Kit Física 3 - Calorimetria

Descrição: O kit conta com um experimento dividido em 7 etapas que abordam diferentes aspectos do calor, incluindo quantidade de calor, capacidade térmica, calor específico, calor latente de fusão e equivalentes elétricos. Os alunos deverão responder a questão prévia individualmente e por escrito antes de iniciar a atividade. No final, o professor deverá discutir novamente a questão com os alunos.

Materiais:

1 Quantidade de calor, massa e temperatura de líquido

• Béquer de 150 mL

• Proveta de 100 mL

• Lamparina ou bico de Bunsen com suporte e tela de amianto

• Álcool

• Dosador

• Água

• Óleo de soja

• Termômetro (-100 C a 1100 C)

• Cronômetro

• Papel milimetrado

2. Medida da capacidade térmica do calorímetro

• Calorímetro

• Termômetro (-10 oC a 110 oC)

• Béquer (150 mL)

• Proveta (100 mL)

• Água (se possível destilada)

• Álcool

• Dosador

• Lamparina ou bico de Bunsen com suporte e tela de amianto

3 Medida do calor específico de metais

• Calorímetro

• Béquer (150 mL)

• Proveta (100 mL)

• Água (destilada se possível)

• Peça de metal com a massa aferida (cada grupo escolhe um tipo de metal)

• Termômetro (-10 oC a 110 oC)

• Lamparina ou bico de Bunsen com suporte e tela de amianto

• Álcool

• Dosador

• Linha cordonê

5. Calor latente de fusão do gelo

• Calorímetro de misturas

• 100 g de água (se possível destilada)

• 30 g de gelo aproximadamente

• Termômetro (-10 0C - 110 0C)

• Bico de Bunsen ou lamparina com suporte e tela de amianto

• Béquer (150 mL)

• Proveta (100 mL)

6. Energia irradiada pelo Sol

• Lata cilíndrica de metal (de bebida) de 350 mL com a superfície lateral pintada com tinta preta fosca.

• Termômetro (-100 C - 1100 C)

• Proveta (100 mL)

7. Equivalente elétrico do calor

• Calorímetro

• Agitador

• Termômetro (-10 oC - 110 oC)

• Resistor de 10 ohms

• Proveta (100 mL)

• 100 mL de água (de preferência destilada)

• Fonte CC 12 V e carregador de bateria (pertencentes ao kit de Eletricidade / Fontes – pilhas recarregáveis)

• Cronômetro

* Obs: A experiência pode ser realizada utilizando 4 pilhas grandes de 1,5 V cada e um resistor de aproximadamente 4,0 ohms.

Questão Prévia:

1 Quantidade de calor, massa e temperatura de líquido: Como poderíamos proceder para determinar a quantidade de energia fornecida por segundo pela chama do fogão da nossa casa?

2. Medida da capacidade térmica do calorímetro: Para que quantidades diferentes de água tenham a mesma variação de temperatura em um mesmo intervalo de tempo, qual a relação entre as quantidades de calor fornecidas?

3 Medida do calor específico de metais: Suponha que se tenha duas peças metálicas, uma de ferro e a outra de alumínio, de mesma massa, em água em ebulição. Ambas são colocadas em recipientes iguais com água a 20oC. Em qual caso a temperatura final da água será mais elevada?

5. Calor latente de fusão do gelo: Em viagem podemos usar uma caixa de isopor com gelo para manter alimentos em baixa temperatura. O isopor não é um isolante perfeito e constantemente o calor flui do ambiente para o interior da caixa. No entanto, a temperatura não aumenta, enquanto houver gelo. Para onde vai este calor?

7. Equivalente elétrico do calor: Como a água do chuveiro é aquecida?

Roteiro para laboratório:

1 Quantidade de calor, massa e temperatura de líquido

Coloque álcool na lamparina, utilizando o dosador.
Utilizando a proveta, meça 100 mL de água que corresponde a 100g de água (d água= 1,0 g/cm3) e coloque-a no béquer.
Meça a temperatura da água antes de começar o aquecimento. Anote este valor correspondente ao tempo de 0,0 min na tabela 1.1. (imagem 1)
Aqueça a água durante aproximadamente um minuto, antes de iniciar as medidas. Após este tempo, acione o cronômetro para começar a medidas do tempo de aquecimento e a temperatura.
Agite o líquido para que a temperatura fique a mesma em todo líquido.
Faça as medidas do tempo em cada minuto e a correspondente temperatura, sempre agitando o líquido. Anote estes valores na tabela 1.1 para um tempo total igual a 3,0 min.
Apague a lamparina.
Retire a água do béquer, resfrie o béquer e o termômetro em água corrente.
Reabasteça a lamparina com álcool. É importante este reabastecimento porque é necessário estar fornecendo a mesma quantidade de calor e também não apagar a chama durante o experimento.
Repita o procedimento anterior, colocando 50 g de água.
Reabasteça a lamparina com álcool. Repita o procedimento acima, colocando 100 g de óleo de soja no béquer. Caso não tenha balança, sabendo que a densidade do óleo de soja é 0,9 g/cm3, calcule o volume correspondente a 100 g de óleo.
Meça este volume de óleo na proveta.

2. Medida da capacidade térmica do calorímetro

Utilizando a proveta, meça 50 mL de água que corresponde a 50 g de água (d água= 1,0 g/cm3).
Coloque a água no calorímetro à temperatura ambiente e agite a água até a temperatura permanecer constante, isto é, atingir o equilíbrio térmico. Anote o valor desta temperatura inicial da água (T1i) e da massa de água (m água 1) na tabela 2.1. (imagem)
Coloque 100 g de água (utilizando a proveta para medir) no béquer, e aqueça a água a uma temperatura de 50oC (não precisa ser necessariamente este valor). Anote o valor desta temperatura (T2i) e da massa de água (m água 2) na tabela 2.1.
Adicione rapidamente a água aquecida à água dentro do calorímetro, tampe-o. Resfrie o termômetro em água corrente, antes de introduzi-lo no calorímetro.
Agite a água até a temperatura permanecer constante, isto é, até atingir o equilíbrio térmico. Anote o valor da temperatura final (Tf) na tabela 2.1.
Repetir a experiência, no mínimo, três vezes.

3 Medida do calor específico de metais

Coloque 100 mL de água (medidos com a proveta) que corresponde a 100 g de água (d água= 1,0 g/cm3) no calorímetro e meça a temperatura inicial da água (Ti água). Anote estes valores na tabela 3.1.
Caso não tenha o valor da massa do metal, determine a massa em uma balança com precisão de 0,1g.
Coloque a peça de metal, presa por um fio, no béquer com água (aproximadamente 80 mL) e aqueça o conjunto até atingir a temperatura de ebulição.
Meça esta temperatura que será a temperatura inicial da peça de metal (Ti metal) e coloque na tabela 3.1. (figura)
Rapidamente retire a peça da água em ebulição e coloque-a no calorímetro e tampe o calorímetro.
Resfrie o termômetro em água corrente antes de introduzi-lo no calorímetro.
Agite a água do calorímetro, até a temperatura ficar constante, ou seja, atingir o equilíbrio térmico.
Meça esta temperatura (Tf) e coloque o valor na tabela 3.1.
Repita este procedimento no mínimo três vezes para cada metal.

5. Calor latente de fusão do gelo

Aqueça a massa de 100 g de água até atingir a temperatura 50oC.
Rapidamente coloque a água aquecida dentro do calorímetro e meça a temperatura de equilíbrio térmico entre a água e o calorímetro (Ti), colocando este valor na tabela 5.1 e também o valor da massa de água.
Retire aproximadamente 30 g de gelo da geladeira e coloque rapidamente dentro do calorímetro. Não se preocupe em obter o valor exato da massa de gelo, porque poderá obtê-lo no final da experiência, quando o gelo se tornar líquido (fig. 5.3). (imagem)
Observe como varia a temperatura dentro do calorímetro, até o sistema atingir o equilíbrio térmico, ou seja, a mesma temperatura. Coloque o valor desta temperatura (Tf) na tabela 5.1. (imagem)
Coloque novamente a água do calorímetro na proveta, meça o volume que é igual numericamente ao valor da massa total de água (d'água = m/V = 1,0 g/cm3), e subtraindo da quantidade de água inicial (100 g), irá obter a massa correta de gelo para colocar na tabela 5.1.

6. Energia irradiada pelo Sol

Coloque 250 mL de água na lata e meça a temperatura inicial (Ti)
Exponha a lata ao Sol em uma posição que achar conveniente, tal que a sombra da lata seja reduzida a um retângulo fazendo com que os raios solares atinjam a superfície lateral da lata (fig. 6.3). imagem
Este procedimento faz com que a energia solar irradiada, seja absorvida pela água, correspondente ao retângulo projetado (fig. 6.3).
Permaneça com a lata no Sol durante 3 a 5 minutos. Durante a exposição agite a lata para tornar mais homogênea a temperatura da água.
Meça a temperatura final (Tf) após este tempo de exposição e anote este tempo.
Meça o diâmetro (D) e o comprimento da lata (h) para calcular a área longitudinal da lata (A) (figura 6.4).

7. Equivalente elétrico do calor

Coloque 100 mL de água, medidos na proveta, no calorímetro.
Mergulhe o resistor na água, deixando os terminais fora do calorímetro, como mostra a (imagem).
Coloque o termômetro na água.
Verifique se o termômetro e o resistor estão livres dentro da água, ou seja, não tocando as paredes do calorímetro.
Meça a temperatura inicial da água e coloque o valor na tabela 7.1. (imagem)
Ligue os terminais do resistor na bateria e simultaneamente acione o cronômetro. Agite a água do calorímetro para a temperatura permanecer uniforme.
Após aproximadamente 5 minutos (240 s), desconecte o resistor da bateria e meça novamente a temperatura (Tf) da água. Coloque este valor na tabela 7.1.
Repita o procedimento, no mínimo duas vezes, caso tenha possibilidade.