecida até a temperatura de ebulição da água. A substância foi

deixada imersa em água fervente por alguns minutos a fim de atingir o equilíbrio térmico.

2.3- A substância aquecida foi colocada no calorímetro.2.4- A mistura no calorímetro foi agitada para uniformizar a temperatura.

A temperatura te foi anotada na Tabela 9.2.2.5- A massa da substância foi aferida em uma balança digital, sua

massa M foi anotada na Tabela 9.2.2.6- O procedimento foi repetido para as outras substâncias. Os

resultados foram anotados na Tabela 9.2.2.7- Os calores específicos foram então calculados e exibidos na seção

de Resultados.

6. Resultados

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Tabela 9.1

m = massa de água quente 100,0 gm’ = massa de água fria 80,0 g

c0 = calor específico da água 1 cal/g ° CT = temperatura da água quente 62,7° Ct0 = temperatura da água quente 26,1° C

te = temperatura final do equilíbrio 45,1° C

Calculando a Capacidade Térmica do Calorímetro:

C = (m x c0 x (T - te) – m’ x c0 x (te - t0))/(te - t0)

C = (100,0 x 1 x (62,7 – 45,1) – 80,0 x 1 x (45,1 – 26,1))/( 45,1 – 26,1)

C = 12,63 cal/° C

Tabela 9.2

Material M(g) m’ (g) m0 (g) T (°C) t0 (°C) te (°C)Ferro 115,79 g 200 12,63 98,5 28,0 32,8

Alumínio 53,27 g 200 12,63 98,5 28,0 31,5Latão 106,0 g 200 12,63 98,5 28,0 31,9

Calculando o calor específico das substâncias

Ferro: c = (m’ – m0) x c0 x (te – t0)/M(T - te)

c = (200 – 12,63) x 1 x (32,8 – 28,0)/115,79(98,5 – 32,8)

c = 0,118 cal/g°C

Alumínio: c = (m’ – m0) x c0 x (te – t0)/M(T - te)

c = (200 – 12,63) x 1 x (31,5 – 28,0)/53,27(98,5 – 31,5)

c = 0,184 cal/g°C

Latão: c = (m’ – m0) x c0 x (te – t0)/M(T - te)

c = (200 – 12,63) x 1 x (31,9 – 28)/106,0(98,5 – 31,9)

c = 0,104 cal/g°C

7. Questionário

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1 – Lembrando que o calor específico da água é maior que o da areia, explique por que as brisas marítimas sopram, durante o dia, do mar para a terra e, a noite, em sentido contrário. Discuta a influência destes fatos sobre o clima das regiões a beira-mar.

Como o calor específico da areia é maior que o da água, o aquecimento da areia se dá de forma mais rápida que o da água do mar. Esse aquecimento da areia faz com que o ar que se aquece na areia ascenda, gerando uma zona de baixa pressão, que atrai o ar fresco. Ao anoitecer ocorre o resfriamento da areia, invertendo o sentido da brisa, indo para onde existir a menor pressão, nesse caso, acima da água do mar. Devido a esse efeito as orlas marítimas e locais a beira mar tornam-se mais agradáveis termicamente, já que as brisas marítimas tendem a diminuir a sensação térmica da região.

2 – O calor pode ser absorvido por uma substância sem que mude sua temperatura?

Sim. Quando a substância está em mudança de fase, isto é, de líquido para o estado gasoso ou do estado sólido para o líquido, toda a energia absorvida pelo sistema é direcionada para a quebra de ligações, o que explica o fato de a temperatura manter-se constante.

3 – Quando um objeto quente esquenta um frio, suas mudanças de temperatura são iguais em magnitude? Dê exemplo extraído desta prática.

Não. O calor trocado possui a mesma magnitude, visto que o calor perdido por um será absorvido pelo outro. A mudança de temperatura, no entanto, vai depender do calor específico de cada substância. Somente quando as massas e os calores específicos forem iguais, como no Procedimento 1, a temperatura de ambos terá a mesma magnitude.

4 – Dois sólidos de massas diferentes, a uma mesma temperatura, recebem iguais quantidades de calor e sofrem a mesma variação de temperatura. Que relação há entre seus calores específicos?

Como Q1 = Q2, então m1 x c1 x ΔT = m2 x c2 x ΔT. Se m1 = m2 e ΔT será igual para

ambos, então os calores específicos possuem o mesmo valor.

5 – Consultar a Literatura Científica de modo a obter os calores específicos das substâncias abaixo. Citar a fonte.

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Alumínio --- 0,22 cal/g°COuro --- 0,032 cal/g°CCobre --- 0,091 cal/g°CPrata --- 0,056 cal/g°CLatão --- 0,092 cal/g°CÁgua --- 1,0 cal/g°CFerro --- 0,11 cal/g°CMercúrio --- 0,033 cal/g°C

Fonte: FEP, Instituto de Física Experimental da USP.

8. Conclusão

Com a realização do procedimento experimental foi possível observar o processo de trocas térmicas assim como o funcionamento do

Calorímetro e do entendimento da função do calor específico de uma substância. É necessário lembrar também que pequenos fatores podem

ser responsáveis por alterações nas medições, tais como a vedação imperfeita do calorímetro, a não homogeneização das misturas e

imprecisão dos termômetros.

Referências

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DIAS, Dr. Nildo Loiola. Roteiros de Aulas Práticas de Física. Fortaleza. 2012.

MARQUES, Domiciano. Calorímetro. , 2012. Disponível em: <http://www.brasilescola.com/fisica/calorimetro.htm>. Acesso em: 18 dez. 2012.

SANTOS, Marco Aurélio Da Silva. Calorímetro. , 2012. Disponível em: <http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/calorimetro.htm>. Acesso em: 18

dez. 2012.

ALMEIDA, Frederico Borges De. Capacidade térmica. , 2012. Disponível em: <http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/capacidade-termica.htm>. Acesso

em: 18 dez. 2012.

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