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Curvas reais de aquecimento da água

Fernando

Muito interessante a questão sobre a transformação de determinada quantidade de gelo em vapor conforme Confusão recorrente sobre vaporização.

Eu sempre resolvia essa tradicional questão quando fui professor de cursinho e provavelmente ensinei aos alunos de forma errada tb, na época também pelo jeito era bastante acrítico.

A minha pergunta é considerando o efeito de evaporação descrito haveria uma diferença numérica considerável em calorias desta solução?

Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/

Em um processo de aquecimento real da água as perdas por evaporação anteriores à ebulição dependerão de diversos fatores tais como área da superfície da água em contato com a atmosfera, umidade relativa da atmosfera, taxa de transferência de energia para água, …

Em um calorímetro aqueci água com um aquecedor tipo “rabo quente”. Com auxilio de um variac, um amperímetro,  um voltímetro e um cronômetro pude determinar a quantidade de energia transferida para a água no calorímetro enquanto também registrava a temperatura da água. a foto abaixo registra parte do equipamento usado.

equipamento

A figura abaixo apresenta quatro curvas de aquecimento:

1- Em vermelho vemos a curva que despreza os efeitos ede evaporação, aliás onipresente nos livros textos, sem entretanto alertar para a possibilidade de evaporação e, portanto, não mencionar que tais efeitos estão sendo desprezados. Por exemplo, em http://minhasaulasdefisica.blogspot.com.br  é explicitamente afirmado que “Após a fusão, a energia recebida faz com que a vibração das moléculas aumente novamente, aumentando a temperatura da água até 100°C. Nesta temperatura inicia-se a vaporização.” Entende-se assim a razão de um estudante manifestar estranheza em relação ao processo de vaporização (evaporação) acontecido em um lago conforme a postagem Termodinâmica: vaporização da água.

equivoc

2- A curva relativa à potência de 130 W no “rabo quente” atinge finalmente o patamar de temperatrura constante, característico da EBULIÇÃO.

3- As outras duas curvas, relativas às potências de 66 W e 40 W no “rabo quente”, também atingem patamares em que a temperatura é constante mas inferior à temperatura de ebulição (cerca de 96 graus C e 85 graus C). Ou seja, a evaporação é tão intensa que a energia fornecida pelo “rabo quente” é toda dispendida para EVAPORAR a água abaixo da temperatura de ebulição.

curvas_aq

Quando interrompi o processo, desligando o “rabo quente”, medi a massa evaporada. Estas medidas revelaram uma perda de massa por evaporação de 16 g, 29 g e 31 g durante o aquecimento.

Desta forma fica evidanciado que a evaporação NÃO pode ser desprezada nestes três casos. Certamente as perdas por evaporação serão menores quanto maior for a taxa de transferência de energia para água através do “rabo quente”. Ou seja, a curva vermelha será melhor aproximada por uma curva real quando se diminuir o tempo de aquecimento e/ou se diminuir as perdas por evaporação.

O importante desta discussão é que a evaporação não pode ser ignorada e infelizmente muitos livros texto de Física Geral sequer a menciona.

Outras questões sobre o tema:

Ventilador borrifador de água baixa a temperatura ambiente?

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Conforto térmico pelo ventilador

Diferencie ebulição de evaporação!

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Termodinâmica: vaporização da água

Vide o artigo Um tema negligenciado em textos de Física Geral: a vaporização da água disponível em ResearchGate.

“Docendo discimus.” (Sêneca)

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Comentários por correio eletrônico

Marco Idiart escreveu: Ola Fernando

Muito interessante as tuas colocações.  Eu sempre menciono aos meus alunos o rosário de aproximações que temos que fazer para calcular qualquer coisa em termodinâmica (a começar pela ideia de equilíbrio)  e estas curvas vão direto para as minhas aulas.

Mas tenho uma dúvida, tu estimaste as perdas por condução devido ao calorímetro estar aberto? Por exemplo 100KJ a uma potencia de 66W significa 25 minutos… isso não é tempo demais de exposição. A energia “perdida”  bate com a massa evaporada?

Marco

Minha resposta ao Marco: Oi Marco

Ótima pergunta!

Certamente existem perdas de energia por condução (e também por convecção e radiação) além da evaporação.

A diferença de energia “perdida” ao longo da curva que mais se aproxima da curva vermelha, se tivesse sido “perdida” apenas para evaporar água, determinaria a evaporação de cerca 21 g de água. De fato evaporou-se a massa de 16 g.
No segundo caso daria para evaporar 39 g mas de fato evaporou-se a massa de 29 g.
No terceiro caso daria para eveporar 46 g mas de fato evaporou-se a massa de 31 g.
Nota então que, apesar de não serem desprezíveis as outras “perdas” energéticas, a maior parte das “perdas” (67%, 74% e 76%) é por evaporação.
O vade-mécum dos laboratórios de calorimetria reza que: 1 – de preferência se conduza os experimentos de tal forma que a temperatura do calorímetro não seja muito maior do que a do laboratório. 2 – o calorímetro deve ter tampa para minimizar perdas por evaporação. 3 – ….
Abraços
Fernando
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Comentários no Facebook em 21/10/2014
Diego Barbosa Souza: Sensacional!

Assim como este tema, quantos outros são tratados de forma “rasa” no ensino médio? Infelizmente quase tudo que ensinamos é uma reprodução semi-automática do que aprendemos enquanto estudantes, do que lemos em textos ultra simplificados, e do que consolidamos em nós por meio da resolução de inúmeras questões hiper artificiais e acríticas!

Poucos são os momentos de reflexão profunda sobre dos conteúdos ensinados e de sua importância na vida dos estudantes!

Fernando Lang da Silveira – Impressiona-me que na quase totalidade de livros de Física Geral o tema da evaporação sequer é abordado. Mesmo que o assunto não seja detalhado, já que envolve conhecimentos de termodinâmica mais avançados, a evaporação não pode ser omitida sob pena de se produzir ideias distorcidas como a que aparece na seguinte pergunta: http://www.if.ufrgs.br/cref/?area=questions&id=107

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