Roteiro Condução de Calor

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DF – CCEN – UFPB FÍSICA EXPERIMENTAL I
Experiência – Condução Térmica
1. Introdução
O objetivo do experimento é estudar a condução térmica em metais, avaliando a
influência do material, do comprimento e do diâmetro das hastes na transferência de
calor. Para realizar a experiência, uma haste metálica em forma de U é colocada em
água fervente em uma extremidade e em água fria em outra, e mede-se a temperatura
da água fria a cada minuto por um período de 12 minutos. A partir dos dados obtidos, é
possível fazer análises qualitativas e quantitativas sobre a condução térmica nos
diferentes materiais e dimensões das hastes. É importante ter cuidado com as altas
temperaturas das hastes e prestar atenção às leituras intermediárias de temperatura. A
experiência deve ser realizada com cautela e seguindo as orientações do roteiro para
garantir resultados precisos e seguros.
2. Objetivos
Estudar a condução do calor em metais, em função do material e das dimensões das
hastes.
3. Material utilizado
1. Base suporte
2. Haste suporte
3. Manga universal (2 un.)
4. Braçadeira porta frasco
5. Suporte plástico para termômetro
6. Haste de agitador
7. Seringa 20 ml
8. Termômetro (2 un.)
9. Béquer vidro 300 ml
10.Copo metálico
11. Tela de amianto
12.Fogareiro elétrico
13.Hastes:
Alumínio (d = 5 mm, l = 175 mm)
Cobre (d = 5 mm, l = 175 mm)
Cobre (d = 3 mm, l = 175 mm)
Cobre (d = 5 mm, l = 120 mm)
4. Montagem
Uma das extremidades de uma haste metálica em forma de U é mergulhada em água
fervente, e a outra extremidade em água fria. A partir do aquecimento da água fria
podem-se deduzir enunciados qualitativos e quantitativos sobre a influência do material
utilizado, do comprimento e do diâmetro da haste sobre o fluxo de calor. Para isso a
montagem deve ficar igual a imagem abaixo.
OBS:
1. Tenha cuidado com a alta temperatura das hastes, ao fim da experiência.
2. Ao ler as temperaturas devem se considerar também os valores intermediários
de 0,5 ºC.
3. Ponha no béquer 300 ml, ao trocar de haste complemente a quantidade de
água.
4. Coloque o termômetro de modo que sua ponta de medição fique
aproximadamente 1 cm acima do fundo do copo.
5. Procedimento experimental
1. No princípio do experimento, não ponha a haste entre o béquer e o copo
metálico. Deixe o aquecedor distante do copo metálico, para diminuir os efeitos
da propagação de calor por convecção.
2. Ponha 300 ml de água no béquer. Aqueça a água até que ferva, meça a
temperatura de ebulição.
3. Ponha 20 ml de água no copo metálico, (meça com precisão, utilizando a
seringa graduada).
4. Posicione o béquer e o copo metálico de maneira a se poder colocar a haste
metálica facilmente sobre ambos.
5. Meça a temperatura da água do copo metálico e anote-a na tabela 1 em t = 0
min.
6. Coloque um ramo da haste metálica dentro de água fervente e o outro no copo
metálico com água fria e ligue o cronômetro.
7. Agite regularmente a água do copo metálico.
8. Meça e registre a cada minuto a temperatura da água do copo metálico, até o
tempo 12 minutos.
TABELA 1
Conjunto 1 2 3 4
Material Alumínio Cobre Cobre Cobre
Diâmetro (mm) 5 5 3 5
Comprimento (mm) 175 175 175 120
t (min) T (ºC) T (ºC) T (ºC) T (ºC)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
6. Questões
1. Como podemos usar os dados obtidos a partir do experimento para determinar a
condutividade térmica dos diferentes materiais de haste?
2. Como o diâmetro e o comprimento da haste afetam a taxa de transferência de
calor? Explique como essa relação pode ser usada para projetar sistemas de
transferência de calor eficientes.
3. Expresse a relação de proporcionalidade entre o fluxo térmico ( quantidade de
calor por unidade de tempo) na haste e as suas dimensões.
4. Será que o formato da haste metálica (além da seção transversal circular) pode
afetar a taxa de transferência de calor? Explique.
5. Que influência tem a diferença de temperatura entre as duas extremidades da
haste sobre o fluxo térmico através desta?
6. Como a variação da temperatura ambiente pode afetar os resultados
experimentais? É possível fazer algum ajuste na análise de dados para
contabilizar esses efeitos? Explique sua resposta.
7. Consulte na literatura os valores de condutividade térmica do cobre e do
alumínio, qual a relação entre eles?
8. Utilizando os dados experimentais, determine a condutividade térmica do
alumínio e do cobre. Qual a relação entre eles?