Capacidade Térmica Mássica

Problema

. Porque é que no Verão a areia fica escaldante e a água do mar não?

. Porque é que os climas marítimos são mais amenos do que os continentais?

Objectivo

. Determinar a capacidade térmica mássica do ferro e do cobre;

. Cumprir todas as normas de segurança e higiene no laboratório.

Introdução

Nesta actividade experimental vai ser utilizada a expressão C = Δt.I.U / m.Δq para calcular a capacidade térmica mássica de uma substância. A capacidade térmica de uma substância corresponde à quantidade de energia necessária para fazer variar de ΔqºC a temperatura de uma certa massa de um material.

Esta expressão mostra que esta quantidade de energia é directamente proporcional à massa da substância e à variação da temperatura pretendida, isto é:

. Para obter a mesma variação da temperatura, é necessário fornecer ou retirar uma quantidade de energia tanto maior quanto maior for a massa do material cuja temperatura se quer alterar;

. Para a mesma massa, quanto maior for a variação de temperatura que se pretende obter, maior a quantidade de energia é necessário fornecer ou retirar;

. A constante de proporcionalidade denomina-se capacidade térmica mássica da substância. Para temperaturas iguais ou superiores à temperatura ambiente, tem um valor constante que caracteriza a maior ou menor facilidade que essa substância tem para absorver energia.

A capacidade térmica mássica de uma substância é numericamente igual à quantidade de energia que é necessário transferir para a massa de 1kg dessa substância, para que esta experimente a variação de temperatura de 1k (ou de 1ºC).

Material

. 1 Fonte de alimentação;

. 1 Voltímetro (± 0,01 Volts);

. 1 Amperímetro (± 0,01 Amperes);

. 1 Cronómetro;

. 1 Balança (± 0,01g);

. 1 Bloco de Ferro;

. 1 Bloco de Cobre;

. 1 Termómetro (± 0,5 ºC)

. Glicerina (L);

. 1 Interruptor;

. 1 Gobelé 250 mL;

. 1 Placa de esferovite;

. Fios de ligação;

. Crocodilos;

. Resistência eléctrica.

Procedimento

1. Pesaram-se os blocos metálicos;

2. Montou-se o circuito eléctrico com a resistência de aquecimento, a fonte de alimentação, o amperímetro (em série) e o voltímetro (em paralelo);

3. Registou-se as incertezas absolutas de leitura de cada um dos materiais utilizados na montagem do circuito eléctrico;

4. Colocou-se um pouco de glicerina no interior de um dos orifícios do bloco de cobre;

5. Colocou-se a resistência de aquecimento e o termómetro nos restantes orifícios do bloco de cobre;

6. Ligou-se a fonte de alimentação;

7. Fechou-se o circuito e iniciou-se a contagem no cronómetro, simultaneamente;

8. Registou-se, minuto a minuto, os valores obtidos (temperatura, intensidade e diferença de potencial) numa tabela;

9. Calculou-se a capacidade térmica mássica do cobre;

10. Calculou-se a percentagem de erro do valor calculado e comparou-se com o valor tabelado;

11. Elaborou-se um gráfico q = f(t), que ilustra a variação da temperatura do bloco.

Para o bloco de ferro efectuou-se o mesmo procedimento.

Tabelas

Bloco de Cobre

Bloco de Ferro

Cálculos

Bloco de Cobre

Dados:

m_bloco= 1021,80g = 1021,80 x 10^-3

q_final= 97ºC = 370K

q_inicial = 26ºC = 299K

Δt= 10m = 600s

C_tabelado= 390 J kg^-1 k ^-1

ΔT=370-299=71K

I=(5,11+5,21+5,23+5,19+5,05+5,17+5,12+5,15+5,10+5,13+5,19)/11=5,150A

U=(3,66+3,18+3,32+0,93+3,65+3,79+3,80+3,91+4,01+3,78+3,55)/11=3,416V

C = Δt.I.U / m.ΔT, em que C = capacidade térmica mássica

= 600 x 5,150 x 3,416 / 1021,80 x 10^-3 x 71 = 145 J Kg^-1 K^-1

ΔC=| C_medido - C_tabelado |, em que ΔC = incerteza absoluta

= |145 – 390|

= 245 J Kg^-1 K ^-1

q_r = ΔC / C_tabelado x 100, em que q_r = incerteza relativa

= 245 / 390 x 100 = 63%

Bloco de Ferro

Dados:

m_bloco=1005,32g = 1005,32 x 10^-3 Kg

q_inicial = 25ºC = 298K

q_final= 105ºC = 378K

Δt= 10m = 600s

C_tabelado= 460 J kg^-1 k ^-1

ΔT=378-298=80K

I=(5,43+5,43+5,38+5,41+5,42+5,41+5,39+5,41+5,43+5,42+5,41)/11=5,413A

U=(0,62+3,46+3,68+3,86+4,65+3,70+3,30+3,34+3,08+3,32+3,47)/11=3,316V

C = Δt.I.U / m.ΔT, em que C = capacidade térmica mássica

= 600 x 5,41 x 3,316 / 1005,32 x 10^-3 x 80 = 134 J Kg^-1 K^-1

ΔC=| C_medido - C_tabelado |, em que ΔC = incerteza absoluta

= |134 – 460|

= 326 J Kg^-1 K ^-1

q_r = ΔC / C_tabelado x 100, em que q_r = incerteza relativa

= 326 / 460 x 100 = 71%

Gráficos

Discussão de Resultados/ Conclusão

Depois da execução desta actividade experimental e, respondendo aos problemas levantados no decorrer da mesma, posso concluir que:

1. O material de que é feita a areia e a água apresentam capacidades térmicas mássicas diferentes, devido a serem substâncias diferentes. Se considerarmos uma dada massa de água e igual massa de areia, aquecidas pela radiação solar durante o mesmo tempo, a elevação de temperatura na areia é muito mais elevada, porque a capacidade térmica mássica da areia é muito menor que a da água. Isto faz com que a mesma quantidade de energia transferida provoca um menor aquecimento da água do que aquele que se verifica na areia.

2. Quanto maior for a capacidade térmica mássica de um material, o arrefecimento do mesmo demora mais tempo a efectuar-se, ou seja, a água do mar emite para a atmosfera menor quantidade de calor, logo o clima será mais ameno. Pelo contrário, as areias e outros materiais existentes num clima continental, tendo uma capacidade térmica mássica mais baixa, arrefecem rapidamente, isto é, aquecem rapidamente o meio ambiente e por isso o clima é menos ameno.

Podemos ainda referir que os climas marítimos são mais amenos do que os continentais porque, devido à sua enorme capacidade térmica mássica, a água é capaz de armazenar grandes quantidades de energia ao longo do dia, que aquando do arrefecimento nocturno, pode libertar, aquecendo o ar das vizinhanças.

Nesta actividade experimental foi utilizada a glicerina para aumentar a condutividade térmica do metal. Mas nem isto foi suficiente para a obtenção de bons resultados, pois as incertezas relativas obtidas nesta experiência ultrapassaram os 50%, ficando bastante “longe” dos valores tabelados, devido a vários factores como:

. Existência de grandes dissipações na zona dos crocodilos. Prova disto foi o facto de um crocodilo se ter danificado;

. Existência de muitas perdas de energia através da resistência, pois esta esteve ligada, desnecessariamente, durante algum tempo, e também através do sistema, pois este era um sistema aberto (trocas de matéria e energia);

. Existência de muitas oscilações nos valores registados no amperímetro e no voltímetro, provavelmente provocadas por movimentos bruscos ocorridos junto do local de ocorrência da actividade experimental;

. Houve, provavelmente, uma má colocação do termómetro, o que provocou uma má leitura das temperaturas;

. Existência de impurezas no orifício do bloco metálico onde foi colocada a glicerina, o que fez com que aumentasse a condutividade térmica não só do metal, como também dessas substâncias, alterando os valores da temperatura.

Mas apesar de tantas “imperfeições”, consegui chegar à conclusão pretendida nesta experiência: a capacidade térmica do ferro é superior à capacidade térmica do cobre. Por isso, o aquecimento do ferro e consequente arrefecimento irão ser mais lentos que o do cobre.

Bibliografia

. http://pt.wikipedia.org/wiki/Capacidade_térmica_mássica

. http://www.cidepe.com.br/resources/multimidia/images/upload/produtos/ m1226324736_EQ213.jpg

. http://radamesm.files.wordpress.com/2009/04/balanca.jpg

. http://maisonhair.com.br/loja/images/glicerina.jpg

. Simões, T., Sobrinho, Queirós, M. Alexandra, Simões, M. Otilde., 2008, Química em Contexto Química 10, 1ª edição, Porto Editora, Porto, Portugal.

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