FÍSICA EXPERIMENTAL II
RELATÓRIO VII EQUILÍBRIO TÉRMICO E CURVA DE AQUECIMENTO
Professor: Robson Florentino Turma: 3019 Grupo: Aline Barbosa
Aline dos Santos
Igor Assis
Pamela Lima
Leandro Conti
Luiz Carlos Borges Renata Macedo
EQUILÍBRIO TÉRMICO Se colocarmos um objeto quente próximo a um frio, logo os dois estarão na mesma temperatura, ou seja, o calor é transferido do objeto com temperatura maior para o objeto com temperatura menor. Um exemplo desse fenômeno de transferência térmica é quando misturamos café quente com leite frio. Você pode perceber que ao realizar essa mistura, a temperatura dos dois líquidos tende a se igualar até que fique igual, daí o porquê da mistura ficar morna. A explicação científica é o Equilíbrio Térmico. Ao misturarmos o leite com o café, a reação de transferência tem início, no início ainda podemos sentir o calor do café em meio ao líquido, mas bastam apenas alguns segundos para a temperatura se modificar. O fluxo de calor se move rapidamente até chegar ao equilíbrio térmico.
CURVA DE AQUECIMENTO E MUDANÇAS DE ESTADOS FÍSICOS DA ÁGUA
MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO As passagens entre os três estados físicos (sólido, líquido e gasoso) têm o nome de mudanças de estado físico.
Você já viu como num dia quente, um pedaço de gelo logo derrete depois de tirado do congelador? Nesse caso, a água em estado sólido passa rapidamente para o estado líquido. Essa mudança de estado é conhecida como fusão.
• Fusão Passagem, provocada por um aquecimento, do estado sólido para o estado líquido. O aquecimento provoca a elevação da temperatura da substância até ao seu ponto de fusão. A temperatura não aumenta enquanto está acontecendo a fusão, isto é, somente depois que toda a substância passar para o estado líquido é que a temperatura volta a aumentar.
O ponto de fusão de uma substância é a temperatura a que essa substância passa do estado sólido para o estado líquido. No caso da água o ponto de fusão é de 0ºC. Assim, o bloco de gelo permanecerá a 0ºC até todo ele derreter para só depois sua temperatura começar a se elevar para 1ºC, 2ºC etc. Mas o contrário também acontece. Se quisermos passar água do estado líquido para o sólido, é só colocarmos a água no congelador. Essa mudança de estado é chamada solidificação.
• Solidificação Passagem do estado líquido para o estado sólido, através de arrefecimento (resfriamento). Quando a substância líquida inicia a solidificação, a temperatura fica inalterada até que a totalidade esteja no estado sólido, e só depois a temperatura continua a baixar.
No caso da água o ponto de solidificação é de 0ºC. Assim, a água permanecerá a 0ºC até que toda ela congele para só depois sua temperatura começar a diminuir para -1ºC, - 2ºC etc. Você já percebeu que, quando uma pessoa está cozinhando, ela tem que tomar cuidado para que a água não suma da panela e a comida queime e grude no fundo? Mas para onde vai a água? A água passa para o estado gasoso: transforma-se em vapor, que não pode ser visto. A passagem do estado líquido para o estado gasoso é chamada vaporização.
• Vaporização Passagem
do
estado
líquido
para
o
estado
gasoso,
por
aquecimento.
Se for realizada lentamente chama-se evaporação, se for realizada com aquecimento rápido chama-se ebulição. Durante a ebulição a temperatura da substância que está a passar do estado líquido para o estado gasoso permanece inalterada, só voltando a aumentar quando toda a substância estiver no estado gasoso.
• Ebulição O ponto de ebulição de uma substância é a temperatura a que essa substância passa do estado líquido para o estado gasoso. gua o ponto de ebulição é de 100ºC. Assim toda a água permanecerá a 100ºC até toda ela tenha evaporado para somente depois sua temperatura começar a aumentar para 101ºC, 102ºC etc. A água pode passar do estado de vapor para o estado líquido. É fácil observar essa passagem. Quantas vezes você já não colocou água gelada dentro de um copo de vidro fora da geladeira? Depois de um tempo, a superfície do lado de fora fica molhada, não é mesmo? As pequenas gotas de água se formam porque o vapor de água que existe no ar entra em contato com a superfície fria do copo e se condensa, isto é, passa para o estado líquido. Essa mudança de estado é chamada condensação, ou liquefação.
• Condensação Passagem do estado gasoso para o estado líquido, devido ao um arrefecimento (resfriamento). Quando a substância gasosa inicia a condensação, a temperatura fica inalterada até que a totalidade esteja no estado líquido, e só depois a temperatura continua a baixar.
Um exemplo de condensação é o orvalho e a geada! Às vezes, quando está frio, logo de manhã vemos que muitas folhas, flores, carros, vidraças e outros objetos que estão no ar livre ficam cobertos de gotas de água, sem que tenha chovido: é o orvalho.
O orvalho se forma quando o vapor de água presente no ar se condensa ao entrar em contato com superfícies que estão mais frias que o ar. Se a temperatura estiver muito baixa, a água pode congelar sobre as superfícies frias, formando uma camada de gelo: é a geada, que pode causar prejuízos às plantações, já que o frio pode destruir folhas e frutos.
Você já observou que certos produtos para perfumar o ambiente instalados no banheiro, por exemplo, vão diminuindo de tamanho com o tempo? Isso acontece porque eles passam diretamente do estado sólido para o estado gasoso. Essa passagem do estado sólido para o gasoso e vice-versa é chamada sublimação.
• Sublimação Passagem direta de uma substância do estado sólido para o estado gasoso, por aquecimento, ou do estado gasoso para o estado sólido, por arrefecimento. Ex. Gelo seco, naftalina.
Naftalina
1. EXPERIMENTO VII • Equilíbrio Térmico e Curva de Aquecimento • Data: 18 de outubro de 2011 2. OBJETIVO DO EXPERIMENTO: • Conhecer alguns equipamentos essenciais para se trabalhar em um Laboratório Experimental de Física; • Observar e verificar como dois corpos com temperaturas diferentes chegam ao equilíbrio térmico; • Observar, classificar e identificar as mudanças de estados físicos e montar gráficos dessas mudanças no decorrer do tempo;
3. ROTEIRO DO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Equilíbrio Térmico 3.a - Roteiro do experimento • Colocar 100 ml de água ambiente dentro do calorímetro e verifique sua temperatura; • Acrescentar 50 ml de água fervente (verificar previamente a temperatura) ao calorímetro; • Aguardar e verificara a temperatura dessa “mistura”; • Explicar quem ganha e quem perde calor; • Acrescentar gelo (verificar previamente a temperatura) ao calorímetro; • Aguardar e verificar a temperatura dessa mistura; • Explicar quem ganha e quem perde calor nessa mistura;
Curva de aquecimento e mudanças de estados físicos da água 3.b - Roteiro do experimento • Prender o termômetro na haste com auxílio das mufas; • No Becker colocar gelo picado, ler e anotar a temperatura; • Aguardar dois minutos e verificar a temperatura novamente; • Aquecer o Becker com a lamparina, e verificar a temperatura e se há existência do gelo “na mistura”; • Ao derreter todo o gelo, verificar a temperatura e o tempo que o gelo levou para derreter; • Observar e anotar a temperatura e o tempo, a cada minuto e anotar os resultados; • Quando começar a levantar fervura, verificar e anotar a temperatura e o tempo; • Deixar a água ferver por um certo tempo, anotar a temperatura e o tempo a cada minuto e em seguida anotar os resultados; • Fazer um gráfico (temperatura x tempo) do fenômeno observado; • Explicar o porquê em certos pontos do gráfico não aumentou a temperatura (platô); • Responder as questões do experimento dadas pelo professor;
4. ESQUEMA DO APARATO UTILIZADO → Lamparina - Para geração de calor → Tripé delta com sapatas niveladoras amortecedoras → Mufas duplas e 90 graus → Pinças com cabo → Agitador → Termômetros → Haste metálica → Becker → Proveta
→ Gelo picado → Água em temperatura ambiente → Água fervente → Calorímetro → Cronômetro 5. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS INSTRUMENTOS • Lamparina É constituída de um recipiente com algum tipo de óleo combustível, sobre o qual flutua um pedaço de madeira ou cortiça, com um pavio encerado fixo. Seu uso se estende desde a pré-história até os dias de hoje.
• Cronômetro O cronômetro (do grego chrónos, 'tempo', mais o sufixo métron, que mede'), em sentido extensivo, é um instrumento mecânico de precisão, para medir intervalos de tempo com aproximação de décimo de segundo ou menos, mas para a horologia, é um relógio com balanço (free-sprung) ou escapamento (detent) especial, cientificamente ajustado para atingir máxima precisão. Sua performance então é comparada com o tempo real por um observatório. Hoje em dia, cronômetros são aqueles relógios que cumprem os requisitos mínimos
impostos por um corpo independente, que os analisa e qualifica. Atualmente, quase todos os cronômetros atendem as exigências do ISO 3159, padrão aplicado pelo COSC (Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres, o escritório suíço oficial para medições dos cronômetros).
•Tripé • Haste metálica • Mufas duplas de 90 graus • Pinças com cabo Equipamentos utilizados em laboratórios de Física no apoio para experimentos.
• Agitador
• Becker É de uso geral em laboratório. Serve para fazer reações entre soluções, dissolver substâncias sólidas, efetuar reações de precipitação e aquecer líquidos. Pode ser aquecido sobre a TELA DE AMIANTO.
• Proveta Usada para medidas não rigorosas de volumes líquidos. As provetas apresentam capacidade que variam de 10 a 2000 ml ou mais. São mais exatas que os copos graduados. As de menor capacidade são graduadas em 0,1 ml, espaçando-se a graduação à medida que sua capacidade aumenta.
• Água
• Gelo picado
• Água fervente
• Calorímetro O calorímetro é um aparelho isolado termicamente do meio ambiente e muito utilizado nos laboratórios de ensino para fazer estudos sobre a quantidade de calor trocado entre dois ou mais corpos de temperaturas diferentes. É um recipiente de formato bem simples, construído para que não ocorra troca de calor entre o mesmo e o meio ambiente. Existem vários formatos de calorímetro, mas todos são constituídos basicamente de um recipiente de paredes finas que é envolvido por outro recipiente fechado de paredes mais grossas e isolantes. O calorímetro evita a entrada ou saída de calor assim como na garrafa térmica, por exemplo.
• Termômetro Termômetro é todo instrumento capaz de medir a temperatura dos sistemas físicos. Os tipos mais comuns de termômetros são os que se baseiam na dilatação do mercúrio. Outros determinam o intervalo de temperatura mediante o aumento da pressão de um gás ou pela curvatura de uma lâmina bimetálica. Alguns empregam efeitos elétricos, traduzidos pelo aparecimento de correntes elétricas quando o ponto de solda de dois metais diferentes é aquecido.
6. DADOS OBTIDOS E RESPOSTAS DO QUESTIONÁRIO 6.1 Equilíbrio Térmico • Temperatura dos 100 ml de água dentro do calorímetro: 24°C (ambiente) • Temperatura da água fervente: 61°C • Temperatura da “mistura” das águas após 2 minutos cronometrados: 35°C a água que estava na temperatura ambiente ganhou calor e a água fervente perde calor. Porque ao misturá-las no calorímetro a água quente com a fria, logo as duas estarão na mesma temperatura, ou seja, o calor é transferido da água fervente para a água de temperatura ambiente ocorrendo o equilíbrio térmico. • Temperatura do gelo: 0°C • Acrescentou gelo, e após aguardar 2 minutos a temperatura da “mistura” foi: 11°C (ponto de fusão) • A água ambiente perdeu calor e o gelo ganhou calor. Porque ao misturá-las no calorímetro a água com o gelo, logo os dois estarão na mesma temperatura, ou seja, o calor é transferido da água para o gelo ocorrendo o equilíbrio térmico.
6.2 Curva de Equilíbrio e Mudanças de Estados Físicos da água → Temperatura do gelo picado no Becker: 3°X → Aguardou-se 2 minutos e foi verificada a temperatura: 3°X (estabilizou) → Temperatura do sistema ao derreter todo gelo e o tempo: 38°X e 1m:50s → Temperatura após um tempo minuto: 60°X e 3m:00s → Temperatura e o tempo quando levantou fervura: 96°X e 3m:40s → Após um tempo a temperatura observada foi: 100°X 4m:00s → Gráfico (temperatura X tempo) – em anexo → Não houve o aumento de temperatura pois conforme o gráfico (figura abaixo) mostra, nos momentos de mudança dos estados físicos da água (fusão, vaporização) a temperatura mantêm-se inalterada até o momento de mudança total do estado físico da água.
• As mudanças observadas foram: Fusão e Liquefação e Vaporização.
6.3 Gelo na Proveta → Temperatura Ambiente: 24°C → Temperatura do gelo na proveta: 3°C → Após aguardar dois minutos foi verificado um “suor” na proveta, que seria a condensação do ar em torno da proveta. → A água líquida vem do ar em torno da proveta. → Ocorreu uma condensação, ou seja, mudança de vapor para líquido. → Ocorre uma condensação e solidificação quase que instantânea (muito rápida) do ar em volta da garrafa. → Não. Pois a pressão altera a temperatura os pontos de mudança dos estados físicos da água. Ex: Quanto menor a pressão maior o ponto de ebulição.
7. Cรกlculos 7.1 Escala de conversรฃo
CONCLUSÃO Através deste experimento, foi possível o detalhamento e identificação dos pontos de mudança de estado físico da água e o comportamento de cada estado. Ao analisar a curva de aquecimento, foi possível praticar o estudo do calor latente e sensível e suas peculiaridades nos momentos de mudança de estado. Foi possível observar que, devido a transferência de calor entre os elementos estudados, aconteceu a perda de calor da água quente e a absorção do calor pela água fria, comprovado assim o conceito do equilíbrio térmico que estamos estudando. Foi importante o exercício para o melhor aprendizado da utilização de cada equipamento e o quanto é necessário o manuseio correto de cada um deles, para a obtenção dos dados de forma mais precisa e eficaz. Um dado importante no experimento foi o detalhamento de cada cálculo de forma clara para melhor entendimento, tornando o aprendizado mais profundo e claro. A discussão entre os componentes do grupo sobre cada novo tópico pesquisado e a importante ajuda do instrutor durante a realização do experimento, acrescentou importantes dados para o aprendizado, execução e conclusão deste trabalho, esclarecendo as dúvidas e fixando cada comentário feito através da realização dos cálculos e comprovação dos resultados.