Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo Engenharia Mecânica Jussara Brandão Venturini Rafael Porfírio Thiago Henrique Gava Ueverton Alexandre Belg Relatório de Física Experimental Prática 3 – Dilatação Térmica Piracicaba, 2015. 1 Relatório de Física Experimental Prática 3 – Dilatação Térmica Relatório técnico da disciplina de Física Geral, no curso de Engenharia Mecânica, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, Campus Piracicaba. Prof. Huyrá Estevão Piracicaba, 2015. 2 INDICE 1. Objetivo…………………………………………………………………………………3 2. Introdução Teórica…………………………………………………………………....4 2.1. Dilatação e Temperatura………………………………………………………..4 2.2. Lei Zero da Termodinâmica…………………………………………………….4 2.3. Expansão Termica………………………………………………………………..4 2.4. Dilatação Linear…………………………………………………………………...5 3. Procedimento experimental………………………………………………………….6 4. Resultados e Discussões…………………………………………………………….7 4.1. ETAPA 1…………………………………………………………………………….7 4.2. ETAPA 2……………………………………………………………………………11 5. Conclusão………………………………………………………………………………13 6. Referencias…………………………………………………………………………….14 3 1. OBJETIVO Este experimento tem como objetivo definir valores de coeficientes de dilatação termica de materiais distintos através do ensaio de dilatometria. 4 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA 2.1. Dilatação e Temperatura Os fenômenos térmicos ou de calor são calculados em relação à grandeza fundamental da temperatura, no caso de sistemas mecânicos, é necessario calcular as grandezas de comprimento, tempo e massa, a fim de que as grandezas mecanicas de força, energia e momento sejam expressas em relação às mesmas. A temperetura costuma ser usada em escala Kelvin, pelos fisicos. Sendo esta escala a forma que registra o zero como limite inferior, considerando assim a temperatura ambiente 295 Kelvins (K) acima do zero absoluto que é, aproximadamente, 23 graus na escala Celsius (ºC). 2.2. Lei Zero da Termodinamica Quando se altera o ambiente termico de um material, levando-o de uma alta para uma baixa temperatura, transformam-se também suas propriedades modulares. Como por exemplo, quando um material é exposto à baixas temperaturas, seu volume diminui. Em uma linguagem menos formal, a Lei Zero da Termodinamica diz que "todo corpo tem uma propriedade chamada temperatura. Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são iguais". Muito utilizado em pesquisas labolatoriais, a Lei zero surgiu em 1930 a fim de dar sustentação para a primeira e segunda lei da termodinamica, colocando assim a Lei Zero como procedencia para calculos mais exatos e mais elaborados. 2.3. Expansão Termica É dada com o aumento da temperatura sobre um ou mais elementos ou liga, a expansão termica se dá pelo fato de que os coeficientes de dilatação de cada elemento são diferentes. Por exemplo, pode-se fazer com que uma jarra de vidro fechada com uma tampa metalica, se abra com um jato jato de água quente, onde é possivel observar o afrouxamento da tampa devido ao calor do jato, fazendo com que seu modular aumente mais rapido do que o vidro. Tendo como base a diferença de dilatação dos materiais, nas construções de pontes e viadutos são deixados intervalos de dilatação a fim de não prejudicar a estrutura caso ela sofra variações de temperatura. Esses intervalos de dilatação também são 5 empregados para as mais diversas areas, tais como: construção de refinarias, rebites aeronalticos, trilhos de trem, etc. 2.4. Dilatação Linear Em uma haste metálica de comprimento L, seu comprimento tende à aumentar de acordo com a quantidade de temperatura que ela recebe, conforme mostra a equação abaixo: ΔL= α . L0 . ΔT Como sendo: ΔL = variação de comprimento em metros (m); α = Coeficiente de Dilatação Linear em 1/Kelvin (K-1) ou 1/Celsius (ºC-1); L0 = Comprimento inicial em metros (m); ΔT = variação da temperatura em kelvin (K) ou em grau celsius (ºC); Onde α, com a variação de temperatura, na maioria das aplicações práticas pode ser considerado constante para um determinado meterial. 6 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Neste experimento foram utilizados os seguintes materiais: Barra 1; Características: 64,5 cm de comprimento; Barra 2; Características: 64,5 cm de comprimento; Aparato experimental; Contendo: 02 termômetros, becker, aquecedor, relógio comparador. Após montado o aparato experimental, com a barra e os termômetros colocados na posição correta, o aquecedor foi ligado de modo a aquecer a água contida no Becker. A fim de se padronizar os experimentos, adotou-se como TERMOMETRO 1, o qual se encontrava próximo ao começo da barra, logo depois do Becker e TERMOMETRO 2, o qual estava ao fim da barra, próximo ao relógio comparador. As partes do experimento foram monitoradas simultaneamente pelos integrantes do grupo a cada intervalo de trinta segundos. A variação de temperatura nos dois termômetros e a dilatação indicada pelo relógio comparador foram anotadas e dispostas em tabelas. Como a dilatação ocorre de maneira rápida, o relógio comparador foi filmado para que os dados fossem anotados posteriormente. Os passos descritos anteriormente foram repetidos até que a dilatação apontada pelo relógio comparador não apresentasse mais alterações. Mesmo quando a temperatura começou a cair, depois de desligado o aquecedor, o experimento foi monitorado até que a variação de temperatura se estabilizasse. Durante o experimento, além da temperatura e dilatação, também foram anotados os instantes em que a água entrou em ebulição e começou a produzir vapor e quando o sistema foi desligado, para que se obtivesse maior precisão nos dados coletados. Para a realização deste experimento, os procedimentos foram repetidos com as duas barras de materiais distintos. 7 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos foram dispostos em tabelas para que fosse possivel relatar e discutir o comportamento dos materiais a cada etapa do experimento. As barras foram analizadas separadamente, portanto essa seção será dividida em duas etapas: ETAPA 1 – resultados obtidos no ensaio da Barra 1. ETAPA 2 – resultados obtidos no ensaio da Barra 2. 4.1. ETAPA 1 No gráfico 1, estão dispostos os valores da dilatação térmica em função do tempo. Aos 5 minutos e 30 segundos nota-se o início da dilatação da Barra 1, que mantem em um ritmo lento e continuo até, aproximadamente, os 8 minutos e 40 segundos. A partir desse ponto pode-se observar uma aceleração na velocidade da dilatação da barra, a qual, em menos de 1 minuto e 20 segundos, apresenta uma dilatação de aproximadamente 0,072mm (setenta e dois centésimos de milimetro). Nesse ponto, a dilatação da barra inicia um processo de equilíbrio, o qual a velocidade de dilatação é reduzida drasticamente, tornando-se quase nula. Grafico 1: Dilatação termica linear em função do tempo. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 1 2 3 4 5 5 :3 0 6 7 8 8 :3 0 9 9 :30 1 0 1 1 1 1 :3 0 1 2 1 3 1 4 1 4 :3 0 1 5 1 5 :3 0 1 6 1 7 1 8 1 8 :3 0 1 9 2 0 D ila ta çã o ( m m ) Tempo (min) GRÁFICO 1: Dilatação Térmica x Tempo 8 Com a dilatação da barra chegando ao equilíbrio e sua aceleração de dilatação progredindo de maneira mais lenta, o experimento foi desligado aos 14 minutos e 30 segundos. Tal procedimento é facilmente identificado no gráfico pois a dilatação sofre uma queda, registrando uma retração de, aproximadamente, 0,060mm (sessenta centésimos de milimetro) no tempo de 5 minutos e 30 segundos depois que o sistema foi desligado. Com esses dados é possivel concluir que a barra apresenta uma resistencia calorimétrica consideravel, o que faz com que ela demore a apresentar uma dilatação em função da mudança de temperatura, bem como a voltar ao estado que se encontrava inicialmente. No gráfico 2, é possível determinar o momento em que a água ferveu, aos 7 minutos e 40 segundos, o que acarretou em um aumento consideralmente rápido da temperatura no termometro 1 (próximo à fonte de calor), que atinge o ponto máximo aos 14 minutos e 30 segundos, mesmo instante em que o sistema foi desligado, como verificado no gráfico 1. A partir desse momento, a temperatura de T1 começa a cair de maneira lenta se comparado com a queda da dilatação da barra mostrada no grafico 1. Grafico 2: Temperatura do Termometro 1 em função do tempo A tabela 1 apresenta os valores utilizados para a determinação do coeficiente de dilatação linear. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 Te m p e ra tu ra ( °C ) Tempo (minutos) GRÁFICO 2 - Temperatura (T1) x Tempo 9 TABELA 1 Tempo Dilatação linear Temperatura do Termometro 1 09 Minutos 0,025mm 52ᵒC 10 minutos 0,080mm 54ᵒC 14 minutos 0,090mm 68ᵒC Tabela 1: Valores de Temperatura e Dilatação Linear em função do tempo. Com base nesses dados, e sabendo que o comprimento inicial da barra é de 64,5cm, foi possivel encontrar o valor do coeficiente de dilatação da barra 1 como sendo αbarra1 = (1,38427 x 10 -5) °C-1. O valor que mais se aproxima do valor encontrado nos calculos é o ferro, que apresenta um coeficiente de dilatação αferro = (1,2 x 10-5) °C-1. Essa divergencia de valores pode ser consequência de diversos fatores como: (1) O material da barra não é puro, podendo ser uma liga de ferro o que, devido à sua composição, altera o comportamento da dilatação termica em relação à temperatura; (2) Falhas ocorridas durante o procedimento experimental, como medições de temperatura e dilatação erradas; (3) O fato de que não é possivel medir a temperatura final real da barra (discutido após a apresentação do grafico 4). No gráfico 3, é possivel observar a variação de temperatura em função do tempo do Termometro 2 (T2), posicionado ao final da barra. É importante salientar que a temperatura inicial do termometro 2 é diferente da temperatura do termometro 1, pois o mesmo se encontrava exposto ao calor da luz direta do sol antes de se iniciar o experimento. Grafico 3: Temperatura do Termometro 2 em função do tempo. 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 Te m p e ra tu ra ( °C ) Tempo (minutos) GRÁFICO 3 - Temperatura (T3) x Tempo 10 Se comparado com o grafico 2, onde se tem a variação de temperatura do termometro 1, é possivel observar que variação do termometro 2 é menor, isso porque o calor produzido pelo vapor d’agua ao percorrer a barra se dissipa ao entrar em contato com o ambiente externo, como mostra o grafico 4. Grafico 4: Variações de Temperatura dos termometros (T1 e T2) Após cinco minutos percebe-se uma variação nas temperaturas, onde T1 começa aumentar exponencialmente, em relação ao T2, isso se dá pelo fato de o T1 estar mais próximo à fonte de calor, onde permanece em contato por mais tempo com o vapor da água. Em contra partida, T2, que está na extremidade oposta, demora um tempo maior para apresentar uma variação. Logo após a água começar a ferver, aos 7 minutos e 40s, é possivel notar que a diferença entre os termômetros começa a diminuir, tendo uma queda considerável no intervalo de tempo entre 11 e 11 minutos e 30 segundos. A partir desse momento o comportamento da curva de aquecimento do T2 passa a ser praticamente igual ao T1, com uma diferença de, pelo menos, 15ºC entre eles que se mantém até o final do experimento. O gráfico 4, mostra que quanto mais próximo a fonte de calor mais rápido acontece a variação da temperatura. Com isso é possivel concluir que, se a barra se aquece 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 Te m p e ra tu ra ( °C ) Tempo (minutos) GRÁFICO 4 - Termometros (T1 e T2) x Tempo T1 T2 11 de maneira disforme, é possivel que a sua dilatação ocorra de maneira disforme tambem, ou seja, é possivel que cada uma das infinitesimais partes da barra contribua de maneira diferente para a dilatação total. Por exemplo, a parte da barra que está mais proxima à fonte de calor dilata mais do que a parte final da barra, onde a temperatura é menor e para que fosse possivel determinar o valor real de α, seria necessário saber a variação de temperatura em cada uma das infinitesimais partes da barra. Sendo assim, não é possivel afirmar que o valor encontrado nos calculos é de fato o valor verdadeiro de dilatação termica linear da barra, justamente por causa da imprecisão dos valores de temperatura, ficando inviável determinar com precisão de qual material a barra 1 é feita. 4.2. ETAPA 2 Ocorreram problemas na execução da ETAPA 2 deste experimento. A borracha na entrada de vapor não vedava totalmente o sistema, fazendo com que o vapor d’agua vazasse. Houve também uma interrupção no fonecimento de energia elétrica da sala de aula. É possivel observar as consequências desses acontecimentos no grafico 5. Grafico 5: Dilatação Termica x Tempo (Barra 2) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 1 2 3 4 5 5 :3 0 6 6 :3 0 7 7 :3 0 8 8 :3 0 9 1 0 1 0 :3 0 1 1 1 1 :3 0 1 2 1 3 1 3 :3 0 1 4 1 5 1 5 :3 0 1 6 1 7 1 7 :3 0 1 8 D ila ta çã o ( m m ) Tempo (min) GRÁFICO 5 - Dilatação Termica x Tempo 12 Nos momentos em que foram observados vazamentos de vapor no sistema percebe-se que a dilatação para de aumentar e se mantém estavel (entre 9 minutos e 30 segundos e 10 minutos e 30 segundos; 11 minutos e 30 segundos até 12 minutos e 30 segundos). E aos 13 minutos e 30 segundos, quando a energia elétrica foi desligada, houve uma queda na dilatação, pois o sistema parou de ser aquecido por alguns minutos, até que a eletricidade fosse ligada novamente, aos 15 minutos, quando a dilatação registra um último vazamento (entre 15 minutos e 30 segundos até 16 minutos e 30 segundos), antes que experimento fosse dado por encerrado. Se comparado com o gráfico 1, que mostra a dilatação termica da barra 1 em função do tempo, pode-se perceber que o grafico 2 não segue a mesma tendencia. Por tanto, não foi possivel calcular a dilatação termica linear da barra 2 com os valores encontrados, uma vez que o aquecimento do sistemadependia da circulação de vapor e, devido aos vazamentos, não houve propagação de calor de maneira constante na barra. 13 5. CONCLUSÃO Ao analizar os dados coletados, os cálculos feitos e os resultados obtidos na prática, pode-se concluir que houve erros que impossibilitaram a precisão dos resultados obtidos, dificultando a determinação dos materiais que as barras 1 e 2 são feitas. No entanto, apesar dos diversos erros relacionados e propagados na determinação do material das barras, foi possível visualizar que materiais distintos comportam-se de formas diferentes em relação ao calor e à dilatação, graças às análises dos gráficos feitos com os dados coletados no experimento. 14 6. REFERENCIAS 1. HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física – Gravitação, Ondas e Termodinâmica. 4 Ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 1996. 292 p. 2. SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark, W.; YOUNG, Hugh D. Física 2: Mecânica dos Fluidos. Calor. Movimento Ondulatório. 2 Ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 1997. 510 p.
Compartilhar