Termodinâmica Jonatas Silva Ferreira Centro Universitário Uninter Pap – Rua Fernando Guilhon, 293 – CEP: 68625-006 – Paragominas – Pará - Brasil e-mail:
[email protected] Observar o comportamento de alguns materiais através através de experimentos experimentos no laboratório virtual.
Resumo.
Palavras chave: Densidade e flutuabilidade; Pressão Pressão e Volume; Volume; Calor específico de metais; Mudanças de estado físico.
Laboratório 20 Densidade e flutuabilidade Introdução
Neste laboratório, através de experimentos, podemos observar conceitos de massa, peso, densidade e flutuabilidade. Foram feitos alguns experimentos com diversos tipos de materiais e observados os diferentes comportamentos. Tais como determinar se um material sólido flutua ou afunda em determinado tipo de fluído Desenvolvimento
Ao realizar alguns experimentos experimentos é proposto que determinemos o volume da bola de gelo. Para se determinar o volume desta bola realizar a subtração do volume inicial com o volume após inserir a bola no recipiente. Como nos afirma Arquimedes Arquimedes "Todo corpo mergulhado num fluido em repouso sofre, por parte do fluido, uma força vertical para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo."
Tabela 1 Amostra
0,014637
228
244
16
Densidade Empuxo (g/mL) exercido pelo óleo de oliva (azeite) (N) 0,14344 0,9148 0,14
Alumínio 0,049341
226
245
19
0,48354
2,6
0,17
227
244
17
0,10659
0,64
0,15
Gelo Madeira
Massa Volume Volume Volume da do do da amostra fluido fluido amostra (kg) virtual virtual + (mL) (mL) amostra (mL)
0,010877
Peso do sólido (N)
(pinheiro) Solucionando problemas – De que maneira podemos determinar a massa
do etanol e do béquer? R – Pegamos o valor da massa do béquer com o liquido e subtrairmos da massa do béquer vazio.
Tabela 2 Amostra
Volume da amostra (mL)
Massa do béquer vazio (g)
Massa do Massa da Densidade béquer + amostra (g/mL) amostra (g) (g) 232,194 130,885 0,57305
Etanol
228,4
101,309
Água
226
101,309
328,007
226,698
1
Azeite
228
101,309
329,309
204,318
0,89613
Análise e conclusão
Cálculo das densidades dos materiais sólidos =
Gelo =
14,637 16
= 0,9148 /
Alumínio =
49,341 19
= 2,6 /
Madeira (pinheiro) =
10,877 17
= 0,64 /
Cálculo das densidades dos materiais fluidos Etanol =
130,885 228,4
= 0,57305 /
Água =
226,698 226
= 1 /
Azeite =
204,318 228
= 0,89613 /
O que determina se um objeto flutua ou afunda: o peso ou a densidade do objeto? Explique. R - Nem todo corpo flutua ou afunda na água. Alguns mantêm o equilíbrio dentro da água. Se o corpo flutua é porque este corpo é menos denso que a água. Então o peso do corpo é igual ao empuxo, isto é, o peso do corpo é igual ao peso do volume de água que se desloca. Se o corpo afunda é porque este corpo é mais denso que a água. Então o peso do corpo é maior que o empuxo, isto é, o peso do corpo é maior do que o peso do volume de água que se desloca. Qual sólido vai flutuar no azeite? Explique
R – O gelo e o alumínio iram afundar por serem mais denso que o liquido. Por sua vez a madeira (pinheiro) irá flutuar por ser menos denso que o azeite. Cálculo do empuxo = . .
Gelo = 896,13 × 0,000016 × 9,8 = 0,14
Alumínio = 896,13 × 0,000019 × 9,8 = 0,17
Madeira (pinheiro) = 896,13 × 0,000017 × 9,8 = 0,15
O que aconteceria se o cilindro fosse preenchido com água e azeite ao mesmo tempo? R – A água por ser mais densa e polar fica em baixo, enquanto o azeite por ser menos denso e apolar ficará em cima. Tirando conclusões
Teoricamente teríamos etanol, azeite e água nos fluidos, já nos sólidos teríamos madeira (pinheiro), gelo e alumínio. A ordem foi determinada pela densidade de cada material sólido e fluído. Laboratório 21 Pressão e volume de gases Introdução
Neste laboratório, através de experimentos, iremos descobrir a relação entre volume e pressão de balão, como ele se comporta com diferentes níveis de gás e pressão. Desenvolvimento
Você irá aumentar a pressão do balão. O que você imagina que acontecerá com o volume do balão? R – irá diminuir uma vez que aumentarei a pressão, a lei de Boyle afirma “O volume de certa quantidade fixa de um gás mantido à temperatura constante é inversamente proporcional à pressão”.
Pressão (kPa)
Volume (cm³)
100 kPa
7436
200 kPa
3718
300 kPa
2478
400 kPa
1859
500 kPa
1487
600 kPa
1239
700 kPa
1062
Análise e conclusão
Após os experimentos pude comprovar o que afirmou Robert Boyle. A relação entre pressão e volume é não linear, para que a relação seja linear
o = × ã O que aconteceria com o volume de um gás se diminuíssemos a pressão?
R – Irá aumentar o volume do balão a ponto de estourá-lo. Uma vez que a relação entre pressão e volume e inversamente proporcional.
Laboratório 22 Calor específico de metais Introdução
Neste laboratório, através de experimentos, iremos descobrir o calor específico de metais. Desenvolvimento
Massa de metal (g) Volume de água (mL) Massa de água (g) Temperatura inicial da água (C) Temperatura inicial do metal ( C ) Temperatura máxima da água + amostra (C ) Calor específico (J/[g · °C])
Alumínio 7,3546 100 99,8 25 200 27,39 0,786
Aço 23,3374 100 99,8 25 200 29,21 0,44
Analisando a variação de temperatura da água, ela ganha calor. portanto para os cálculos os valores são positivos, entretanto os metais em contato com a agua, perdem calor e ficam nos cálculos de calor específico com a temperatura negativa. Variação de temperatura da água quando colocado a amostra de metal, calculando:
Temperatura inicial : 25º C Temperatura final com a amostra de alumínio: 27,39º C Variação de temperatura : 2,39º C Temperatura inicial: 25ºC Temperatura final com a amostra de Aço: 29,20º C Variação de temperatura : 4,2º C ** A água ganha temperatura
A água neste processo recebe calor, portanto sua equação será: Com alumínio Q = m x ∆t x C Q= 99,8 x 2,39 x 4.18 4 Q = 997,98 J Com Aço Q = m x ∆t x C Q= 99,8 x 4,2 x 4.184 Q = 1.753,76 J Já os metais neste processo, perdem calor e sua equação fica: Variação de temperatura do metal, quando colocado na água: O Alumínio
Temperatura inicial: 200º C Temperatura fina l quando colocada na água : 27,39º C Variação de temperatura do Aluminio: - 172,61 ( o sinal negativo indica a perda de temperatura) O Aço Temperatura inicial: 200º C Temperatura fina l quando colocada na água : 29,20º C Variação de temperatura do Aluminio: - 170,80º ( o sinal negativo indica a perda de temperatura) Para o Alumínio -Q = m x ∆t x C -997,98 = 7,3546 x (27,39 - 200) x .C -1.269,48 C = -997 ,98 C = 0,786 J Para o Aço - 1.753,76 = 23,3 374 x ( 29,20 – 200) x C -3.986,03 C = -1.7 53,76 C = 0,44 J
Baseado neste experimento, podemos deduzir que as panelas de aç o inox, serão panelas que irão esquentar mais rápido, pois seu calor especifico e mais baixo que d alumínio e por tanto serão mais rápidas gerando economia de tempo e energia para o preparo dos alimentos sendo mais eficientes. As panelas de Alumínio, precisam de mais calor. Seu calor especifico é mais alto perdem calor para o meio também com mais facilidade. Para o caso contrário (ganhando temperatura), latas de alumínio e de aço que são retiradas do congelador, perdem calor para o ambiente, tendendo ao equilíbrio. Mais rápido o aço inox que as latas de alumínio. Experimento: Aplicando a mesma quantidade de calor, em dois casos diferentes. O primeiro caso somente agua, e no segundo caso água e aço, observamos que : Q=M x ∆t x C
Isolando ∆t, temos que ∆ = × a variação de temperatura é inversamente proporcional a massa. Quem possuir menor massa, terá maior temperatura Água
Água + Aço
Temperatura
4,184 º C
4,184 º C
Massa
99,8 g
99,8g + 23,3373g= 123, 1373g
∆
29,19º - 25º= 4,19º
∆ = 4,19º
Q
1. 749,59J
2.158,72J
Diferença entre as amostras Q = 409,13J Alumínio
Aço
30
25
20
15 Série1 10
5
0
Laboratório 23 Mudanças de estado fisico Introdução
Neste laboratório, através de experimentos, iremos descobrir as mudanças do estado físico da água: do estado sólido ao estado liquido e ao estado gasoso. Desenvolvimento
Ponto de evaporação
Pressão ao evaporar
99,78
754 torr
Aplicando conceitos
O que aconteceu com a temperatura enquanto ainda havia gelo na água? Por quê? A temperatura diminiu porque ocorreu troca de calor entre o gelo e a água, até atingir a temperatura mínima da água, antes de se tornar sólido, depois a temperatura subiu até a temperatura ambiente do líquido(ponto de fusão). Depois que o gelo derreteu a temperatura aumentou. O aquecedor continuou ligado após a água atingir seu ponto de evaporação. A água manteve a mesma temperatura. Relacionando ca usa e efeito
A pressão típica, normal, do ar no nível do mar é de 760 Torr. Essa pressão pode variar ±15 Torr dependendo do clima. Por exemplo, a pressão diminui em meio a uma tempestade e aumenta quando o clima está bom, com o céu limpo. O ponto de evaporação da água com pressão normal é de 100 °C. A partir de suas observações sobre o ponto de evaporação e a pressão do ar, o que você conclui? Quanto menor a pressão do ar, menor o esforço das moléculas, e menor o ponto de ebulição da água.
Analisando
Na vaporização, precisa de mais energia, porque assim acontecem as quebras intermoleculares, sendo que no estado gasoso as moléculas estão mais afastadas umas das outras, do que no estado líquido. Conclusão
Este experimento trouxe algumas conclusões que pude ver não somente através dos cálculos, mas agora na prática, mesmo sendo no meio virtual. A importância da parte prática para a vida profissional é de fundamental importância pois saberemos como se comporta os materiais em diversos tipos de estado e condições. Referências
Young, Hung D., “Fisica II – Termodinâmica e ondas” 12 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall,2012 [1]
