Equilíbrio Térmico

FÍSICA EXPERIMENTAL II

RELATÓRIO VII

EQUILÍBRIO TÉRMICO

E CURVA DE

AQUECIMENTO

Professor: Robson Florentino

Turma: 3019

Grupo:

Aline Barbosa Aline dos Santos Luiz Carlos Borges

Igor Assis Pamela Lima Renata Macedo

Leandro Conti

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.

Cálculos

7.1

Escala de conversão

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.