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Laboratório de Ciências Quinta aula de Física O CALOR ESPECÍFICO DA ÁGUA CALOR ESPECÍFICO DO ALUMÍNIO, LATÃO E FERRO MATERIAL USADO � 1 laptop � 1 fonte de tensão � 1 voltímetro � 1 interface � 1 termômetro � 1 Calorímetro com resisistor � 3 Corpos de prova (Latão, alumínio e ferro) � 1 vela. Introdução A “capacidade térmica” é definida como a quantidade de energia (calor) necessária para provocar uma certa mudança na temperatura de um objeto. No sistema internacional, ela é medida em Joules por Kelvin. O “calor específico” é definido como a capacidade térmica por unidade de massa do objeto, dado no SI em Joules por Kelvin por kilograma: mT Q c 1 ⋅ ∆ ∆ = então a variação de temperatura de um objeto em função da energia transferida será: mc QT ⋅ ∆ =∆ Tradicionalmente, o calor específico de substâncias é medido também em “calorias”. Uma caloria é definida como a quantidade de energia necessária para aquecer 1 grama de água em 1 grau Celsius. Na experiência de hoje iremos medir o equivalente mecânico da caloria, utilizando o calor liberado por um resistor durante a passagem de corrente elétrica. Vimos que a unidade de tensão elétrica, o Volt, é definido como a tensão necessária para que, durante a passagem de 1 Ampère por uma resistência, a potência dissipada seja 1 Watt: 1 Watt = 1 Volt * 1 Ampère IVP ⋅= Se o calor dissipado pelo resistor for integralmente transferido para a substância cuja temperatura desejamos mudar, então tPQ ∆=∆ , onde t∆ é o intervalo de tempo durante o qual a potência é dissipada no resistor. A variação da temperatura do objeto será então: t mc PT ∆ ⋅ =∆ Outra maneira de escrever a equação (5) é ))(()( 00 tt mc PTtT − ⋅ += (1) (2) (3) (4) (5) (6) Procedimento 1 - Calor específico da água: 1) Com a ajuda de uma proveta graduada ou uma balança, coloque 100 ml (100 g) de água dentro do calorímetro. 2) Monte um circuito para aquecimento da água conforme a figura abaixo. Deixe desconectado por enquanto um dos fios que vai até a fonte de tensão. ATENÇÃO: NUNCA LIGUE O RESISTOR DO CALORÍMETRO FORA DA ÁGUA!!! 3) Coloque o termômetro da interface de aquisição de dados no buraco na tampa superior do calorímetro. Certifique-se de que o termômetro não encoste no resistor dentro do calorímetro, mas que tenha uma parte submersa na água. 4) Verifique que a temperatura medida se mantenha razoavelmente constante. Agite levemente o calorímetro para que todo o conjunto entre em equilíbrio térmico. 6) Ajuste o programa de aquisição de dados para que realize uma medida por segundo durante 15 minutos. 7) Pressione o botão “Collect” no software de aquisição de dados. A partir daí, agite levemente o calorímetro em intervalos de tempo regulares, para garantir a homogeneidade da temperatura dentro do calorímetro 8) Ligue a fonte de tensão e ajuste a voltagem para cerca de 6 Volts. Depois, ligue o fio que estava conectado e regule a corrente da fonte, no botão “Corrente”, para que esta fique em 1,00 A. A tensão agora não será mais 6 V mas não importa. Anote a tensão medida no voltímetro, ela é a mesma que aparece no mostrador da fonte de tensão? À medida que o tempo for passando, a temperatura irá gradualmente aumentando, e você deve obter um gráfico como o da figura abaixo. Deixe que a medida leve uns 10 a 15 minutos. 9) Clique em ANALYSE, depois em LINEAR FIT. Então aparecerá um caixa de texto parecida com esta mostrada logo abaixo. O programa irá tentar ajustar uma reta cuja equação é dada por y = m x + b Agora responda as seguintes perguntas: a) Qual a potência dissipada pelo resistor dentro do calorímetro? Ela se manteve constante? b) Porque há a necessidade de realizar esta experiência com o calorímetro, e não um recipiente qualquer? c) Qual a relação entre os coeficientes do ajuste linear realizado pelo sotware e os parâmetros da equação (6)? d) Qual o valor que você obteve para o calor específico da água? Procedimento 2 - Calor específico dos corpos de prova. 1) Com a ajuda de uma proveta graduada ou uma balança, coloque 100 ml (100 g) de água dentro do calorímetro. Usando a balança, meça a massa dos corpos de prova que serão utilizados na experiência. 2) Insira o termômetro no corpo de prova e o conjunto dentro do calorímetro, como mostra a figura (I). Aperte o botão “collect” para iniciar a aquisição de dados. Aguarde um minuto agitando levemente o calorímetro para que o conjunto entre em equilíbrio térmico. 3) Retire o corpo de prova com o termômetro e coloque sobre a vela, como mostra a figura (II). Deixe o corpo de prova atingir cerca de 80 graus. 4) Afaste o corpo de prova da vela e espere alguns segundos para homogeneizar a temperatura no corpo de prova, como mostra a figura (III). 5) Coloque o corpo de prova com o termômetro de volta dentro do calorímetro, como a figura (IV) só que com a tampa no lugar. Aguarde alguns segundos para que o corpo de prova entre em equilíbrio térmico com a água e o calorímetro, agitando levemente o calorímetro. 6) Agora responda: a) Qual a variação da temperatura da água, antes e depois da realização do procedimento? b) Sabendo que o calor específico da água é 4,18 J g-1 K-1, qual o calor cedido pelo corpo de prova à água? c) Qual a variação da temperatura do corpo de prova, do instante em que ele foi mergulhado novamente no calorímetro até a temperatura se estabilizar? d) Usando as respostas das questões (b) e (c), qual o calor específico do corpo de prova? e) Usando a inclinação média do gráfico obtido na etapa (II) e as respostas anteriores, estime a potência transferida ao corpo de prova pela vela. � ����� ������ ������� �� ��� ���� ��� ������ ��� � � � � �
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