ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.4 BALANÇO ENERGÉTICO TERMODINÂMICO NUM SISTEMA O que se pretende  Determinar experimentalmente qual dos seguintes processos é o mais eficaz para arrefecer água à temperatura ambiente: Processo A – com água a 0 °C; Processo B ‐ com gelo a 0 °C.  Confrontar os resultados obtidos experimentalmente em cada das situações com os respetivos valores obtidos por resolução teórica dessas mesmas situações e indicar possíveis motivos para eventuais discrepâncias. Como é que vamos fazer Sabendo que dispomos de:  Água à temperatura ambiente;  Água a 0 °C;  Cubos de gelo a 0 °C;  Termómetro;  Copos de plástico. No ensaio relativo ao processo A misturar a água à temperatura ambiente com água a 0 °C e observar qual a temperatura mínima atingida pela mistura – temperatura final. No ensaio relativo ao processo B misturar água à temperatura ambiente com cubos de gelo a 0 °C e observar qual a temperatura mínima atingida pela mistura – temperatura final. Comparar as temperaturas finais atingidas nos dois processos – quanto menor for a temperatura final atingida mais eficaz será o processo. Calcular as respetivas temperaturas finais por resolução teórica de cada uma das situações e comparar estes valores com as observações experimentais – indicar então justificações para as suas diferenças. Verificar significados Quais são as transferências de energia que ocorrem no processo A? Transferência de energia por calor da água inicialmente à T ambiente para a água inicialmente a 0 °C. Transferência de energia por calor do ambiente para a mistura água + água a 0 °C. 1 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.4 Podemos prever a temperatura final do mistura água + água 0°C? Indica a equação matemática que permite calcular a temperatura final da mistura água + água 0°C. Fazer um balanço energético. Aproximação: Desprezar a transferência de energia por calor do ambiente para o mistura é desprezável. Pela Lei da Conservação de Energia: á
á
0 á
á
á
á
á
á
á
á
Conhecendo á
, á
0
0 0 , (valores medidos) e á
(valor tabelado), resolvendo esta equação obtemos Tf por resolução teórica desta situação. No processo B, a temperatura do gelo durante a fusão aumenta, diminui ou não varia? Porquê? Não varia, a energia recebida pelo gelo é utilizada para quebrar as ligações entre as moléculas do gelo (aumentar a sua energia potencial) e não para aumentar a energia cinética média das moléculas, mantendo‐se assim constante a sua temperatura. Depois do gelo ter fundido atinge‐se o equilíbrio térmico? Não, a temperatura da água resultante da fusão do gelo será pois ainda diferente (inferior) da temperatura da água que inicialmente se encontrava à temperatura ambiente. Quais são as transferências de energia que ocorrem no processo B (água + gelo a 0 °C): Transferência de energia por calor do ambiente para a mistura água + gelo a 0 °C. Transferência de energia por calor da água inicialmente à T ambiente para o gelo a 0 °C. Transferência de energia por calor da água inicialmente à T ambiente para a água resultante da fusão do gelo. Transferência de energia por calor entre a superfície do gelo e o seu interior (o gelo retirado do congelador está uma temperatura muito inferior a 0 °C, então quando posteriormente é colocado dentro de água a sua temperatura na interface gelo‐água é 0 °C mas no seu interior a temperatura é na realidade ainda inferior a 0°C). A variação de entalpia de fusão do gelo é 3,33 x 105 J/kg. Qual é o significado físico deste valor? Para que 1 kg de gelo (água no estado sólido) passe ao estado líquido é necessário fornecer‐lhe a energia de 3,33 10 J 2 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.4 Indica a equação matemática para calcular a quantidade de energia envolvida na fusão de gelo. ∆
ã Podemos prever a temperatura final da mistura água + gelo 0 °C? ndica a equação matemática que permite calcular a temperatura final da mistura água + gelo 0 °C. Fazer o balanço energético. Aproximações: Desprezar a energia transferida por calor do ambiente para a mistura; Desprezar a energia transferida por calor entre a superfície do gelo e o seu interior. Pela Lei da Conservação de Energia: á
ã á
á
∆
ã á
á
∆
ã , , (valores medidos), Conhecendo á
á
á
á
ã á
, ∆
ã ã á
0 0
0 0 (valores tabelados) e resolvendo esta equação obtemos Tf por resolução teórica desta situação. Aspectos experimentais relevantes 
A quantidade de água à temperatura ambiente utilizada pode variar de ensaio para ensaio? Deve ser aproximadamente a mesma, porque Tf depende da massa de água a arrefecer (ver equações) logo para avaliarmos qual o método mais eficaz temos que manter este parâmetro constante. 
A quantidade de gelo 0 °C e de água a 0 °C em cada um dos ensaios deve ser a mesma ou pode ser diferente? Deve se aproximadamente mesma, pois Tf depende da massa de gelo 0 °C e da massa de água 0 °C (ver equações) logo para avaliarmos qual o método mais eficaz temos que manter estes parâmetro constante. 
A relação entre a quantidade de água à temperatura ambiente e de gelo a 0 °C pode ser qualquer? Pode ser mas por motivos de ordem prática há uma relação mais favorável, caso contrário o gelo não funde ou a sua fusão é muito demorada, impossibilitando a realização da experiência em tempo útil. Verificou‐se experimentalmente que esta relação deve ser de 6:1, recomenda‐se cerca de 120 g de água para 20 g. 3 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.4 
Começamos a experiência pelo ensaio com água a 0 °C ou pelo processo com gelo a 0 °C? Começamos pelo ensaio com gelo a 0 °C porque é muito difícil “acertar” com o gelo a mesma massa de água fria utilizada. 
Será melhor utilizar cubos de gelo inteiros ou gelo fragmentado? Para diminuir o gradiente térmico entre a superfície e o núcleo dos cubos de gelo previamente fragmentam‐se os cubos de gelo e colocam‐se num recipiente com um pouquinho de água. Lista de material e reagentes Descrição Copo de plástico Gelo 0 °C Água 0 °C Termómetro Vareta Pinça Água Picadora de gelo Recipiente Térmico Quantidade
2 1 1 1 1 1 1 1 1 Procedimento Processo B 1. Encaixar os copos de plástico um no outro, por forma a melhorar o isolamento térmico durante o ensaio. 2. Tranferir cerca de 120 g de água à temperatura ambiente para dentro do conjunto de copos de plástico. Fig. 1 Pesagem da água. 3. Registar o valor da massa de água transferida. 4. Medir a temperatura inicial da água e registar o seu valor. 4 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.4 Fig. 2 Medição da temperatura da água. 5. Transferir com uma pinça cerca de 20 g de gelo a 0 °C para o conjunto copos de plástico com a água à temperatura ambiente. Registar o valor da massa de gelo a 0 °C transferido. Fig. 3 Pesagem do gelo. 6. Observar atentamente a variação da temperatura da mistura, agintando continuamente e lentamente a mesma com a vareta (homogeneizar a temperatura da mistura). 7. Registar o menor valor de temperatura que a mistura atinge. Processo A 1. Encaixar os copos de plástico um no outro, por forma a melhorar o isolamento térmico durante o ensaio. 2. Transferir cerca de 120 g de água à temperatura ambiente, para dentro do conjunto de copos de plástico. A massa de água transferida deve ser o mais próxima possível da massa de de água utilizada no processo B. 3. Registar o valor da massa de água transferida. 4. Medir a temperatura inicial da água e registar o seu valor. 5. Transferir a água a 0 °C, que se encontra dentro do recipente térmico, para dentro do conjunto de copos de plástico com a água à temperatura ambiente. A massa transferida deve ser o mais próxima possível da massa de gelo a 0 °C utilizada no processo B. 6. Registar o valor da massa de água a 0 °C transferida. 7. Observar atentamente a variação da temperatura da mistura, agintando continuamente a mesma com a vareta, e registar o menor valor de temperatura que a mistura atinge. 5 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.4 Registos Processo B Mistura água + gelo 0 °C m água (kg) m gelo 0 °C (kg) Ti (°C)
Tf (°C)
0,12067 0,02303 22,00 9,30 m água (kg) m água 0 °C (kg) Ti (°C)
Tf (°C)
0,12050 0,02350 22,20 18,80 Processo A Mistura água + água 0 °C Cálculos Processo B á
á
á
ã ∆
Substituindo os valores tabelados ã ã e ∆
3,33 ã á
4186
3,33
10
4186
0 á
4186
3,33
10
4186
0 Substituindo os valores medidos 0,12067
4186
0,12067 kg , á
22,00
0,02303
3,33
0 0 á
4186 J⁄ kg ·
á
á
0,02303 kg e 10
0,02303
4186
10 J⁄kg : 22,00 : 0 7,38 Processo A á
á
á
á
Substituindo o valor tabelado á
4186
á
á
á
Substituindo os valores medidos 0,12050
4186
22,20
0 á
0 á
4186 J⁄ kg ·
4186
0 0,12050 kg , 0,02350
4186
á
0,02350 kg e 22,20 : 0 6 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.4 18,57 Conclusões 
Para arrefecer água é mais eficaz utilizar gelo a 0 °C do que água a 0 °C. 
A temperatura mínima experimental atingida pela mistura é em ambos os processos superior ao seu valor previsto teoricamante. Porque no respetivo cálculo não se considerou a transferência de energia por calor, que na realidade ocorre, do ambiente para a mistura água + água 0 °C ou do ambiente para a mistura água + gelo a 0 °C. 
No caso do processo água + água 0°C a previsão teórica por defeito em relação ao valor experimental também se poderá dever ao facto de a água supostamente a 0°C não estar eventualmente precisamente a esta temperatura mas sim a uma temperatura ligeiramente superior. 
O afastamento do valor previsto teoricamente em relação ao valor experimental é maior no caso do processo B talvez porque este processo decorreu num período de tempo um pouco mais lato sendo então maior a quantidade de energia transferida por calor do ambiente para a mistura. 7