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Prática 11 - Calor Específico e Calor Latente de Fusão
Relatório de Experimento ...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA QUI 150 – FÍSICO-QUÍMICA I

RELATÓRIO DA PRÁTICA EXPERIMENTAL XI CALOR ESPECÍFICO E CALOR LATENTE DE FUSÃO

02/12/2018 VIÇOSA – MG

0

SUMÁRIO

1. RESUMO................................................................................................................. 2 2. INTRODUÇÃO....................................................................................................... 2 3. PARTE EXPERIMENTAL.........................................................................................7 3.1 REAGENTES E EQUIPAMENTOS....................................................................7 3.2 METODOLOGIA.................................................................................................7 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................ 8 5. APLICAÇÃO............................................................................................................13 6. CONCLUSÃO..........................................................................................................13 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................13

1

1. RESUMO A calorimetria estuda a troca de calor entre os corpos, sendo que calor é a transferência de energia de um corpo para um sistema ou vizinhança. Na atividade prática, foi utilizado um calorímetro simples para medir o calor específico da brita e a temperatura inicial do gelo. O calor específico é definido como a quantidade de calor necessária para que 1 grama de um material altere a temperatura em 1 °C, e tem aplicações que grande importância na indústria, principalmente na indústria da construção civil. Os resultados encontrados para o calor específico da brita e para a temperatura inicial do gelo são de 2,094 kJ/Kg.K e -60,5°C, respectivamente. Esses resultados não são muito condizentes com a realidade e indicam erros na realização da prática.

2. INTRODUÇÃO e estuda os fenô 2.1-

Calorimetria

Calorimetria é a parte da termodinâmica qumenos relacionados às trocas de energia térmica. Em um experimento simples, pode-se observar como essa troca de energia ocorre. Ao se colocar dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que o corpo mais quente tem sua temperatura diminuída e o corpo mais frio, tem sua temperatura aumentada. Em um sistema isolado, a transferência de energia ocorre até o ponto em que os dois corpos atinjam a mesma temperatura, ou seja, até que o sistema atinja o equilíbrio térmico. A transferência de energia que ocorreu entre os dois corpos, é chamada de calor. O calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes, essa transferência de energia sempre se dá do corpo de maior energia, para o de menor energia. É válido ressaltar que um corpo não possui calor, ele possui energia interna. A transferência de energia que produz mudança na temperatura de um corpo, é chamada de calor sensível, e a transferência de energia que produz mudança no estado físico de um corpo, é chamada de calor latente. No Sistema Internacional (SI), a unidade de quantidade de calor é o joule (J). A quantidade de calor sensível recebida ou cedida por um corpo pode ser calculada através da seguinte fórmula: 2

Q = m . c . ΔT

(1)

Sendo: Q: quantidade de calor sensível (J ou cal) m: massa do corpo (kg ou g) c: calor específico (J/kg.ºC ou cal/g.ºC) ΔT: variação de temperatura (ºC), ou seja, a temperatura final menos a temperatura inicial

Essa equação (1), é chamada de equação fundamental da calorimetria. O calor específico (c), é a quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa de uma substância sofra uma variação de temperatura de 1°C. Essa grandeza é uma característica de cada tipo de substância. O calor específico também pode se expresso como calor específico molar, relacionado a um mol de substância. A capacidade térmica ou capacidade calorífica (C) de um corpo, é uma grandeza que corresponde a quantidade de calor presente num corpo em relação a variação de temperatura sofrida por ele. Podemos calcular a capacidade térmica de um corpo, através da seguinte fórmula:

C = m.c

(2)

Sendo, C: capacidade térmica (J/ºC ou cal/ºC) m: massa (kg ou g) c: calor específico (J/kg.ºC ou cal/g.ºC)

O calor latente de fusão (ΔHfus) é a quantidade de calor absorvida na transformação de uma unidade de massa (entalpia específica), ou unidade de quantidade de matéria (entalpia molar), da fase sólida para a líquida. Esta energia permite a separação das moléculas do arranjo ordenado no cristal, para o arranjo desordenado na fase líquida, usualmente com distâncias intermoleculares maiores. 3

A quantidade de calor latente pode ser calculada através da seguinte fórmula:

Q = m.L

(3)

Sendo: Q: quantidade de calor (J ou cal) m: massa (kg ou g) L: calor latente (J/kg ou cal/g)

As reações químicas sempre estão acompanhadas de uma liberação ou absorção de energia. A energia de qualquer sistema pode ser expressa em termos de seu equivalente em calor, entalpia (H). As capacidades caloríficas a pressão constante Cp e a volume constantes Cv de um sistema, são importantes pois se relacionam com a energia interna e entalpia. dU = Cv dT

(3)

dH = Cp dT

(4)

Esses processos a pressão e volume constantes, são válidos para sistemas com gases reais, assim, temos: Cp /n - Cv /n = R

(5)

O calor específico de um sólido pode ser determinado por um balanço de energia de acordo com o Princípio de Conservação da energia: |Qabsorvido| = |Qcedido|

2.2-

(6)

Aspectos práticos

No presente experimento, o objetivo é determinar experimentalmente o calor específico (ou capacidade calorífica) de uma amostra de brita, e a temperatura inicial de uma pedra de gelo, usando os dados do calor latente de fusão de água e a capacidade calorífica do sistema. Para a determinação da capacidade calorífica do calorímetro de massa (m 2), devemos colocá-lo inicialmente em equilíbrio térmico com água (m 2), a temperatura

4

ambiente (T2), e posteriormente adicionar água fria (m1) a temperatura (T1) e, esperar atingir o equilíbrio térmico final (Te), de tal forma a termos: Ĉ1 m1 (Te – T1) = (Ĉ2 m2 + Cc) (T2 – Te)

(7)

ou Ĉ1 m1 (Te – T1) = (Ĉ2 m2 + mc Ĉc) (T2 – Te)

(8)

Onde Cc = mc Ĉc (9) Cc, Ĉc, Ĉ1, Ĉ2: capacidade calorífica e calor específico do calorímetro, calores específicos da água fria e quente. Ĉ1 m1 (Te – T1): calor absorvido pela massa de água fria a temperatura inicial T1. (Ĉ2 m2 + mc Ĉc) (T2 – Te): calor cedido pelo sistema com água a temperatura inicial T2. Conhecida a capacidade calorífica do calorímetro pode ser determinada a capacidade calorífica ou calor específico da brita, pela equação: Ĉ1 m1 (Te – T1) = (Ĉ2 m2 + Cc + mx Ĉx) (T2 – Te)

(10)

mx Ĉx = Cx : capacidade calorífica da amostra problema. Para determinar a temperatura inicial do gelo (T x), devemos escrever nosso balanço de energia incluindo agora o calor latente de fusão da massa do gelo de prova, utilizada no experimento. Ĉ1 m1 (Tf – Tx) + m1 ΔHfus + Ĉ2 m1 (Te – Tf) = (Ĉ2 m2 + C) (T2 – Te)

(11)

Ĉ1, m1 e Ĉ2, m2 : calores específicos e massas do gelo e da água respectivamente. ΔHfus : entalpia específica de fusão (cal/g) Tf : Temperatura de fusão: 0°C

2.3-

Aplicação

Na atividade prática, foi utilizado um calorímetro simples, construído com materiais de fácil acesso em laboratório, porém no mercado, existem vários modelos de calorímetros disponíveis, entre eles podemos citar calorímetros do tipo isoperibol, de compensação e estático. Um calorímetro de isoperibol é aquele em que o revestimento circundante (jaqueta) é mantido a uma temperatura constante enquanto a temperatura da bomba e do balde aumentam à medida que o calor é liberado pela combustão. 5

Figura 1. Calorímetro Isoperibol

Na área da engenharia civil, é importante saber o valor do calor específico dos materiais que constituem o concreto, (aglomerante, agregados graúdos e agregados miúdos). O excessivo calor gerado pela hidratação do cimento pode causar dois problemas imediatos ao concreto, o primeiro deles e mais comum é a fissuração de origem térmica, o segundo, mais raro, é a etringita tardia, que se forma no concreto já endurecido e implica um mecanismo expansivo com consequente formação de um quadro fissuratório em estruturas de concreto. Algumas estratégias podem ser adotadas no controle do calor de hidratação durante a concretagem, segundo Sachs (2012) Além de baixar a temperatura da água, baixar também a temperatura dos outros materiais constituintes do concreto (agregado graúdo, cimento e areia). A água, que tem o maior calor específico (4,18 kJ/kg.K), entra na composição do concreto com uma porcentagem muito pequena, entre 10% e 15% do volume total. O agregado graúdo (brita), que tem um calor específico de 0,92 kJ/kg.K, ocupa porcentagem de cerca de 65% do volume total do concreto.

3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1 REAGENTES E EQUIPAMENTOS o o o o

Um calorímetro (fig. 1) Dois béqueres (250mL e 600mL) Balança (com 0,001g de precisão) Duas provetas (100mL e 50mL) 6

o o o o

Vidro de relógio Termômetro Brita Gelo

Figura 2. Calorímetro

3.2 METODOLOGIA O experimento foi dividido em três partes experimentais: A primeira parte do experimento foi de calor específico do calorímetro. Primeiro pesou-se a parte interna do calorímetro, o béquer de 250mL e anotou-se a massa, depois adicionou-se nesse béquer 100mL de água com temperatura ambiente e nele foi colocado o termômetro e medido a temperatura de estabilização. Após isso mediu-se 50 mL de água fria e colocado para resfriamento num banho de gelo, anotouse a temperatura obtida e rapidamente adicionou-se a água no sistema do calorímetro que em seguida é fechada e agitada, esperou-se o sistema atingir equilíbrio térmico e anotou-se a temperatura obtida. Fazer repetições. A segunda parte do experimento é de calor específico da brita Primeiramente adicionou-se 100mL de água a temperatura ambiente no sistema (calorímetro), após isso pesou-se aproximadamente 50g de brita seca, transferiu-se essa brita para dentro do calorímetro e registrou-se a temperatura de equilíbrio de brita-água. Em seguida mediu-se 50mL de água fria para resfriamento em banho de gelo, anotou-se 7

temperatura atingida e adicionou-se rapidamente ao calorímetro que é fechado e agitado, depois observou-se a temperatura do sistema a cada 30 segundos até atingir o equilíbrio térmico, anotando-se as temperaturas e os dados obtidos. Fazer repetições alternando a quantidade de brita e água. A terceira parte do experimento é de temperatura inicial do gelo. Mediram-se 100mL de água e transferido para o calorímetro, anotando-se a temperatura de estabilização do sistema. Colocou-se em seguida um cubo de gelo dentro do calorímetro, agitou-se e fez se a leitura da temperatura de 30 em 30 segundos até o equilíbrio térmico. Fazer repetições alterando a quantidade de gelo no sistema.

4.RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Parte I: Calor Específico do Calorímetro Após a realização do experimento, os valores dos dados obtidos foram descritos na Tabela 1. A partir de tais dados, efetuou-se os cálculos para obtenção do calor específico e da capacidade calorífica do calorímetro. Tabela 1 – Valores Obtidos Medidas

296,9K

T (¿¿ amb) ¿

Temperatura ambiente Massa do calorímetro

Dados 23,9°C 116,125. 10−3 kg 116,125g

(m c )

98,207g

Massa da água à temperatura ambiente ( m 2 ¿ Massa da água fria ( m 1 ¿

48,866g

Temperatura de estabilização do sistema ( T 2 ¿ Temperatura da água fria (T 1) T (¿¿ e) ¿

Temperatura de equilíbrio

−3

kg

−3

kg

98,207.

10

48,866.

10

24,9°C

297,9K

4°C

277,0K 292,3K

19,3°C

Considerando a troca de calor entre o sistema calorimétrico de capacidade calorífica

C c e de calor específico c c em equilíbrio térmico com a massa

água, calor específico

c2

e temperatura

T2

e a massa

m1

m 2 de

de água, calor 8

específico

c1

e temperatura

T 1 , tem-se que, após atingir o equilíbrio térmico

T e , é válida a relação:

¿ Q cedido∨¿∨Q recebido ∨¿

ou seja,

(c 2 m2 +mc c c ) ( T 2−T e) =c 1 m1 ( T e −T 1 )

(1)

onde, C c =m c c c

(2)

Para tal experimento, considerou-se os seguintes dados: c 2=¿ calor específico da água à 24,9°C = 4,1813 kJ/kg.K

c 1=¿ calor específico da água à 4,0°C = 4,2060 kJ/kg.K

Sendo assim, é possível obter o calor específico

e a capacidade calorífica

cc

C c do calorímetro, substituindo os dados na equação 1 e 2:

c 1 m 1 ( T e −T 1) = ( c 2 m 2 + m c c c ) ( T 2−T e) b4,2060

kJ kg . K

. 48,866.

−3

10

kg . 15,3K = 4,1813

kJ kg . K

(1) . 98,207.

−3

10

kg . 5,6K +

c c 116,125. 10−3 kg . 5,6K 3,145kJ - 2,299kJ = c c 116,125. 0,846kJ =

−3

10

kg . 5,6K

c c 116,125. 10−3 kg . 5,6K

c c =1,301

kJ kg . K 9

C c =m c c c

(2)

C c =116,125.10−3 kg .1,301 C c =0,151

kJ kg . K

kJ K

A determinação do calor específico e da capacidade calorífica do calorímetro se faz necessária, uma vez que este participa e influencia diretamente nas trocas de calor que ocorrem no sistema. Sendo assim, esses valores devem ser levados em consideração quando se deseja calcular o calor específico de determinadas substâncias. 4.2 Calor Específico da Brita

Os resultados encontrados a partir do desenvolvimento da experiência estão dispostos na Tabela 2. Tabela 2 – Valores Obtidos Medidas

Dados

Temperatura ambiente (Tamb)

23,9°C

296,9 K

Massa da Brita (mb)

50,790g

50,790 .10−3 kg

Massa da água quente (m2)

98,159g

98,159 .10

Massa da água fria (m1)

49,664g

49,664 . 10

Temperatura da água quente (T2)

25ºC

298 K

Temperatura da água fria (T1)

4ºC

277 K

Temperatura de estabilização (Te)

20ºC

293 K

−3

kg

−3

kg

Dado que o calor específico de um sólido pode ser determinado por um balanço energético, de acordo com o Princípio de Conservação de Energia: / Q absorvido / = / Q cedido / c 1 m 1 ( T e −T 1 )= ( c 2 m 2 +C c +m x c x ) (T 2−T e )

(3) 10

Onde m x = Massa da amostra problema = massa da brita = mb; c x = Calor específico da brita; C c = Capacidade calorífica do calorímetro =

kJ . K

0,151

O calor específico da água nas respectivas temperaturas consideradas no experimento está disposto na Tabela 3. Tabela 3 – Valores do Calor específico da água Calor específico

Dados (

kJ ) kg . K

c1 (4ºC)

4, 206

c2 (25ºC)

4,178

Fonte: J.M. Smith, Introdução à Termodinâmica na Engenharia Química.

Substituindo os dados da Tabela 2 na equação 3: 4,178 kj/kgK . 98,159 . 10−3 kg+ 0,151kj /K +50,790 . 10−3 kg . cx (298 K−293 K ) 4,260 kj/kgK . 49,664 . 10−3 kg( 293 K −277 K ) =¿

(

3,342 kj= 0,562

)

kj +50,790 . 10−3 kg . c x . 5 K K

c x =2,094

kj kg . K

O calor específico mede a quantidade de calor fornecida necessária para variar a temperatura de um corpo. Embora o calor específico encontrado para a brita tenha sido maior que os valores tabelados para materiais rochosos, que variam entre 0,8 a 0,9 kj/kg.K, obteve-se um valor menor que o valor do calor específico da água, que é de 4,178 kj/kg.K a 25°C. Isso é correto pois, no geral, o calor específico dos líquidos é maior que o dos sólidos. Sabe-se que a energia cinética é dada por

Ec=

gKbT 2

e que

um sólido possui as moléculas mais presas, logo, o grau de liberdade das moléculas é menor e a energia cinética do sólido é menor. Com isso, é preciso uma menor quantidade de calor para variar a temperatura da substância.

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O conhecimento do calor específico, como o da brita, tem importância na construção civil, por exemplo no conceito de inércia térmica. Um material de baixo calor específico absorve calor mais rapidamente e pode aumentar o fluxo de calor para o interior de um ambiente. 4.3 Parte III: Temperatura inicial do gelo Para os cálculos da temperatura inicial do gelo, foram coletados os seguintes dados, Tabela 4. Tabela 4 – Dados obtidos para a parte III Medidas

Dados

Calor específico do gelo – c1

0,5 cal/g.ºC

Massa do gelo – m1

14 g

Calor específico da água – c2

0,997898 cal/g.ºC

Massa da água – m2

98,159 g

Calor latente de fusão da água – Lf

80 cal/g

Capacidade térmica do calorímetro - Cc

35,998 cal/ºC

Temperatura de estabilização - Te

12,2 ºC

Para calcular a temperatura inicial do gelo (Tx), é utilizado a equação de balanço de energia, incluindo a massa do gelo e o calor latente de fusão, equação (4). c 1 m1 ( Tf −Tx ) + m 1 Lf + c 2 m1( Te −Tf ) =(c 2 m 2+Cc)(T 2−Te)

(4)

Substituindo os resultados da Tabela 4 na equação 4: 0,5

cal 80 cal 0,997898 cal 0,997898 cal . 98,159 g+ . 14 g .( 0° C−Tx )+ 14 g . .14 g . ( 12,2° C−0 ° C )=( + g . °C g . °C g .° C g −7 Tx =1714,57−1290,8

Tx=−60,5 ° C

5. APLICAÇÕES

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Um fato importante a se observar é que quanto menor é o calor específico de uma dada substância, maior é a variação de temperatura que ocorre quando uma certa quantidade de calor é absorvida por ela. Isso pode ser evidenciado, por exemplo, no caso da areia que fica muito mais quente que a água do mar, quando estas são submetidas à mesma fonte de calor, o sol. Tem-se que o calor específico da areia é cinco vezes menor que o da água. Enquanto cada grama de areia precisa de apenas 0,2 cal para variar a sua temperatura em 1°C, a água precisa de 1 cal para executar a mesma. É por isso que, durante o dia, a areia se aquece mais rapidamente que a água do mar e, durante a noite, ela também se resfria mais rapidamente. Tal fato é de fundamental importância, pois são responsáveis pela brisa marítima e pela brisa terrestre, respectivamente. Com relação ao ponto de fusão do gelo, tem-se que este se modifica com a pressão externa. Uma aplicação bem prática de tal fenômeno é que o aumento da pressão facilita a patinação sobre o gelo. Isso ocorre pois, quando os patins deslizam sobre o gelo, a pressão exercida pela lâmina na superfície faz o gelo derreter a uma temperatura inferior. Sendo assim, a patinação é facilitada, uma vez que, na realidade, os patins deslizam sobre uma camada de água líquida, e não sobre a água...