Discentes:

Fabrício Roosevelt;Jovaniel Inácio;Ovídio Cabral;Patrícia Maria; Ricardo Allan.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICACURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

DISCIPLINA DE FUNDAMENTOS DE FISÍCO-QUÍMICA

Calorímetro de Gelo

Introdução Teórica

o Calor é a energia transferida em consequência de uma diferença de temperatura. o A calorimetria estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor.

Calor

Caloro Desta forma podemos construir termômetros, ou

seja, dispositivos com os quais podemos comparar corpos “mais quentes” (temperatura acima), ou “mais frios” (temperatura abaixo) do que certo referencial.

o É observado também que a direção do fluxo de calor é sempre do corpo “mais quente” para o “mais frio”. Este fato ilustra a 2ª lei da termodinâmica, isto é, todo fenômeno natural (espontâneo) só ocorre em uma direção.

CalorEquilíbrio Térmicoo Experimentalmente dizendo, observa-se que:

Quando dois corpos são colocados em contato físico (por exemplo, água e gelo),

e certo fluxo de energia térmica se estabelece entre

si durante um tempo.

Quando o fluxo para, então se diz que os corpos estão em equilíbrio térmico, ou à

mesma temperatura.

Calor

ϴA > ϴB

A BEnergia Térmica

Calor

Diminui Aumenta

ϴA ϴB

ϴE

Temperatura de Equilíbrio térmico

Equilíbrio Térmico

Caloro Em sistemas cujas paredes não são isolantes

térmicos, se o sistema está mais frio do que a vizinhança, a energia flui da vizinhança para o sistema e a energia interna do sistema aumenta.

o Portanto, quando a energia interna de um sistema se altera por transferência de energia na forma de calor, temos: ∆U = q

Caloro A unidade é joules (J), no entanto, a caloria (cal),

também é usada. o A relação entre calorias e joules é:

Se entra energia no sistema na forma de calor aumenta a energia interna e q é positivo; Se energia deixa o sistema na forma de calor diminui a energia interna e q é negativo.

1 cal = 4,184 J

Caloro Para se relacionar a energia da troca de calor entre o

sistema e a vizinhança, usa-se:

q = qviz

q transferência na forma de calor da vizinhança para o sistema.

qviz transferência na forma de calor do sistema para vizinhança. Quando um processo libera calor para a vizinhança é chamado de processo exotérmico. Se um processo absorve calor é chamado de processo endotérmico.

Tipos de CalorCalor Sensívelo É a quantidade de calor recebida ou cedida

por um corpo ao sofrer uma variação de temperatura, sem que haja mudança de fase.

Tipo de CalorCalor Sensívelo A quantidade de calor sensível (Q) que um

corpo de massa m recebe é diretamente proporcional ao seu aumento de temperatura. Usando a seguinte fórmula:

Tipo de CalorCalor Latenteo Se ao receber ou ceder calor, o corpo sofrerá

apenas uma mudança de fase, sem haver variação de temperatura o calor é chamado latente.

Tipos de CalorCalor Latenteo Essa é a grandeza física que informa a quantidade de

energia térmica que uma unidade de massa de uma substância deve perder ou receber para que ela mude de estado físico

o O calor latente de uma substância é calculado através da razão entre a quantidade de calor (Q) que a substância deve receber ou ceder e a massa (m) da mesma.

Calor e o Calorímetroo O vocábulo calorímetro é utilizado para indicar

um instrumento usado na medição de calor envolvido numa mudança de estado de um sistema.

o Este pode envolver uma mudança de fase, de temperatura, de pressão, de volume, de composição química ou qualquer outra propriedade associada com trocas de calor.

O Calor e a Entalpiao Entalpia, por vezes referida como entalpia absoluta,

é uma grandeza física definida no âmbito da termodinâmica clássica de forma que esta meça a máxima energia de um sistema termodinâmico, teoricamente passível de ser deste removida na forma de calor.

o Em acordo com o apresentado, a entalpia absoluta ou simplesmente entalpia, H, define-se por: H = U + PV

O Calor e a Entalpiao Entalpia é a quantidade de energia em uma

determinada reação, podemos calcular o calor de um sistema através da variação de entalpia (∆H).

o A variação da Entalpia está na diferença entre a entalpia dos produtos e a dos reagentes, sendo assim, o calor de uma reação corresponde ao calor liberado ou absorvido em uma reação.

o A variação da entalpia pode ser determinada pela seguinte equação:

Δ Htotal = ΔH final – ΔH inicial

o Ela depende da temperatura, pressão, estado físico, número de mol e da variedade alotrópica das substâncias.

O Calor e a Entalpia

o Quando um sistema imerso em um ambiente à pressão constante sofre um processo qualquer, indo de um estado inicial "i" para um estado final "f", a quantidade de energia trocada com a vizinhança na forma de trabalho é definida apenas pela variação de volume

ΔV = Vf – Vi , τ = PΔV τ = P(Vf – Vi)

o Pela Lei da conservação da energia: Q = τ + ΔU (1ª Lei)

o Como a energia interna e o volume do sistema são funções de estado, segue-se que nestes processos a quantidade de calor trocada também é uma função de estado. A expressão acima permite a definição de uma grandeza física conhecida por entalpia H de forma que:

Q = ΔH = ΔU + PΔVΔH = Hf – Hi = (Uf + PVf) – (Ui + PVi) = ΔU + PΔV = Q

O Calor e a Entalpia

Apresentação do Artigo

Introdução Teórica

CALORÍMETRO DE GELO: UMA ABORDAGEM HISTÓRICA E EXPERIMENTAL PARA O ENSINO

DE QUÍMICA NA GRADUAÇÃO Guilherme W. Tavares e Alexandre G. S. Prado

Quim. Nova, Vol. 33, No. 9, 1987-1990, 2010

ARTIGO

Apresentação do Artigo

Introdução Teórica

Introdução

Introduçãoo A medição do calor é bem antiga e o

fenômeno do calor é um dos mais comuns atribuídos à natureza e sentido pelo homem;

o Séculos atrás problemas que intrigaram os cientistas;

o No início do século XVIII nenhum método era conhecido para medir a quantidade de calor.

Introduçãoo O calorímetro surgiu tornando-se um instrumento

de trabalho largamente utilizado para investigações;o Durante todo o século XVIII e início do século XIX, a

natureza do calor estava entre uma das áreas estudadas mais intensivamente;

o As primeiras medidas da capacidade calorífica foram medições dos calores específicos método de mistura;

o Em 1784, Lavoisier e Laplace publicaram a descrição de um calorímetro de gelo.

Calorímetroo Quando esse objeto que estava

à alta temperatura estiver à temperatura do gelo, certa quantia de água é formada pelo derretimento do gelo, podendo ser drenada pela torneira de baixo e pesada posteriormente.

o Conhecendo o calor de fusão do gelo, o calor liberado por esse processo pode ser calculado pela massa de gelo fundido durante o processo.

Figura 01. Esquema do calorímetro de Lavoisier. (Fonte: TAVARES e PRADO, 2010)

o Este calorímetro foi utilizado para vários estudos visando a determinação da capacidade calorífica específica de metais, calores de dissolução e de reação.

o Lavoisier e Laplace calorímetro funciona bem em uma temperatura ambiente de 4 °C

o Muitos cientistas tiveram dificuldade em obter resultados consistentes apresentava uma proteção inadequada contra a influência da temperatura ambiente.

Calorímetro

Calorímetroo Vantagem do calorímetro de gelo: capacidade

de medir mudanças lentas de calor;o Quantidade de calor é medida pela diminuição

do volume de gelo conforme ele derrete;o Alguns pesquisadores provaram a viabilidade

dos calorímetros de gelo, porém muitos deles não são fáceis ou rápidos de serem fabricados.

Objetivoso Determinar a capacidade calorífica específica

de corpos metálicos (alumínio, chumbo, cobre e estanho) em um sistema calorimétrico isotérmico extremamente simples de ser construído e manipulado, feito com materiais de fácil obtenção, comparando os valores obtidos com os valores teóricos já conhecidos.

Apresentação do Artigo

Introdução Teórica

Introdução

Procedimento Experimental

Procedimento Experimental o Materiais utilizados

– Chapa de aquecimento: alumínio, chumbo, estanho e cobre;– Balança;– Béquer;– Cafeteira de alumínio usada;– Caixa de isopor;– Durepox;– Gelo picado;– Mangueiras;– Ralo metálico de pia;– Rolha;– Termômetro;– Torneiras;– Tripé.

Figura 02. Materiais utilizados para a confecção do calorímetro (Fonte: TAVARES e PRADO, 2010)

Procedimento Experimental o O esquema do calorímetro de gelo de baixo custo pode ser observado na figura

abaixo (B), o qual foi construído usando um ralo metálico de pia preso com arame em uma cafeteira de alumínio. A cafeteira foi colocada dentro de uma caixa de isopor.

Figura 03. Foto do calorímetro de Lavoisier (A) e visão interna do calorímetro de gelo de baixo custo (B) (Fonte: TAVARES e PRADO, 2010).

Procedimento Experimental

Figura 04. Desenho esquemático do sistema calorimétrico (Fonte: TAVARES e PRADO, 2010)

Determinação da capacidade calorífica específica dos metais

A amostra de metal previamente pesada foi colocada no ralo metálico

em um béquer contento 600 mL água a 96 ºC por 10 min.

O recipiente interno foi parcialmente preenchido com gelo.

O corpo metálico aquecido foi adicionado ao

calorímetro rapidamente e um pouco de gelo foi

lançado em cima do metal , sendo determinado um período de 15 min de

contato do gelo com o metal.

A caixa de isopor foi totalmente preenchida com gelo picado até a borda do recipiente interno.

Uma determinada quantia de água foi recolhida pela torneira de baixo. Essa massa de gelo fundido

foi pesada para a determinação do calor específico do metal em

questão.

Apresentação do Artigo

Introdução Teórica

Introdução

Procedimento Experimental

Resultados e Discussão

Resultados e discussão

• A lei zero da termodinâmica, dentro de um recipiente termicamente isolado (ideal).

• Considerando uma substância de massa m, capacidade calorífica específica c, o calor necessário Q para variar a temperatura dessa substância de ∆T, será dado por: Q=mc ∆T

• O calor gerado Q é calculado através da massa de água multiplicada pelo calor latente da água L: Q=mL

• Assim, tem-se que: mc ∆T=maL Desse modo, as capacidades caloríficas específicas de todos os corpos podem ser determinadas, onde a água atua como um corpo de referência.

• Os resultados obtidos estão bem próximos aos encontrados na literatura.

(Fonte: TAVARES e PRADO, 2010).

Resultados e Discussão

Comparação dos Valores teóricos e experimental

Material Valor Teórico* Valor Experimental*

Alumínio 0,204 0,219

Chumbo 0,0300 0,0315Cobre 0,086 0,091

Estanho 0,046 0,050

*Capacidade calorífica específica dada em cal/g.°C

- A diferença entre os dados experimentais deve estar associada às diferenças de temperatura ambiente e à formação de blocos de gelo, o que dificulta o escoamento da água.

Apresentação do Artigo

Introdução Teórica

Introdução

Procedimento Experimental

Resultados e Discussão

Conclusão

Conclusãoo O experimento permitirá aos alunos de graduação um

contato com a história e o trabalho de um químico extremamente importante, Antoine Laurent Lavoisier.

o Permite a construção de um fácil calorímetro isotérmico, além de inserir conceitos importantes como calor, capacidade calorífica específica e a lei zero da termodinâmica.

o Os resultados obtidos mostraram que é possível encontrar valores consistentes das capacidades caloríficas específicas próximos aos valores da literatura.

OBRIGADO!!!