Cadeira TEM, 1o semestre 2007/2008 LABO 1: Calor específico Determinação do calor específico do Cobre (Cu), Chumbo (Pb), e vidro utilizando um calorímetro TEORIA A quantidade de calor Q que é absorvida ou libertada quando um corpo é aquecido ou arrefecido é proporcional à variação de temperatura T e à sua massa m. Q = c m T 1 O factor de proporcionalidade c, o calor específico do corpo é uma quantidade que depende apenas do material. Nesta experiência, o calor específico de vários sólidos ( Cu, Chumbo, vidro) vai ser determinado. Em cada caso, a massa do corpo é determinada (m1), o corpo é aquecido com vapor de água até uma temperatura T1=100C, e depois colocado num termos com água (água com massa m2, que se encontra a uma temperatura inicial T2). Após se atingir o equilíbrio ( agitação mecânica) o corpo e a água atingem uma temperatura de equilíbrio Tm por permuta de calor. A quantidade de calor libertada pelo corpo quente: Q1 = c1 m1 (T1-Tm) 2 é igual à quantidade de calor absorvida pela água Q2 = c2 m2 (Tm-T2) 3 onde c2 e m2 são respectivamente o calor específico da água (c2 = 4.186 kJ/(kg C)) e a sua massa. A Fig.1 representa esquemáticamente o corpo quente à temperatura T1, a ser lançado no calorímetro (água à temperatura T2). Após se atingir o equilíbrio, a temperatura final e Tm. Fig.1 T1 Tm T2 R. Schwarz, Versão do 12.10.2007 1 LABO 1: Calor específico Cadeira TEM, 1o semestre 2007/2008 Podemos assim determinar c1 = c2 (m2/m1) (Tm-T2)/(T1-Tm) 4 Na realidade, o termos (o calorímetro) tambem absorve algum do calor libertado pelo corpo quente . Para o calorímetro utilizado nesta experiencia, a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro equivale a uma quantidade de calor absorvida por uma massa equivalente de água (mequi). Assim a expressão 3 altera-se para Q2 = c2 (m2+mequi) (Tm-T2) 5 e a expressão 4 altera-se para: c1 = c2 (m2+mequi)/m1) (Tm-T2)/(T1-Tm) onde c2 = 4.186 kJ/(kg C) mequi = 0.024kg 6 MÉTODO EXPERIMENTAL 1-EQUIPAMENTO: 1-calorímetro (termos) 2-tampa do termos com abertura para termómetro e suporte do corpo R. Schwarz, Versão do 12.10.2007 2 LABO 1: Calor específico Cadeira TEM, 1o semestre 2007/2008 3-termómetro (menor divisão da escala 0.2C) 4-balança 5-gerador de vapor 6-sistema de aquecimento do corpo por vapor 7-Cobre (mini lingotes), Chumbo(esferas) ou vidro (esferas) 8-luvas de protecção térmica R. Schwarz, Versão do 12.10.2007 3 Cadeira TEM, 1o semestre 2007/2008 LABO 1: Calor específico 2-PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: Monte a experiência tal como é indicado na Fig.2. Fig.2 6 7 5 1-encha de água o recipente do gerador de vapor (5) 2-ligue os tubos ao recipiente de aquecimento (6) e ao recipiente de vidro (7) 3-encha o recipiente (6) com o material cujo calor específico c1 pretende determinar e tape com a rolha R. Schwarz, Versão do 12.10.2007 4 LABO 1: Calor específico Cadeira TEM, 1o semestre 2007/2008 4-ligue o disco de aquecimento (tenha atenção para que o tubo de libertação do vapor não saia do recipiente de vidro). Para que o corpo a analisar atinja a temperatura do vapor de água em ebulição (T1=100C) espere 15 a 20min (20min no caso do vidro). 5-Neste intervalo de tempo meça a massa do calorimetro vazio, mc, utilizando a balança. 6-Coloque de seguida cerca de 180 a 200ml de água no calorímetro e meça a massa total (mc + m2). Determine a massa de água no calorímetro, m2. 7-Introduza o termómetro na tampa do calorímetro e meça a temperatura inicial da água (T2). 8-Ao fim de 15 a 20 min de aquecimento, coloque o calorímetro com a rede para receber o corpo a analisar (mas sem a tampa) por baixo da saída do recipiente de aquecimento. Abra a porta inferior do recipiente de aquecimento, deixando cair os pedaços de Cu (Pb, Vidro) até encher a rede de recolha. De imediato, coloque a tampa no calorímetro, e o termómetro. 9-Desligue o prato de aquecimento. 10-Vá deslocando para baixo e para cima o corpo quente no calorímetro , de modo a homogeneizar a temperatura da mistura. Vá observando a subida da temperatura da mistura até atingir a temperartura máxima Tm. R. Schwarz, Versão do 12.10.2007 5 Cadeira TEM, 1o semestre 2007/2008 LABO 1: Calor específico 11-Tire a tampa do calorímetro, retire o corpo e meça a sua massa m1 (balança). Se tiverem caído alguns pedaços do material para fora da rede e que estejam no fundo do calorímetro, retire estes pedaços e inclua-os na massa m1. 12-Preencha a tabela seguinte, e calcule o calor especifico do corpo c1, a partir da expressão 6. material m1(g) m2(g) T1(C) T2(C) Tm(C) c(kJ/(kgC)) c(kJ/(kgC)) Repita os passos 1-12 para determinar os calores específicos dos outros materiais. ATENÇÃO: a manipulação do gerador de vapor requer cuidado-utilize as luvas termicas, e não deixe esgotar a água no gerador de vapor com o prato ligado. Mantenha o tubo de saída do vapor seguro ao recipiente de vidro. NÂO SE QUEIME. 3-EXEMPLO: Determinação do calor específico do Cu, Pb, vidro (experiência realizada a 29 de Setembro de 2005) Cu Pb vidro m1(g) 132.8 112.0 39.6 m2(g) 188.1 181.2 186.2 T1(C) 100 100 100 T2(C) 20.2 22.6 20.6 Tm(C) 24.5 24.1 23.8 c(kJ/(kgC)) 0.381 0.152 0.874 c(kJ/(kgC)) 0.385 0.1295 0.746 Os valores c representam valores de referência obtidos na literatura. Paulo J.P. Freitas 29 de Setembro de 2005 R. Schwarz, Versão do 12.10.2007 6