Relatorio 5 (Fisico Quimica Experimental)

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FUNDAÇÃO​ ​UNIVERSIDADE​ ​FEDERAL​ ​DE​ ​RONDÔNIA NÚCLEO​ ​DE​ ​CIÊNCIAS​ ​EXATAS​ ​E​ ​DA​ ​TERRA DEPARTAMENTO​ ​DE​ ​QUÍMICA

Professor:​ ​Dr.​ ​Wilson​ ​Sacchi​ ​Peternele Disciplina:​ ​Físico-química​ ​Experimental​ ​-​ ​Aula​ ​prática​ ​Nº​ ​5

TERMODINÂMICA:​ ​Temperatura​ ​e​ ​Calor

Aluno

Matrícula:

1

Caroline​ ​Reis

201221017

2

Iasmin​ ​Saionara

201221138

3

Mayara​ ​Sousa

201221143

4

Nathália​ ​Costa

201421111

5

Randson​ ​Augusto

201221146

PORTO​ ​VELHO​ ​-​ ​RO Outubro/2017

1.​ ​INTRODUÇÃO Dois conceitos fundamentais da termodinâmica são calor e trabalho. Antigamente o calor era conhecido como um fluido chamado de calórico, que fluía de uma substância quente para outra, mais fria. O engenheiro francês Sadi Carnot, que ajudou a estabelecer as bases da termodinâmica, onde ele acreditava que o trabalho resultava do fluxo de calórico, como a água que gira um moinho. Alguns dos resultados de Carnot ainda sobrevivem, porém sabe-se que o calórico é um mito. Cerca de 25 anos depois de Carnot ter proposto suas ideias, o físico inglês James Joule, mostrou que o calor e o trabalho são duas formas de energia. (ATKINS,2012) A termodinâmica é a parte da química que estuda a energia: suas formas, suas transformações, sua eficiência no uso, suas limitações, bem como sua disponibilidade para realizar trabalho. A determinação das variações de energia envolvidas nas reações químicas, a determinação das quantidades de reagentes e produtos através das relações de equilíbrio dos processos, a determinação da direção das transformações através das relações entre energia de ligação e estrutura, entropia e rendimento de reação, a estabilidade de substâncias e misturas, são​ ​o​ ​objeto​ ​de​ ​estudo​ ​da​ ​termodinâmica.​ ​(LENZIN,​ ​2004) O estudo da termodinâmica dedica-se ao estudo da matéria sob condições onde as noções​ ​de​ ​temperatura​ ​e​ ​calor​ ​não​ ​podem​ ​ser​ ​ignoradas.​ ​(SAVI,​ ​2010) Também é uma ciência experimental, que parte de fenômenos físico-químicos que foram elaborados de acordo com as leis básicas, conhecidas como lei “zero”, a primeira lei, segunda lei e terceira lei da termodinâmica. Sendo que os problemas que a termodinâmica se propõe a resolver normalmente envolve a determinação do valor do calor e/ou trabalho necessários ou liberados num processo ou então as mudanças de estado de uma substância ou mistura provocada pela transferência de calor ou pela realização de trabalho. (FERNANDES, 2006) Na prática experimental, é necessário delimitar a quantidade de matéria ou o volume que será o foco das anotações. Essa porção de matéria ou volume de controle é o sistema termodinâmico. O sistema termodinâmico é chamado de aberto se a massa poder transitar para​ ​dentro​ ​ou​ ​fora​ ​do​ ​sistema,​ ​caso​ ​contrário,​ ​o​ ​sistema​ ​é​ ​fechado.​ ​(FERNANDES,​ ​2006) Num processo, a energia pode se manifestar de diversas formas. Onde a energia cinética se refere à mobilidade das moléculas do sistema. A energia potencial se refere à

posição do sistema em relação a um campo de força. E a energia interna é associada aos movimentos e às forças intermoleculares das moléculas constituintes do sistema. (FERNANDES,​ ​2006) A energia pode também se manifestar como resultado do contato ou da interação de um sistema com suas vizinhanças na forma de calor e trabalho. Onde trabalho é a manifestação da ação de uma força através de um deslocamento na direção desta força ou da transferência de energia por meio de movimentação mecânica. Calor é a manifestação de transferência de energia resultante de uma diferença de temperatura entre o sistema e a vizinhança.​ ​(FERNANDES,​ ​2006) A calorimetria ​é a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas, mas apenas quando essas trocas se dão na forma de calor. Calor significa uma transferência ​de energia térmica de um sistema para outro, ou seja, podemos dizer que um corpo​ ​recebe​ ​calor,​ ​mas​ ​não​ ​que​ ​ele​ ​possui​ ​calor.​ ​(PILLING,​ ​2000) O calor e como energia térmica que flui de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles. Pode ser adicionado ou removido de uma substância. É medida em calorias​ ​ou​ ​joules​ ​(1​ ​Cal=4,18​ ​J). A capacidade térmica (C) é a capacidade de um corpo mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor. Ela é dada como a razão entre a quantidade de calor e a variação de temperatura: C=​ ​Q​ ​/​ ​ΔT Onde C é capacidade térmica do corpo (cal/ ºC). Q é quantidade de calor trocada pelo corpo e ΔT​ ​é​ ​a​ ​variação​ ​de​ ​temperatura​ ​do​ ​corpo. Já o calor específico (c) é a capacidade específica de uma substância de mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor para cada massa unitária que esta vier a se incluir. Isto quer dizer que a Capacidade Térmica de um corpo é dada pelo Calor Específico da substância que​ ​o​ ​compõe​ ​a​ ​sua​ ​massa.​ ​O​ ​calor​ ​específico​ ​é​ ​definido​ ​como c=​ ​C/m​ ​=​ ​Q​ ​/​ ​m​ΔT Onde C é a capacidade térmica do material, m é a massa do material, Q é o calor trocado ΔT é a​ ​variação​ ​de​ ​temperatura​ ​do​ ​corpo. A unidade usual para determinar o calor específico é ​cal ​/ ​g 0​​ C​. No sistema internacional​ ​usa-se​ ​J/K.kg.​ ​(PILLING,​ ​2000)

2.​ ​OBJETIVO ​ ​Estabelecer​ ​a​ ​relação​ ​entre​ ​calor​ ​e​ ​diferença​ ​de​ ​temperatura​ ​por​ ​meio​ ​da​ ​quantidade​ ​de​ ​calor transferida​ ​entre​ ​duas​ ​massas​ ​iguais​ ​de​ ​água,​ ​a​ ​diferentes​ ​temperaturas. 3.​ ​METODOLOGIA 3.1.​ ​MATERIAL ● Béquer; ● Termômetro; ● Gelo; ● Bico​ ​de​ ​Bunsen; ● Tripé​ ​e​ ​tela​ ​de​ ​amianto; ● Suporte​ ​e​ ​Garra; ● Placa​ ​de​ ​Isopor; 3.2.​ ​PROCEDIMENTO 3.2.1.​ ​Parte​ ​A​ ​(sistemas​ ​com​ ​temperaturas​ ​mais​ ​baixas) Foi Adicionado, em dois béqueres, 50 mL de água (com auxílio de uma proveta); em seguida a água do béquer 1 foi resfriada, com ajuda de um banho de gelo, até que atingisse a temperatura entre 15 e 20°C , a água do béquer 2, foi aquecida com ajuda de uma manta aquecedora, até atingisse temperatura entre 40 e 45°C. a temperatura foi medida e anotada despejou-se imediatamente a água dos béqueres 1 e 2 , em outro béquer. Ao misturar a Mediu-se​ ​novamente​ ​a​ ​temperatura​ ​e​ ​fez-se​ ​a​ ​devida​ ​anotação​.

3.2.2.​ ​Parte​ ​B​ ​(​ ​Sistemas​ ​com​ ​temperaturas​ ​mais​ ​altas) Adicionou-se 50 ml de água em dois béqueres, logo depois aqueceu ambos os béqueres até que o béquer 1 atingisse a temperatura de 60-65°C e o 2 a de 70-75°C. a temperatura foi devidamente anotada e em seguida misturou-se as águas em outro béquer. A temperatura foi medida​ ​novamente.

3.2.3.​ ​Parte​ ​C Primeiramente colocou-se 250 ml de água dentro de um béquer e em seguida posicionou-se em cima do bico de Bunsen, seguidamente coloca-se um tubo de ensaio contendo 10 ml de água dentro desse béquer com água, de modo que o tubo de ensaio não encostasse nas paredes ou no fundo do béquer. Posicionou-se dois termômetros dentro do béquer e o outro dentro do tubo​ ​de​ ​ensaio​ ​para​ ​medir​ ​a​ ​temperatura​ ​de​ ​ebulição​ ​da​ ​água​ ​no​ ​béquer​ ​e​ ​no​ ​tubo​ ​de​ ​ensaio. 4.​ ​RESULTADO​ ​E​ ​DISCUSSÃO A tabela abaixo apresenta os valores obtidos de acordo com os procedimentos citados acima. Esta tabela foi dividida de acordo com cada sistema montado, trazendo os valores de temperatura de cada béquer e sistema para posteriormente serem realizados os cálculos do calor​ ​sensível. Tabela​ ​1.​ ​Valores​ ​de​ ​temperatura​ ​dos​ ​sistemas.

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​T(°C) PARTE​ ​A (menor​ ​T)

PARTE​ ​B (maior​ ​T)

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​PARTE​ ​C

Sistema​ ​1​ ​(béquer​ ​1)

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​15°​ ​C

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​63°​ ​C

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​-

Sistema​ ​2​ ​(béquer​ ​2)

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​45°​ ​C

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​70°​ ​C

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​-

equilíbrio ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​29°​ ​C

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​65°​ ​C

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​-

Sistemas (B1+B2)

em

Béquer​ ​(sistema​ ​3)

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​-

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​-

​ ​ ​ ​ ​26​ ​–​ ​97°​ ​C

Tubo​ ​de​ ​ensaio​ ​(sistema​ ​4)

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​-

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​-

​ ​ ​ ​ ​24​ ​–​ ​93°​ ​C

4.1.​ ​PARTE​ ​A O calor sensível será calculado para o sistema A e B, usando os valores da tabela acima. A massa do béquer foi medida em 50 gramas, que será utilizada tanto na parte A, quanto​ ​na​ ​parte​ ​B.​ ​O​ ​calor​ ​específico​ ​da​ ​água​ ​é​ ​tabelado,​ ​e​ ​tem​ ​o​ ​valor​ ​de​ ​1​ ​J/g°C. Sistema​ ​1​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​Sistema​ ​2 q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​∆T

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​∆T

q​ ​=​ ​Cs.​ ​m.​ ​(T​ ​equilíbrio-​ ​T​ ​béquer​ ​1)​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​q​ ​=​ ​Cs.​ ​m.​ ​(T​ ​equilíbrio-​ ​T​ ​béquer​ ​2) q=​ ​1​ ​J/g°C​ ​.​ ​50​ ​g​ ​.​ ​(29°C​ ​–​ ​15°C)​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​q=​ ​1​ ​J/g°C​ ​.​ ​50​ ​g​ ​.​ ​(29°C​ ​–​ ​45°C) q=​ ​+700​ ​J​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​q=​ ​-800​ ​J 4.2.​ ​PARTE​ ​B Os mesmos cálculos foram realizados para a parte B, porém com valores de temperaturas​ ​mais​ ​altas,​ ​se​ ​comparado​ ​aos​ ​valores​ ​da​ ​parte​ ​A. Sistema​ ​1

q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​∆T

Sistema​ ​2

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​∆T

q​ ​=​ ​Cs.​ ​m.​ ​(T​ ​equilíbrio-​ ​T​ ​béquer​ ​1)​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​q​ ​=​ ​Cs.​ ​m.​ ​(T​ ​equilíbrio-​ ​T​ ​béquer​ ​1) q=​ ​1​ ​J/g°C​ ​.​ ​50​ ​g​ ​.​ ​(65°C​ ​–​ ​63°C)​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​q=​ ​1​ ​J/g°C​ ​.​ ​50​ ​g​ ​.​ ​(65°C​ ​–​ ​70°C) q=​ ​+100​ ​J

​ ​q=​ ​-​ ​250​ ​J

4.3.​ ​PARTE​ ​A​ ​E​ ​B A parte A houve maior quantidade de calor tanto cedido quanto recebido, se comparado a parte b. O calor sensível provoca em um corpo a variação da temperatura, sendo assim, quando um corpo absorve ou perde certa quantidade de energia, ocorre a variação dessa temperatura. É importante saber que a variação da temperatura de um corpo está ligada à massa e ao calor específico da substância constituinte, nesse caso a água. Todos esses fatos também estão relacionados a capacidade térmica da substância, quanto maior for essa capacidade térmica, menor vai ser a variação de temperatura, pois esta grandeza é diretamente ligada​ ​ao​ ​calor​ ​específico​ ​e​ ​a​ ​massa.

4.4.​ ​PARTE​ ​C Nesta etapa um sistema diferente foi montado, um tubo de ensaio contendo água, foi coloca dentro de um béquer, também contendo água, e ambos foram aquecidos ao mesmo tempo, onde as temperaturas de cada um foram observadas. A massa do béquer foi medida em 250 gramas​ ​e​ ​a​ ​do​ ​tubo​ ​de​ ​ensaio​ ​foi​ ​de​ ​10​ ​gramas. Tubo​ ​de​ ​ensaio

Béquer

q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​∆T q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​∆T q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​(Tfinal​ ​–​ ​Tinicial) q=​ ​Cs.​ ​m​ ​.​ ​(Tfinal​ ​–​ ​Tinicial) q=​ ​1​ ​ ​J/g​ ​°C​ ​.​ ​ ​250​ ​g.​ ​(97​ ​°C-​ ​26°​ ​C) q=​ 1​ ​ ​ ​J/g​ ​°C​ ​.​ ​ ​250​ ​g.​ ​(93​ ​°C-​ ​24°​ ​C) q=​ ​+​ ​17.750​ ​J q=​ ​+​ ​690​ ​ ​J Os valores finais das temperaturas, foram obtidas a partir do momento em que a água do béquer ferveu. Tivemos o valor de temperatura de ebulição da água do béquer inferior a 100°C, esse fato ocorre, pois, estamos acima do nível do mar, ocorrendo então devido a diferença na pressão atmosférica. Este também é um fator que ocorre para que a água do tubo também não ferva, outro fato são os movimentos de convecção que ocorrem dentro do tubo e a​ ​espessura​ ​do​ ​vidro​ ​desta​ ​vidraria,​ ​também​ ​influenciam​ ​que​ ​a​ ​água​ ​não​ ​entre​ ​em​ ​ebulição. 5.​ ​CONCLUSÃO Conclui-se que ficou provado como os conceitos científicos de calor e temperatura são diferentes dos nossos conceitos dia-a-dia. Na vida cotidiana associamos calor diretamente à temperatura, considerando que a uma temperatura mais alta corresponde uma quantidade maior de calor. Foi possível observar que por meio da PARTE A e B, que o conceito científico de calor relaciona-se com a diferença de temperatura entre dois sistemas. Isso tem uma implicação importante para o entendimento de calor e temperatura do ponto de vista científico. Em primeiro lugar, só há calor quando há diferença de temperatura, pois o calor é o processo de transferência de energia de um sistema a uma temperatura mais alta para outro a uma temperatura mais baixa. Além disso, a quantidade de calor transferida é proporcional à diferença de temperatura e não à temperatura, o que implica que pode haver mais calor sendo transferido entre sistemas a baixas temperaturas do que entre dois sistemas a temperaturas mais altas. Isso ocorrerá se a diferença de temperatura entre os sistemas a baixa temperatura

for maior do que entre os sistemas a temperatura mais alta, desde que as massas consideradas sejam​ ​as​ ​mesmas. 6.​ ​REFERÊNCIA​ ​BIBLIOGRÁFICA [1] ATKINS, Peter. JONES, Loreta. ​PRINCÍPIOS DE QUÍMICA- Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. Tradução técnica: Ricardo Bicca de Alencastro. -5. Ed. – Porto​ ​Alegre:​ ​Bookman,​ ​2012. [2] LENZIN, Ervim....[et al.] ​Química Geral Experimental ​–Rio de Janeiro; Livrarias Freitas​ ​Bastos,​ ​2004.​ ​Editor​ ​S.A. [3] FERNANDES, F. A. N., PIZZO, S. M.; MORAES Jr D., ​Termodinâmica Química. UFC. 2006. Disponível em: ​https://​www.eq.ufc.br/MD_Termodinamica.pdfAndgt; . Acesso em:​ ​27​ ​de​ ​Setembro.​ ​2017​. [4] PILLING, Sergio. ​Físico-Química Experimental I. ​Universidade do Vale do Paraíba – São

José

dos

Campos-SP.

https://www1.univap.br/spilling/FQE1/FQE1_Introducao,ementa​. Setembro.​ ​2017

.

Disponível ​Acesso

em:

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