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Balanço Energético num Sistema Termodinâmico

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Resumo do trabalho

Relatório de Atividade Prático-laboratorial sobre balanço energético num sistema termodinâmico, realizado no âmbito da disciplina de Física-Química (10º ano).

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Introdução Teórica

Como sabemos, uma substância pode mudar de estado físico quando se lhe fornece energia, mantendo constante a pressão, sem que haja a variação desta mesma.

A quantidade de energia fornecida, Q, sob a forma de calor, a uma determinada massa, m, de uma substância para que ocorra mudança de estado físico, pode ser dada pela expressão: Q = L x M; (Na qual L é o calor de transformação mássico).

Nesta atividade pretende-se, então, arrefecer uma dada massa de água, à temperatura ambiente, utilizando para isso, uma certa quantidade de gelo e água fria. Então, o nível de eficácia do processo prende-se com a rapidez com que a água arrefece e o valor final da temperatura da água.

Convém sublinhar, então, que a temperatura final da massa de água, após ter sido arrefecida com uma determinada massa de gelo, pode ser determinada através do balanço energético:

Q1+Q2+Q3 = 0

No qual:

• Q1 = m água x c água, sendo este valor negativo, uma vez que há transferência de energia, sob a forma de calor, da água para os sistemas vizinhos;
• Q2= m gelo x Lf x c água, sendo este valor positivo, visto que há transferência de energia das vizinhanças para o sistema em estudo, a água,
• Q3 = Energia dissipada para as vizinhanças.

Objetivos da experiência

Nos domínios supracitados anteriormente, foram colocadas as seguintes questões-problema:

• Para arrefecer um copo de água será mais eficaz colocar nele água a 0ºC ou uma massa igual à mesma temperatura?
• Qual a temperatura final da água nas duas situações, após ter decorrido o intervalo de tempo necessário para fundir toda a massa de gelo utilizado?

Logo, o objetivo central da experiência prende-se no modo mais eficaz de arrefecer uma dada massa de água, inicialmente à temperatura ambiente, utilizando uma certa quantidade de gelo e água fria.

Realização da atividade laboratorial

Material e equipamento utilizados:

• Balança semianalítica;
• Copos de precipitação;
• Recipientes térmicos;
• Papel absorvente;
• Calorímetro;
• Cubos de gelo;
• Água;
• Pinça metálica.

Procedimento experimental

Ensaio 1: Mistura de água com gelo

1. Colocou-se o calorímetro (sem a respectiva tampa) no prato da balança, tarando-a. Verteu-se, para o calorímetro, a água à temperatura ambiente, até se obter uma massa de, aproximadamente, 100 g. Colocou-se a tampa e voltou-se a tarar;

2. Com o sensor de temperatura, leu-se e registou-se a temperatura inicial da água;

3. Retiraram-se, por meio de uma pinça, fragmentos de cubos de gelo pequenos e colocou-se muito rapidamente no interior do calorímetro, tapando-o. Leu-se, na balança, o valor da massa do gelo;

4. Introduziu-se através do orifício da tampa o sensor de temperatura. O calorímetro foi agitado convenientemente de forma a uniformizar a temperatura no seu interior. Quando a temperatura estabilizou (atingindo um mínimo), registou-se o valor da temperatura.

Ensaio 2: Mistura de água com água a 0ºC

1. Colocou-se um calorímetro sem a respectiva tampa no prato da balança, tarando-a. Verteu-se, para o calorímetro, a água à temperatura ambiente até se obter a massa de, aproximadamente, 100 g. Colocou-se a tampa e voltou-se a tarar a balança;

2. Com o sensor de temperatura, leu-se e registou-se a temperatura inicial da água;

3. Verteu-se do recipiente térmico uma massa de água a 0ºC, igual à massa de gelo usado no ensaio anterior, tapando rapidamente o calorímetro;

4. Introduziu-se através do orifício da tampa o sensor de temperatura. O calorímetro foi agitado convenientemente de forma a uniformizar a temperatura no seu interior. Quando a temperatura estabilizou (atingindo um mínimo), registou-se o seu valor.

Fig.1: Copos de precipitação.

Registo de resultados

Os resultados obtidos pelo grupo de trabalho foram os seguintes:

Mistura de água com gelo:

Mistura de água com água a 0ºC:

Tratamento de dados

Valores tabelados:

. Lf = 3,33 x 10 5 J Kg^-1

. c _água = 4,18  x 10 3 J Kg^-1

Mistura de água com gelo

Cálculo da quantidade de energia recebida pelo gelo e pela água resultante da fusão do gelo:

Q = m x Lf _gelo x (m x c _água x ΔΘ)

⇔ Q = 0,010 x (3,33  10⁵) + (0,010 x 4,18 x 10³ x 18,1) ⇔

⇔ Q = 4086,58 J

Cálculo da quantidade de energia cedida pela água:

Q = m x c x ΔΘ

Q = 0,1003 x 4180  (18,1 – 24,7)

⇔ Q = - 2766,52 J

Mistura de água com água a 0ºC

Cálculo da quantidade de energia recebida pela água a 0ºC

Q = m x c x ΔΘ

Q = 0,0104 x 4180  (22,3 - 0)

⇔ Q = 969, 33 J

Cálculo da quantidade de energia cedida pela água:

Q = m x c x ΔΘ

Q = 0,100 x 4180  (22,3 – 24,8)

⇔ Q = - 1045 J

Anexo/Observações

De modo a complementar o relatório, senti a necessidade de denotar um aspecto acerca da actividade em questão, no domínio do protocolo experimental utilizado.

Nesta actividade prático-laboratorial, foi incluído um novo material laboratorial: o calorímetro.

O calorímetro é um instrumento utilizado na medição de calor envolvido numa mudança de estado de um sistema, que pode envolver uma mudança de fase, de temperatura, de pressão, de volume, de composição química ou qualquer outra propriedade associada com trocas de calor.

Fig.2: Calorímetro.

Discussão de resultados/conclusões

Para arrefecer um copo de água será mais eficaz colocar nele água a 0ºC ou uma massa igual de gelo à mesma temperatura?

• Para arrefecer um copo de água é mais eficaz colocar nele uma dada massa de gelo do que uma massa igual de água, dado que esta tinge uma temperatura final inferior. Este fato deve-se à energia “extra” necessária para que ocorra a fusão do gelo, o que não acontece no caso da água líquida a 0ºC.

Discussão dos resultados face à Lei da Conservação da Energia

• Esta atividade laboratorial permite, igualmente, concluir que nas condições utilizadas e, atendendo ao balanço energético, o calorímetro não pode ser considerado um sistema isolado. O recipiente que contem a água que se pretende arrefecer não está isolado termicamente, visto que se verificam trocas de calor quando se introduz pedaços de gelo nesse recipiente.
• Porém, no recipiente, o gelo não se encontra rigorosamente a 0ºC, sendo no seu interior inferior a esse valor. Também não foi contabilizada a energia necessária para que o gelo passada da temperatura inicial até à temperatura de 0ºC, no balanço energético. Também a vizinhança transferiu energia para o sistema, pois a energia cedida pela água à temperatura ambiente, é menor do que a energia recebida pela água a 0ºC, que esta esteja no estado líquido ou sólido.

Otimização da atividade laboratorial

Na realização da atividade, há que ter em conta os seguintes aspetos:

• Deve realizar-se, primordialmente, a experiência com o gelo, visto que é mais fácil igualar a massa de água líquida à massa do gelo, do que o contrário;
• A água (considerada à temperatura ambiente) a utilizar nos dois ensaios deve ser colocada com antecedência numa tina para assegurar que a sua temperatura se encontra uniformizada aquando da realização da atividade;
• A proporção entre a massa de água à temperatura ambiente e a massa de gelo deve ser 6.1, respetivamente. Caso contrário, o gelo não funde, ou a sua fusão é muito demorada, impossibilitando a realização da experiência em tempo útil;
• Os cubos de gelo devem ser fragmentados e colocados, algum tempo antes de começar a aula, dentro do recipiente térmico com um pouco de água, de forma a poder assumir-se a temperatura do gelo como 0ºC.

Conclusões:

Como aprofundámos nas aulas de Física, podemos concluir que um sistema termodinâmico é todo o sistema onde se verifica variações de energia interna. Assim, conseguimos consolidar os conhecimentos adquiridos nas aulas de Física e Química A.

Por fim, avalio positivamente o trabalho do meu grupo, ao longo deste processo, pois superámos todos os desafios e objetivos propostos e adquirir experiência laboratorial principalmente ao nível de manuseamento de materiais e ao aprofundamento dos conhecimentos.

Referências consultadas

• http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor%C3%ADmetro
• BARBOSA, Maria Fernanda e MORGADO, Maria João, ENERGIAS 10ºANO,
• Fichas de trabalho fornecidas pela professora.

307 Visualizações 15/08/2019

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