FUNDAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO TOCANTINS

CAMPUS UNIVERSITRIO DE PALMAS

ENGENHARIA AMBIENTAL

PALMAS-TO/ 2010

SUMRIO1-OBJETIVOS....................................................................................................042- INTRODUO...............................................................................................05

3- MATERIAIS UTILIZADOS.............................................................................084- MTODOS UTILIZADOS..............................................................................105- RESULTADOS E DISCUSSES..................................................................116- CONCLUSO................................................................................................157- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS..............................................................16LISTA DE FIGURAS1. Figura 1: Materiais utilizados no aquecimento da gua.................................................092. Figura 2:Calormetro eltrico e termmetro..................................................................09

3. Figura 3: Fonte CC regulvel.....................................................................................09

4. Figura 4:Chave multiuso CIDEPE................................................................................095. Figura 5: Multmetro- MD-5770 A/ ICEL GUBIN.............................................................091- OBJETIVOSExperimento 1Ao trmino desta atividade, o aluno dever ser capaz de: Estimar a potncia de um ebulidor por meio do aquecimento de uma amostra conhecida de gua.

Experimento 2

Ao trmino desta atividade, o aluno dever ser capaz de:

Determinao experimental da capacidade trmica de um corpo de prova atravs da inclinao...2- INTRODUOTermologia a parte da fsica que estuda o calor, ou seja, ela estuda as manifestaes dos tipos de energia que de qualquer forma produzem variao de temperatura, aquecimento ou resfriamento, ou mesmo a mudana de estado fsico da matria, quando ela recebe ou perde calor. A termologia estuda de que forma esse calor pode ser trocado entre os corpos, bem como as caractersticas de cada processo de troca de calor.

Calorimetria a parte da fsica que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se do na forma de calor. Calor significa uma transferncia de energia trmica de um sistema para outro, ou seja: podemos dizer que um corpo recebe calor, mas no que ele possui calor. A Calorimetria uma ramificao da termologia.

As trocas de calor entre dois corpos de diferentes temperaturas podem proporcionar tanto uma mudana em seus estados de agregao molecular, como em suas temperaturas; sendo conveniente ressaltar que tais mudanas nunca ocorrem simultaneamente.

Capacidade trmica

A capacidade trmica mede a quantidade de calor necessria para que haja uma variao unitria de temperatura e est relacionada diretamente com a massa do corpo.

Unidade de Capacidade Trmica: U (C) = 1 cal /C

Unidade de Capacidade Trmica - Sistema Internacional de Unidades: U (C) = 1 J /1C

Calormetro

O calormetro um aparelho isolado termicamente do meio ambientee muito utilizado nos laboratrios de ensino para fazer estudos sobre a quantidade de calor trocado entre dois ou mais corpos de temperaturas diferentes. um recipiente de formato bem simples, construdo para que no ocorra troca de calor entre o mesmo e o meio ambiente. Existem vrios formatos de calormetro, mas todos so constitudos basicamente de um recipiente de paredes finas que envolvido por outro recipiente fechado de paredes mais grossas e isolantes. O calormetro evita a entrada ou sada de calor assim como na garrafa trmica, por exemplo.3- MATERIAIS UTILIZADOSExperimento 1 Potncia de uma fonte trmica Ebulidor de resistncia eltrica Termmetro de coluna

Cronmetro

Bquer

Experimento 2 Determinao do equivalente mecnico do calor Cmara calorfica com tampa transparente Vasos superpostos

Blocos calormetros de prova (bronze e inox)

Resistor embutvel

Frasco trmico(para resfriamento)

Disco isolante

Conectores eltricos

Multmetro com termopar(sensor de temperatura)

Glicerina lquida

Balana digital shimadzu

4- FUNDAMENTAO TERICA

EXEMPLO 1:

A potncia trmica mede a rapidez com que o calor trocado entre dois corpos.Para determinar a potncia trmica de uma fonte trmica que fornece uma quantidade de calornum intervalo de tempo, faz-se a razo entre as grandezas:

A potncia dada no SI por watt (W), mas usualmente tem-se: cal/s; cal/min; kcal/min.EXEMPLO 2:

Sabemos que a capacidade trmica dada por

Nesta situao, um resistor ligado por um tempo converte energia eltrica em calor que transferido ao bloco,logo:

e

Ento:

Por fim:

As figuras a seguir mostram exemplos dos equipamentos utilizados para o desenvolvimento dos experimentos.

Experimento 1 Ebulidor de ristncia eltrica Termmetro

BquerExperimento 2

Multmetro com termopar

Cmara calorimtrica

Ampermetro

Voltmetro

Fonte

Corpo de prova Inox

Corpo de prova bronze4- MTODOS UTILIZADOSExperimento 1 Determinao da capacidade trmica de um calormetro

Foi colocado no calormetro 50ml de gua fria uma temperatura 10C abaixo da temperatura ambiente, e ento o termmetro foi introduzido no sistema que foi tampado. No bquer foi adicionada gua morna com temperatura 10C acima da temperatura ambiente e introduzido no sistema, ento foi verificado a temperatura inicial (ta) da gua fria j contida no calormetro, e tambm foi verificado a temperatura da gua morna contida no bquer. Ento a gua morna foi derramada no interior do calormetro que ento foi fechado, agitado e colocado o termmetro que verificou depois de 3 minutos uma temperatura (tc).

Experimento 2 Determinao do equivalente mecnico do calorFoi medida com o multmetro a resistncia do calormetro. Ento com a chave desligada foi feito a montagem do sistema de medio com tenso ajustada em 15VCC para evitar grande agitao do lquido prximo ao elemento resistivo. Ento foi desligada as ligaes eltricas do calormetro, deixando-o solto e mantendo a chave desligada. Foi anotada a capacidade trmica do calormetro e a temperatura ambiente. No calormetro foi colocado ento 150 ml de gua fria em temperatura de aproximadamente 10C abaixo da ambiente. O calormetro ento foi fechado e colocado o termmetro, as ligaes eltricas foram feitas no calormetro e ento foi esperado dois minutos para o sistema entrar em equilbrio trmico. A temperatura foi registrada. A temperatura final foi devidamente calculada e anotada. Ento ligou-se a chave auxiliar e contado o tempo durante o qual o resistor foi ligado, tomando cuidado para que a tenso no voltmetro mantivesse constante 15VCC. Foi misturado a gua do calormetro com seu agitador de um em um minuto. O sistema eltrico foi desligado quando foi atingida a temperatura final e ento anotou-se o tempo gasto para atingir esta temperatura.Experimento 3 Determinao do calor especfico de um corpo de prova

Foi colocado o corpo de prova no interior do calormetro e anotado a temperatura ambiente. Foi aquecida 150ml gua acima da temperatura ambiente e derramada dentro do calormetro que foi fechado e colocado o termmetro em seguida. A gua foi agitada constantemente por 3 minutos, e ento medida sua temperatura.5- RESULTADOS E DISCUSSESExperimento 1 Determinao da capacidade trmica de um calormetroFoi colocado no calormetro 50 ml de gua fria uma temperatura 10C abaixo da temperatura ambiente, esta ltima se encontrava 27C no laboratrio de fsica, e ento o termmetro foi introduzido no sistema que foi tampado. No bquer ento foi adicionada gua morna com temperatura 10C acima da temperatura ambiente e introduzida no sistema, ento foi verificado a temperatura inicial (ta) da gua fria j contida no calormetro, variou para uma temperatura de 17C, e tambm foi verificado a temperatura da gua morna contida no bquer, os 50ml de gua morna estava 37C. Ento a gua morna foi derramada no interior do calormetro que ento foi fechado, agitado e colocado o termmetro que verificou depois de 3 minutos uma temperatura (tc) de 29C.

A capacidade trmica do calormetro foi determinada com os dados obtidos no experimento. Foram utilizadas as frmulas:

Quantidade de calor trocado pelo sistema

Quando o sistema entra em equilbrio trmico, a soma das quantidades de calor zero.

Pode-se observar que aquecendo uma quantidade de gua a uma temperatura maior que a da gua contida no calormetro que estava fria, quando elas so misturadas no calormetro, a gua que est a uma temperatura maior ir ceder calor gua e ao calormetro que esto a uma temperatura menor.

Experimento 2 Determinao do equivalente mecnico do calorComo a aparelhagem composta de fonte CC regulvel, uma chave multiuso, um multmetro prontos foi possvel dar incio ao experimento.Em certas condies controladas, possvel conhecer a quantidade de calor cedida a um sistema. Um exemplo o experimento realizado. Uma dada massa de gua (150g) mantida dentro de um calormetro (envolto por isopor), o que minimiza as trocas de calor entre a gua e o ambiente externo. Um resistor de resistncia 6,1 imerso na gua e ligado a uma fonte de CC regulvel. A potncia eltrica dissipada no resistor U2/R e, portanto, se a corrente persistir por um tempo t a energia dissipada no resistor em forma de calor ser : Onde , ou seja: (1)

Considera-se U a tenso nos extremos do resistor R percorrido por um corrente i. Na passagem da corrente eltrica pelo resistor ocorre aquecimento (efeito Joule). Dessa forma, a potncia eltrica dissipada consumida por um resistor dissipada (transformada em trmica). Para se saber at que temperatura o aquecimento da gua atravs do resistor deve chegar, utilizou-se a seguinte frmula: , onde:f - temperatura final

0 temperatura ambiente

i temperatura inicial da gua

Agora sabendo-se que gua deveria atingir 43 C, a chave auxiliar foi ligada e se iniciou a contagem de tempo (durante o qual o resistor ficou ligado), tendo o cuidado para que o valor da tenso no voltmetro se mantenha constante (15VCC) ao longo da atividade. Durante o procedimento foi necessrio agitar a gua do calormetro pelo menos uma vez a cada minuto passado, para homogeneizar a temperatura no calormetro. O tempo utilizado para que a gua atingisse a temperatura final foi de 780s. Neste tempo, o resistor, a gua e a parede interna do calormetro entraram em equilbrio trmico. Dentro da gua estava um termmetro com o qual se pode acompanhar o seu aquecimento. Como esse aquecimento no foi to grande, a quantidade de calor absorvida pelo sistema ser proporcional ao calor cedido: , onde: = massa da gua

= calor especfico da gua

= capacidade trmica do calormetro usado

= so as temperaturas final e inicial do sistema, respectivamenteUma vez determinada a energia Q (dissipada pelo resistor e expressa em Joule) e a energia Qa (absorvida pelo sistema e expressa em calorias), devemos introduzir o operador J (que permite manter a igualdade da expresso): Quantidade de energia dissipada pelo resistor = Quantidade de energia absorvida pelo sistema Como as unidades empregadas so diferentes, logo:(3)Portanto, o operador J permitir a troca da unidade usual em calorimetria cal (caloria) pela unidade de energia mecnica Joule (J) e vice-versa. Substituindo as expresses (1) e (2) em (3), tem-se:

Com os valores conhecidos (calor especfico da gua e capacidade trmica do calormetro) determinou-se o valor de J, o equivalente mecnico do calor.

Obs.: O valor de referncia e no experimento o valor resultante foi , o provvel erro experimental para essa pequena diferena de valores, pode ter sidos as condies do ambiente e/ou erros medida cometidas pelo grupo.Experimento 3 Determinao do calor especfico de um corpo de prova

Neste experimento como nos anteriores utilizou-se um calormetro de capacidade trmica de 15 cal/gC. Verificou-se que tanto o corpo de prova de alumnio quanto o calormetro estavam em temperatura ambiente (27 C). Ento, esquentou-se 150 ml de gua at que a mesma atingisse 70 C. A gua foi derramada dentro do calormetro, onde estava o corpo de prova de alumnio e foi esperado que se passasse 3 minutos, para ver a temperatura de equilbrio trmico, que correspondeu a 65 C. O mesmo processo foi tomado com o cobre, a temperatura de equilibro trmico aps 3 minutos foi de 65 C. Depois de realizar este processo, os corpos de provas de alumnio e cobre tiveram suas massas determinadas atravs de um balana, obtendo 18,37g e 58,11g , respectivamente. Sabendo a densidade da gua (1g/cm3) foi possvel calcular a massa dos 150ml de gua quente, por meio da frmula: . A massa obtida da gua quente equivale a 150g. Segundo o clculo:

Com essa gama de dados obtidos, se tornou possvel determinar o calor especfico dos corpos de prova: Clculo calor especfico do cobre:

O valor de referncia do calor especfico do cobre 0,093 cal/gC, na experincia obteve-se 0,0815 cal/gC, esse erro pode ser justificado por fatores ambientais ou at mesmo erro sistemtico.

Clculo calor especfico do alumnio:

O valor de referncia do calor especfico do alumnio 0,022 cal/gC, na experincia obteve-se 0,259 cal/gC.6- CONCLUSO

No experimento 1, foi observado que quando um sistema aquecido posto em contato com outro mais frio, o primeiro cede energia para o segundo. Essa energia trasferida sem que o sistema aquecido necessariamente realize trabalho sobre o corpo frio. A energia que um corpo quente cede a outro corpo frio sem que seja realizado trabalho denominada calor. Portanto, quando dois sistemas so colocados em contato mtuo, o corpo mais quente cede calor para o mais frio. Quando o processo de transferncia de calor chega ao fim, diz-se que os dois sistemas esto em equilbrio trmico um com o outro.

No experimento 2, esquematizou-se um sistema formado por uma certa quantidade de gua e por um pequeno fio de resistncia eltrica. Neste sistema, a variao de temperatura foi produzida por uma fonte CC que provocou corrente eltrica. O efeito joule consistiu-se na dissipao de energia eltrica sob forma de energia trmica no condutor, atravs da corrente eltrica. Esse processo considerado como fluxo de calor.

No experimento 3, observou-se que substncias distintas possuem diferentes capacidades de armazenamento de energia interna. Ao contrrio da capacidade trmica, o calor especfico no caracterstica do corpo, mas sim caracterstica da substncia. Quanto menor o calor especfico de uma substncia, mais facilmente ela pode sofrer variaes em sua temperatura.7- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; KRANE, Kenneth S.; FSICA II, 5 edio, volume 02; Ed. LTC Livros Tcnicos e Cientficos Editora S.A., 2003HEWITT,Paul G.; FSICA CONCEITUAL 9 edio, Porto Alegre: Bookman, 2002.

SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark W; KRANE, YOUNG, Hugh D; FSICA II Mecnica dos fluidos. Calor . Movimento Ondulatrio, 2 edio, Ed. LTC Livros Tcnicos e Cientficos Editora S.A., 2000.

Disponvel em:< http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/calor.htm > Acesso em: 29 out. 2010 01h00min .Fsica 2

Aula prtica: Calorimetria

Experimento 1 - Determinao da capacidade trmica de um calormetro

Experimento 2 - Determinao do Equivalente Mecnico do calor

Experimento 3 - Determinao do calor especfico de um corpo de prova

Acadmicos: Diogo Jobane Neto

Haiany Cristina Ribeiro de Miranda

Marcelo Henrique de Castro

Nanini Castilhos de Rabelo e SantAnna

Priscila de Souza Seckler

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