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Calorímetro

Maceió  –  AL

2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS

INSTITUTO DE FÍSICA 

ROTEIROS EXPERIMENTAIS

LABORATÓRIO DE FÍSICA 2

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1.  Objetivo

  Determinação da capacidade térmica de um calorímetro e dos calores específicos

de alguns metais.

2.  Materiais utilizados

  Uma fonte de tensão contínua de 12,0V/1,5 A;

  Um amperímetro;

  Um voltímetro;

  Cabos para conexão;

 

100 g de água;  Um calorímetro de capacidade térmica desconhecida;

  Dois corpos metálicos cilíndricos;

  Dois termômetros digitais;

  Dois béqueres de 1000 ml;

  Um ebulidor elétrico / lamparina a álcool.

3.  Introdução

O conceito de temperatura e calor comumente está relacionado com as percepções

sensoriais de “quente” e “frio”, contudo que ambos possuem significados físicos

 plenamente diferentes.

Para compreender o conceito de temperatura, podemos recorrer à lei zero da

termodinâmica em que:

“Se dois corpos A  e B  , estiverem em equilíbrio térmico separadamente com umterceiro corpo C  então, A e B  estarão em equilíbrio térmico entre si”.

Tal equilíbrio térmico é interpretado como que os três corpos estão à mesma

temperatura. É importante ressaltar que a temperatura está relacionada com a energia

cinética das moléculas de um material. Assim podemos relacionar o equilíbrio térmico

entre dois ou mais corpos como sendo o equilíbrio das energias cinéticas entre os

corpos. Isso devido a transferência de energia das moléculas de um corpo para outro

ocorrendo através das colisões entre as moléculas do corpo de maior temperatura comas do corpo de menor temperatura.

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Denominamos essa transferência de energia como calor.  A definição de calor

 pode ser , então, enunciada como seguinte: 

“Calor é a energia transferida de um sistema para outro devido a uma diferença

de temperatura” 

Com base nesses conceitos, verificou-se que cada substância apesentava

características próprias quanto à capacidade de receber ou transferir calor. Percebeu-se

que para um corpo de mesma substância, como por exemplo a água, a quantidade de

energia (calor) necessária para aquecê-lo, era proporcional à sua massa.

∝   [1] Essa energia recebeu então a denominação de caloria (cal). Contudo, existe

também uma relação direta entre a quantidade de calor cedido ou recebido por um corpo

e a sua variação de temperatura, ou seja:

∝ ∆  [2]Pode-se então concluir que:

∝ ∙ ∆  [3] Para que essa relação seja válida para qualquer valor de massa, deve existir uma

constante c  tal que a razão entre energia fornecida e o produto da massa do corpo pela

variação de temperatura seja contínua. Daí:

= ∙∆

  [4]

A constante c  é denominada calor específico. O calor específico representa então

a quantidade de energia por unidade de massa para provocar a variação de um grau na

temperatura do corpo. O calor específico é, portanto, uma propriedade intrínseca da

matéria que constitui o corpo.

Assim, se um corpo sofre uma variação de temperatura ∆T = T f   –  Ti , a energia

necessária seria:

= ∙ ∙ ∆  [5] Na expressão acima, o produto c∙m  indica uma propriedade referente ao que se

chama de capacidade térmica. 

ATENÇÃO: o termo “capacidade térmica ” sugere  que um corpo possua uma

quantidade limitada de receber ou ceder calor o que não é verdade. O referido termo

indica quanta energia um corpo necessita receber, ou perder para que sua temperatura

varie de um grau.

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4.  Determinação da capacidade térmica de um calorímetro

A energia dissipada por aquecedor elétrico em um intervalo de tempo é:

∆ = 2∆  [6]

Onde R  é a resistência ôhmica do aquecedor e i  a corrente elétrica. Substituindoessa relação na expressão [5] teremos:

2∆ = ∙ ∙ ∆   [7]Sendo ∆T = Tf  - Ti

2∆ = ∙ ∙ ( − )  [8]

− =

∆  [9]

= +

∆  [10]

Sabendo que o termo c∙m = C, substituindo temos:

= +

∆  [11]

Onde: Ti  é a temperatura inicial e Cs é a capacidade térmica do sistema

(Calorímetro + água).

5.  Procedimentos experimentais

1.  Meça 100g de água à temperatura ambiente em uma proveta ou béquer e em

seguida coloque no calorímetro1.

2.  Tampe o calorímetro e introduza o termômetro. Agite um pouco o sistema

(calorímetro + água) e aguarde a temperatura estabilizar. Anote na tabela 1 o valor da

temperatura inicial.

3.  Conecte a fonte de tensão aos bornes do calorímetro deixando-o em série com um

amperímetro assim como está indicado no esquema da figura 1.

1 Coletar água fria de um bebedouro; para medir a massa de água, coloque o calorímetrodiretamente sobre a balança e tare-a; acrescente a agua até obter os 100 g.

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Figura 1 - Esquema de conexão da fonte de alimentação ao calorímetro.

Fonte: <http://www.fisica.ufmg.br/~labexp/roteirosPDF/Determinacao_da_Capacidade_Termica_de_um_C

alorimetro.pdf>

4.  Conecte um voltímetro em paralelo com a fonte a fim de verificar a tensão

aplicada.

5.  Realizada as conexões, ligue a fonte e simultaneamente inicie a cronometragem

do tempo de aquecimento.

6.  Anote na tabela 1 (em anexo) o tempo decorrido para cada variação de um grau.

Efetue cerca de 20 medidas de tempo e temperatura.

7. 

Construa um gráfico T(ºC) x t(s) e encontre o coeficiente angular. 

Ao construir ográfico, aconselha-se desprezar o primeiro ponto.

8.  Usando a expressão [11] determine o valor da capacidade térmica do sistema (C s  -

calorímetro + água), e em seguida encontre a capacidade térmica do calorímetro.

Lembre-se que 1 cal = 4,186 J. 

6.  Determinação do calor específico de um corpo metálico.

6.1. Procedimentos experimentais

1.  Meça 100g de água à temperatura ambiente em uma proveta ou béquer e em

seguida coloque no calorímetro2.

2

 Coletar água fria de um bebedouro; para medir a massa de água, coloque o calorímetrodiretamente sobre a balança e tare-a; acrescente a agua até obter os 100 g.

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2.  Tampe o calorímetro e introduza o termômetro. Agite um pouco o sistema

(calorímetro + água) e aguarde a temperatura estabilizar. Anote na tabela 2 (em anexo)

o valor da temperatura inicial.

3.  Meça a massa do corpo metálico (mcorpo) e anote na tabela 1.

4.  Coloque o corpo metálico dentro de um béquer e encha-o com água. Com um

ebulidor, aqueça o sistema até o ponto de ebulição da água. Aguarde alguns minutos

 para que o corpo metálico entre em equilíbrio térmico com a água (cerca de 10

minutos). Após esse tempo, verifique a temperatura do sistema (T0 corpo) e anote na

tabela 2.

5.  Rapidamente retire o corpo metálico do béquer de agua quente e coloque-o no

calorímetro tampando-o bem. Aguarde até que a temperatura atinja o equilíbrio3 (Teq).

6.  De acordo com a teoria da conservação da energia, em um sistema conservativo a

quantidade de calor cedido por um corpo deve ser igual à quantidade de calor absorvida

 por outro. Assim, determine o calor específico do corpo metálico. Consulte a tabela de

calores específicos e determine o erro percentual de sua medida.

7.  Produza um relatório descrevendo a prática experimental realizada expondo os

dados e a análise dos resultados obtidos respondendo às seguintes questões: I - Os

resultados obtidos estão de acordo com os encontrados da literatura? II - Porque, no

 procedimento para determinação da capacidade térmica aconselhou-se que na

construção do gráfico T(ºC) x t(s) o primeiro ponto fosse desprezado?

3 Ao perceber que a temperatura não varia mais, agite um pouco o sistema e aguarde ao equilíbrio

térmico. Não havendo mais mudanças na temperatura anote o valor indicado.

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7.  Anexo

Tabela 1: Determinação docalor específico de um corpo metálico.

Tabela 2: Valores de temperatura em função do tempo.

Tabela 3: Calores específicos para vários materiais.

8.  Referências

Halliday, Resnick, Jearl Walker, fundamentos de física  –   gravitação, ondas etermodinâmica. Vol. 2, Rio de Janeiro, LTC, 2009.

Sears e Zamansky, física II- termodinâmica e ondas, 10ª ed. São Paulo, Pearson  –  Addisson Wesley, 2003. 

# Temp. (ºC) Tempo (min)1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

m agua (g) m corpo (g) T0 sistema (ºC) T0 corpo (ºC) Teq. (ºC) c (cal/g∙ºC)

Substância Calor Específico (cal/g.°C)

água   1,0

álcool   0,58

alumínio  0,22

ar   0,24

cobre  0,094

ferro  0,11

gelo  0,5

latão  0,092

vidro  0,16

zinco  0,093