Relatório Experimental Termoquímica

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO SUDESTE DE MINAS GERAIS – CAMPUS BARBACENA

DISCIPLINA: FÍSICO QUIMICA EXPERIMENTAL

FABIO LEANDRO NOGUEIRA

AULA EXPERIMENTAL: TERMOQUÍMICA

BARBACENA – MG

MAIO, 2021

1. Introdução

Pela análise dos fenômenos físicos e termoquimicos, ocorreu a criação das leis da termodinâmica e suas aplicações no campo científico. Baseado na Lei Zero da Termodinâmica, criaram-se os termômetros, cujo principal propósito é quantificar a temperatura ou variações de temperatura de um objeto ou sistema analisado.

A partir do uso das leis da termodinâmica, suas fórmulas e conceitos, busca- se analisar os experimentos propostos e solucionar as questões levantadas. Por isso a metodologia aplicada foi a utilização dos conceitos físicos químicos e a realização dos experimentos para compreensão e resolução das atividades propostas.

2. Objetivos

• Geral

• Realizar os experimentos propostos e analisar seus resultados baseado nos princípios físico químicos

• Específico

• Busca-se em cada módulo desmembrar os conceitos e analisar seus desdobramentos nas atividades práticas.

3. Metodologia

O relatório foi formulado através de buscas realizadas em sites acerca dos conceitos apresentados neste relatório e aplicação das fórmulas. Os sites utilizados na criação do relatório são EducaMais, UFRGS, Brasil Escola, Toda materia, Super Interessante e Mundo Educação.

4. Resultados e Discussão

MODULO 1

Em princípio, o termômetro é um aparelho usado para medir a temperatura ou as variações de temperatura. É um instrumento composto por um elemento sensor que possua uma propriedade termométrica, isto é, uma propriedade que varia com a temperatura. O princípio termodinâmico de todos os termômetros é a Lei Zero da Termodinâmica.

Dentre todos os tipos de termômetro, o termômetro clínico não possui competência para trabalhos em laboratórios porque não apresenta extrema precisão para medidas específicas. Sua funcionalidade pode ser descrita através do termômetro de mercúrio, que consiste em um fino tubo capilar de vidro graduado e que contém um bulbo cheio de mercúrio, e à medida que a temperatura aumenta este líquido se expande por capilaridade. Como todo líquido, o mercúrio expande na medida em que ele é aquecido, sendo assim, ele se move ao longo do tubo do termômetro determinando a temperatura. A graduação do tubo permite visualizar a variação da temperatura, essa graduação é denominada escala termométrica do aparelho.

Podemos classificar os principais tipos de termômetro diante de suas propriedades de funcionamento:

Termômetro clinico

Esse termômetro utiliza a dilatação de líquidos, principalmente o mercúrio. Apresenta um tubo capilar com um estrangulamento na base, junto ao bulbo, o que permite a passagem do mercúrio quando sofre a dilatação, mas que impede o seu retorno quando se contrai.

Termômetro a álcool

Alguns termômetros desse tipo utilizam corantes vermelhos, possuindo um custo mais baixo que o de mercúrio, e além disso, são menos prejudiciais a nossa saúde. Possui funcionamento semelhante ao termômetro clínico.

Termômetro a gás

Os termômetros a gás medem a temperatura através da leitura da pressão do gás mantido a volume constante. Pode ser graduado fazendo com que cada volume corresponda a um valor de temperatura na escala Celsius, por exemplo.

Termômetro de radiação

Atuam a grandes distâncias, isto é, sem contato com o objeto. São usados nos satélites meteorológicos para a obtenção da temperatura na atmosfera e na superfície da Terra e podem medir temperaturas entre -50°C e 3000°C.

Pode ser utilizado para a medida de temperatura de qualquer sistema que emite radiação eletromagnética na forma de luz visível ou radiação infravermelha, assim como a radiação de corpo negro. Um exemplo de termômetro desse tipo é o pirômetro óptico.

Através da radiação infravermelha, pode-se fazer a imagem da distribuição de temperatura do corpo humano localizando infecções, ou detectar problemas com a rede elétrica encontrando os pontos onde os fios estão mais quentes.

Pirômetro óptico

Para altas temperaturas utiliza-se o termômetro conhecido por pirômetro óptico que é utilizado para a medida de temperaturas de metais incandescentes, fornalhas ou estrelas, pois pode ser usado à distância e pode medir temperaturas acima do ponto de fusão dos materiais que o constituem.

Termômetro de lâmina bimetálica

Constituído por duas lâminas de metais diferentes soldadas uma com a outra e que, quando aquecidas, dilatam-se. Como os metais são diferentes, com a variação de temperatura, um se dilata mais que o outro o que provoca um encurvamento da lâmina. Há também os que tem forma de espiral com uma extremidade fixa e a outra livre, com um ponteiro que gira com o aquecimento indicando a temperatura em um

mostrador.

Termômetro digital

A medida da temperatura é feita através da variação de suas características elétricas. Os mais comuns utilizam um resistor que faz parte de um circuito elétrico que aciona o indicador de temperatura de acordo com o valor da resistência.

MODULO 2

Nesse módulo, conclui-se que a compreensão dos termômetros está relacionada a Lei Zero da Termodinâmica. Em análise de um termômetro de mercúrio, elemento de alto coeficiente de dilatação, observa-se seu aumento de volume com a menor variação de temperatura. Como consequência, o volume do mercúrio aquecido se expande no tubo capilar do aparelho.

Essa expansão é medida pela variação do comprimento e em condições normais da superfície da Terra, o mercúrio atinge de forma rápida o equilíbrio térmico e passa a indicar a temperatura.

Para compreensão do corpo humano, que possui baixo calor específico, o mercúrio não diminui de forma significante a temperatura do corpo com o qual faz contato. O fato de ser um metal líquido escuro ainda facilita a visibilidade da marcação de temperatura.

Outro importante princípio da termodinâmica é o do equilíbrio térmico, na qual dois ou mais corpos encontram-se à mesma temperatura. Essa condição é atingida espontaneamente, uma vez que corpos em temperaturas diferentes trocam calor entre si até que suas temperaturas se equilibrem. Além disso, o calor sempre flui dos corpos mais quentes para os corpos de menor temperatura. Essa situação pode ser compreendida em uma vela acesa, na qual perde calor para o meio até o derretimento total da parafina.

No entanto, um exemplo na qual não é observado o equilíbrio térmico é pela relação com nosso corpo e o meio. O corpo possui temperatura média de 36,5°C, portanto, apresenta uma temperatura mais elevada que o ambiente ao redor. Por esse

motivo, de acordo com a Termodinâmica, nosso corpo perderia calor para o meio até alcançar o equilíbrio térmico. Porém, os seres humanos, são endotérmicos, produzindo a própria energia, sendo assim, controla sua temperatura para permanecer constante, dificultando o equilíbrio térmico.

Um princípio relacionado ao equilíbrio térmico é acerca da transferência de calor, na qual existem objetos que agem como isolante térmico e produtor de energia.

O cobertor, por exemplo, possui um papel fundamental no frio, porque age como um isolante térmico, impedindo que haja transferência de calor do nosso corpo para o meio. No entanto, em temperaturas muito frias, um cobertor de algodão, por exemplo, perde suas propriedades físicas porque a diferença térmica entre nosso corpo e o meio é muito elevado. Dessa forma, o cobertor elétrico não age como isolante térmico, mas funciona a partir do processo de converter eletricidade em energia, por meio de resistências internas, produzindo calor ao invés de reter.

MODULO 3

Em análise dos conceitos de temperatura e calor, a Temperatura, cientificamente, é uma grandeza física escalar que pode ser definida como a medida do grau de agitação das moléculas que compõem um corpo. Quanto maior a agitação molecular, maior será a temperatura do corpo e mais quente ele estará e vice-versa. No senso comum, é erroneamente associado calor a temperatura, sendo reproduzido em “Hoje está calor!”. Porém calor, analisado cientificamente, é a energia em trânsito que se transfere de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura.

Em observação de um gráfico de equilíbrio térmico do alumínio em contato com a mão humana, é possível constatar que em contato contínuo entre esses dois objetos em determinado período de tempo, a curva alcança um ponto na qual não ocorre mais transferência de calor da mão para o alumínio, sendo caracterizado esse ponto, como equilíbrio térmico da substância, como observado no gráfico a seguir.

Através desse experimento, também é possível constatar que a mão não apresenta propriedades de um termômetro, conferindo se certo objeto está com temperatura elevada ou não. Isso ocorre porque utilizando o método científico, constata-se a que a utilização da mão, um objeto que possui certa temperatura, provoca a transferência de calor, e uma sensação de temperatura irreal.

Outro conceito termodinâmico é a capacidade calorífica das substâncias. É uma grandeza que corresponde a quantidade de calor presente num corpo em relação a variação de temperatura sofrida por ele. Dessa forma, a madeira e o alumínio, com mesma massa, possuem calor especifico diferente. É possível constatar essa análise porque calor específico mede a quantidade de calor necessária para aumentar determinada temperatura do elemento. Portanto, conclui-se que o calor específico da madeira é maior que a do alumínio, pois necessita de menor quantidade de calor para ocorrer um aumento na temperatura do alumínio.

MODULO 4

Nesse módulo constata-se que nem sempre o corpo com maior temperatura possui maior calor, pois sendo o calor energia em trânsito que se transfere de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura, em corpos com uma diferença de temperatura muito elevada, ocorrerá uma intensa troca de calor. Dessa forma, não é necessário que os corpos estejam em alta temperatura, mas com elevada diferença térmica.

Essa constatação é observada a partir de análises.

Na parte A, a água número 1 encontra-se em temperatura ambiente, enquanto a água número 2 encontra-se em equilíbrio térmico com o béquer. Após essa análise, a água 2 é acrescentada no frasco da primeira água.

Parte A

1- T1= 20°C

• Béquer= 20°C / Água= 40°C ➔ 60/2= 30°C= equilíbrio térmico

• Densidade= 1g/cm³
• 50 ml= 50 cm³
• 50 ml= 50 gramas
• 30°C= 300K, 20°C= 290K

Calor ganho = 50.1. (300-290) ➔ +500 cal Calor perdido = -500 cal

Na parte B ocorre na primeira parte, a agitação do frasco e homogeneização da substância, ocorrendo o equilíbrio. Na segunda parte, o procedimento da parte A é refeito com novas temperaturas.

Parte B

• 30+20= 50/2 = 25°C = equilíbrio térmico

4-

• 50°C= 320K, 60°C= 330K

Calor ganho = 50.1.(330-320) ➔ +500 cal

Calor perdido= -500 cal

Os cálculos acima são possíveis de realizar a partir do conhecimento da massa da água. Utilizando a fórmula da densidade, e transformando mililitros em centímetros cúbicos, é possível encontrar a quantidade de massa utilizada no experimento. Também é vital converter graus Celsius em Kelvin para realizar os cálculos.

Observa-se também que os cálculos acima representam condições ideais, na qual a água não perde calor para o meio, e, portanto, o calor perdido é igual ao calor ganho.

MODULO 5

Nesse último módulo, observa-se que a água dentro do béquer irá ferver a uma temperatura inferior a 100°C, por estar acima do nível do mar. Outra questão analisada é sobre a fervura da água no tubo, que não irá ocorrer, pois a água dentro do béquer sofreu aquecimento e elevação da temperatura, sendo caracterizado pelo calor sensível, e sofreu mudança de fase, sendo caracterizado pelo calor latente. Porém, a água dentro do tubo, por possuir maior massa, necessita de maior energia para aquecimento e mudança de fases, sendo sua fervura posterior a água do béquer.

No entanto, ao substituir a água do tubo por álcool, que apresenta um ponto de ebulição inferior à da água, ocorre a fervura do álcool. A situação descrita anteriormente, com o béquer e tubo preenchidos por água só ocorre porque a substância presente no tubo e no béquer, são iguais, sendo a diferença de energia necessária pela mudança de fase determinada pela quantidade da substância. No entanto, com uma elevação da temperatura do sistema, ambas substancias não estariam em ponto de fervura, estariam em estado gasoso.

5. Conclusão

Identificou-se por meio dos experimentos realizados e a análise dos seus dados, a identificação de calor e temperatura, o cálculo de transferência de calor entre dois corpos, a utilização dos termômetros e sua comparação com o uso de métodos comuns, como a adoção da mão para medir a temperatura de determinadas substâncias.

Conceitos aplicados nesse relatório são ponto de ebulição, calor latente e sensível, Lei Zero da Termodinâmica, temperatura e calor, funcionamento dos termômetros e suas aplicações, e por fim, propriedades de isolantes térmicos e geradores de calor.

6. Referências

              Educa +   Brasil.            Lei     Zero      da     Termodinâmica.         Disponível                              em:

<https://www.educamaisbrasil.com.br/enem/fisica/lei-zero-da-termodinamica> Acesso em: 30 de maio de 2021

UFRGS.                         Termômetros.                           Disponível                                       em:

<http://www.if.ufrgs.br/~leila/termo.htm> Acesso em: 30 de maio de 2021

Mundo        Educação.         O       cobertor         esquenta?          Disponível                   em:

<https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/o-cobertor-esquenta.htm>                                                                                                                           Acesso em: 30 de maio de 2021

Mundo          Educação.            Equilíbrio            térmico.            Disponível                      em:

<https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/equilibrio-termico.htm> Acesso em: 30 de maio de 2021

Mundo               Educação.                 Termômetro.                 Disponível                           em:

<https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/termometro.htm> Acesso em: 30 de maio de 2021

Super Interessante. Como o cobertor aquece as pessoas? Disponível em:

<https://super.abril.com.br/mundo-estranho/como-o-cobertor-esquenta-as- pessoas/> Acesso em: 30 de maio de 2021

Brasil         Escola.          Temperatura           e         calor.          Disponível                   em:

<https://brasilescola.uol.com.br/fisica/temperatura-calor.htm> Acesso em: 30 de maio de 2021

Toda           Matéria.           Capacidade             térmica.            Disponível                   em:

<https://www.todamateria.com.br/capacidade-termica/> Acesso em: 30 de maio de 2021