Fisica experimental- propagação de calor

Prévia do material em texto

FAMAZ- Faculdade Metropolitana da Amazônia 
RELATÓRIO
Física experimental: Propagação de calor por Condução, Convecção e Radiação.
 Discentes:
 Ana Paula Santiago
 Isis Drielly Valente
 Rayssa silva 
Belém, PA
2015
SUMÁRIO
1-INTRODUÇÃO .............................................................................................. .3 2-DESCRIÇÃO DO RELATÓRIO ......................................................................4 3-OBJETIVO DO EXPERIMENTO......................................................................5 
4-FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.......................................................................6 
4.1-TRANSMISSÃO DE CALOR.........................................................................6 
4.2-CONDUÇÃO DE CALOR..............................................................................6 
4.3-CONVECÇÃO DE CALOR............................................................................7 4.4-RADIAÇÃO DE CALOR................................................................................8 
4.5-TEORIA DO CORPO NEGRO......................................................................9
5-DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO.................................................................10
5..1-EQUIPAMENTOS.......................................................................................10 5.2-EXPERIMENTO 1........................................................................................10 5.3-EXPERIMENTO 2........................................................................................13 5.4-EXPERIMENTO 3........................................................................................14 6-DADOS EXPERIMENTAIS............................................................................18 7-CONCLUSÃO.................................................................................................19 8-REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................20
INTRODUÇAO
No presente experimento, objetivamos estudar o trânsito da energia térmica nos corpos, entre os corpos e no espaço. Iremos abordar as três diferentes formas possíveis para que haja a propagação do calor, realizando atividades para demonstrar e visualizar a ocorrência de cada uma delas.
Essa prática mostrou conceitos de calor, temperatura e transferência de calor. Os três mecanismos são a condução, a convecção e a radiação. A condução ocorre no interior de um corpo ou entre dois corpos em contato. A convecção depende do movimento da massa de uma região para outra e a radiação é a transferência de calor que ocorre pela radiação eletromagnética, tal como a luz solar, sem que seja necessária a presença de matéria no espaço entre os corpos.
DESCRIÇÃO DO RELATÓRIO
As experiências de física nos diversos meios de comunicação servem para lembrar o tipo de ciência que é a física, uma ciência experimental. Este trabalho apresenta alguns experimentos relacionados ao tema transferência de calor, identificando, comparando e classificando seus fenômenos, que são a condução, convecção e radiação. Concluindo assim que o calor para se propagar necessita de uma diferença de temperatura entre as regiões de escoamento.
OBJETIVO DO EXPERIMENTO
Observar a experiência e raciocinar fisicamente através dos instrumentos; acompanhando assim os experimentos de acordo com os conceitos de propagação de calor, obtendo conhecimento especifico referente à condução, convecção e radiação.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
4.1	TRANSMISSÃO DE CALOR	
	A transmissão de calor estuda o fluxo de energia térmica através dos corpos em função do tempo, motivado por uma diferença de temperatura entre as partes. Essa passagem da energia pode se dar de três formas diferentes:
4.2	 CONDUÇÃO
	É o processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um local para o outro através das partículas do meio que os separa. Pode ser observado com facilidade nos sólidos. Esse trânsito de energia se deve ao fato de que, na região de maior temperatura, as partículas (átomos e moléculas) estão mais energizadas e, portanto, vibrando com mais intensidade; assim, essa energia é transmitida à moléculas vizinhas através de colisões a nível atômico, moléculas estas que passam a vibrar com mais intensidade e, como as primeiras, transmitem energia térmica para as seguintes. Esse processo ocorre de forma sucessiva enquanto houver uma diferença de temperatura. Como exige a presença de um meio material para que possa ocorrer, esse tipo de transmissão de calor não ocorre no vácuo. Cada material possui um coeficiente de condutividade térmica, que expressa a quantidade de calor conduzida por segundo através de uma camada de 1m de espessura por 1m2 de área a uma diferença de 1oC na temperatura. Dos metais, a temperatura ambiente, a prata é o que possui maior coeficiente de condutividade e dos gases, a 0oC, é o ar. Veja na tabela abaixo alguns valores. 
	SUBSTÂNCIAS A 
	COEFICIENTE DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA (CAL/S.M.)
	AÇO
	
	ÁGUA
	
	ALUMINIO
	
	AR
	
	CERÂMICA
	
	COBRE
	
	FERRO
	1,6 
	GELO 
	4 
	MADEIRA
	2 
	OURO
	7 
	PRATA
	9,7 
	VIDRO COMUM
	2 
	O que determina se um material será bom ou mau condutor térmico são as ligações em sua estrutura atômica ou molecular. Assim, os metais são excelentes condutores de calor devido ao fato de possuírem os elétrons mais externos "fracamente" ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal.
	Por outro lado, materiais como lã, madeira, vidro, papel e isopor são maus condutores de calor (isolantes térmicos), pois os elétrons mais externos de seus átomos estão firmemente ligados. Líquidos e gases são, em geral, são maus condutores (por convecção).
4.3	 CONVECÇÃO
	É o processo de transmissão de calor que se dá através do movimento de massas fluidas (líquidos e gases), que trocam de posição entre si por terem suas densidades alteradas em função da temperatura à que estão expostos. Cabe, aqui, ressaltar que não há passagem de energia de um corpo para o outro, eles apenas mudam de posição.
	Ao entrar em contato com a energia e se aquecer, o fluido (em geral) torna-se menos denso que o restante - no local do aquecimento - e, dessa forma, troca de posição com o fluido frio pela influência da força da gravidade. A diminuição sucessiva da densidade do fluido no local do aquecimento cria uma corrente ascendente. Ao subir, a massa fluida menos densa dá lugar ao restante do fluido (mais denso - frio) e, dessa forma, uma corrente descendente - em direção ao local de aquecimento - pode ser observada simultaneamente.
	Mais uma vez, não há sentido falar de convecção no vácuo.
4.4	RADIAÇÃO
	É a transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas. A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro através do espaço que os separa.
Segundo a ótica da irradiação, podemos dividir os materiais em duas categorias:
Materiais diatérmicos: são meios que permitem a propagação das ondas de calor através deles (meios transparentes às ondas de calor). Um exemplo é o ar atmosférico.
Materiais atérmicos: são meios que não permitem a propagação das ondas de calor através deles (meios opacos às ondas de calor).
Toda a energia radiante transportada por ondas de rádio, ondas infravermelhas, ultravioletas, luz visível, raios X, raios gama, etc., pode ser convertidaem energia térmica por absorção. Entretanto, apenas as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor ou radiações caloríficas.
Ao contrário dos processos de condução e convecção, a radiação não necessita de meio material para ocorrer, isto é, pode ocorrer no vácuo, pois é uma onda eletromagnética.
Não apenas os corpos aquecidos emitem radiação, mas todos os corpos emitem energia radiante continuamente, a menos que estejam a zero kelvin ou zero absoluto que é a temperatura mais baixa possível.
Os corpos bons emissores de radiação são também bons absorvedores de radiação, são denominados Corpos Negros.
4.5	TEORIA DO CORPO NEGRO
Um corpo negro não precisa ser de cor preta. Por exemplo, quando olhamos a janela de um prédio distante, ele nos parece escuro, mesmo se suas paredes estão pintadas de branco, então a janela é considerada por nós um corpo negro. Esses corpos absorvem calor mais rapidamente do que os corpos claros e também emitem mais calor do que estes. 
O físico austríaco Josef Stefan verificou experimentalmente e formulou uma lei sobre a emissão da energia radiante de um corpo negro e o físico Ludwig Boltzmann deduziu essa mesma lei que hoje chamamos de LEI DE STEFAN-BOLTZMANN que diz que o poder de emissão de um corpo negro é diretamente proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta, ou seja, a energia irradiada na unidade de tempo, por unidade de área é proporcional a temperatura, da seguinte forma temos:
Onde:
DESCRIÇAO DO EXPERIMENTO
EQUIPAMENTOS
Equipamentos utilizados em laboratório para a demonstração de propagação de calor, como mostra a figura abaixo:
Figura 
1
RELAÇÃO DE MATERIAIS UTILIZADOS
• Conjunto demonstrativo dos meios de propagação de calor; 
• Termômetro (-10 °C a 110 °C); 
• Cronometro; 
• Vela de parafina; 
• Papel carbono; 
• Lamparina a álcool; 
• Lâmpada de tungstênio. 
5.2	MONTAGEM EXPERIMENTO 1 – CONDUÇÃO DE CALOR
Para a realização do primeiro experimento, os procedimentos iniciais consistiram na montagem dos equipamentos necessários. Foi utilizado um conjunto demonstrativo de condução de calor com haste de metal e esferas de metal. Após, preparamos a haste de metal com parafina/vela com distâncias diferentes da extremidade que posteriormente seria aquecida.
Quando os pinos já se apresentavam suficientemente fixos pela parafina à haste, ligamos a lamparina à base de álcool e colocamos a extremidade livre da haste em contato direto com a chama, que começou imediatamente a aquecer. Após alguns minutos, o primeiro pino se desprendeu da haste metálica, e os outros quatro se desprenderam também, de forma sucessiva, sendo os intervalos de tempo entre as quedas, similares. Como os pinos caíram em sequência, sendo o primeiro a cair o que estava mais perto da região aquecida, e o último, o que estava mais distante, constatamos que a energia térmica fornecida à haste em sua extremidade se propagou gradualmente ao longo de toda a sua extensão, o que causou a fusão da parafina que fixava os pinos ao metal e, consequentemente, o desprendimento destes.
	Em materiais sólidos, especialmente nos metais - em função das suas estruturas a nível molecular - quando motivada por uma diferença de temperatura, a energia térmica se propaga gradativamente de átomo a átomo, por toda a estrutura, indo da região mais quente para a mais fria. Dessa forma seria impossível, por exemplo, que os pinos não se desprendessem necessariamente na sequência que isso se deu, independentemente do metal que estivesse sendo utilizado. Esse fenômeno de propagação gradual do calor é conhecido como condução térmica, e sua existência foi constatada por nossa equipe no experimento, como mostra as figuras abaixo:
Inicio do procedimento 
Figura 
2
Desprendimento do primeiro pino após o aquecimento da haste de metal.
Figura 
3
Desprendimento sequencial dos pinos após a condutividade do calor na haste de metal.
Figura 
4
MONTAGEM EXPERIMENTO 2 – CONVECÇÃO DE CALOR
Na segunda etapa da aula prática, montamos os equipamentos necessários para, então, proceder com a realização do segundo experimento, o de convecção. A convecção térmica é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica se propaga através do transporte de matéria, devido a uma diferença de densidade e a ação da gravidade.
Utilizamos uma lâmpada de tungstênio acesa, acoplamos uma hélice, onde observamos que após um minuto a mesma começou a girar, diante desse procedimento percebemos que a energia elétrica também pode ser transformada por meio de equipamentos em outras formas de energia, como por exemplo, energia térmica por Efeito Joule. Que é definido como sendo o fenômeno onde um condutor é percorrido por corrente elétrica transformando energia elétrica em energia térmica (calor). Fenômeno estudado por James Prescott Joule (1818-1889). Observe a figura abaixo:
Lâmpada de Tungstênio movendo a hélice através das correntes de convecção.
Figura 5
Perceba que o material que se move pelo ambiente é o ar e, com o movimento, o calor é distribuído fazendo a hélice girar, essa movimentação do ar, mais quente e mais frio, cria as chamadas correntes de convecção.
MONTAGEM EXPERIMENTO 3 – RADIAÇÃO DE CALOR
A etapa final do experimento se deu a partir da montagem do equipamento, fazendo com que a lâmpada estivesse a centímetros do termômetro de mercúrio, o tempo foi cronometrado em 10 minutos, e a cada 2 minutos foi verificado a temperatura, como mostra a figura abaixo:
Figura 6
Observe os valores descritos na tabela abaixo:
	DADOS CORPO BRANCO
	TEMPO
	T0
	2 MIN.
	4 MIN.
	6 MIN.
	8 MIN.
	10 MIN.
	TEMPERATURA (°C)
	30
	31
	31,5
	32
	32,5
	33
Montagem do gráfico a partir das informações e dados coletados:
Após o experimento do corpo branco, foi acrescentado o papel carbono para fundamentar a teoria do corpo negro, observe figura abaixo:
Figura 7
Diante do acréscimo do carbono no experimento, percebemos o quão significativo ele foi para a leitura e coleta dos dados abaixo, obseve:
	DADOS CORPO NEGRO
	TEMPO
	T0
	2 MIN.
	4 MIN.
	6 MIN.
	8 MIN.
	10 MIN.
	TEMPERATURA (°C)
	30
	34
	35,2
	36,5
	37,5
	38
Dessa forma obtivemos o gráfico a seguir:
É perceptível em relação aos dois gráficos acima a variação de temperatura e tempo dos mesmos, dessa forma segue abaixo a correlação entre eles: 
	DADOS CORPO BRANCO E NEGRO
	TEMPO
	T0
	2 MIN.
	4 MIN.
	6 MIN.
	8 MIN.
	10 MIN.
	CORPO BRANCO (°C)
	30
	31
	31,5
	32
	32,5
	33
	CORPO NEGRO (°C)
	30
	34
	35,2
	36,5
	37,5
	38
	 
	30
	32,5
	33,35
	34,25
	35
	35,5
Obtendo a partir da leitura o seguinte gráfico:
O corpo negro absorve calor mais rapidamente do que os corpos claros e também emitem mais calor do que estes, como mostra o experimento feito acima. Pois ao aquecermos um corpo ele passa a emitir radiação eletromagnética, dessa maneira podemos dizer que o espectro dessa radiação depende da temperatura do corpo.
DADOS EXPERIMENTAIS
Informações e dados coletados na radiação do corpo branco:
	DADOS CORPO BRANCO
	TEMPO
	T0
	2 MIN.
	4 MIN.
	6 MIN.
	8 MIN.
	10 MIN.
	TEMPERATURA (°C)
	30
	31
	31,5
	32
	32,5
	33
Informações e dados coletados na radiação do corpo negro:
	DADOS CORPO NEGRO
	TEMPO
	T0
	2 MIN.
	4 MIN.
	6 MIN.
	8 MIN.
	10 MIN.
	TEMPERATURA (°C)
	30
	34
	35,2
	36,5
	37,5
	38
Comparativo de leituras de informações e dados coletados do corpo branco e negro:
	DADOS CORPO BRANCO ENEGRO
	TEMPO
	T0
	2 MIN.
	4 MIN.
	6 MIN.
	8 MIN.
	10 MIN.
	CORPO BRANCO (°C)
	30
	31
	31,5
	32
	32,5
	33
	CORPO NEGRO (°C)
	30
	34
	35,2
	36,5
	37,5
	38
	 
	30
	32,5
	33,35
	34,25
	35
	35,5
CONCLUSÃO
Constatamos que, de modo geral, o trânsito da energia térmica - a propagação do calor - se dá quando motivada por uma diferença de temperatura, fluindo da área de maior energia para a área mais fria; seja por condução, convecção ou irradiação, o gradiente de calor sempre será na direção da área menos energética.
No caso especifico do ultimo experimento notamos que essa forma de transferência de calor difere das demais, pois as ondas eletromagnéticas conseguem se propagar no vácuo, não necessitando de um meio material, o que não acontece na condução e na convecção.
Notemos também que a propagação de calor se faz presente no nosso cotidiano, através de diversos fatores, como: a condução de calor através e um cabo de panela de alumínio quando vai ao fogo, uma vasilha contendo água onde sua temperatura aumenta e a parte mais fria e mais densa desce formando então correntes de convecção e por fim temos a irradiação ou radiação que se dá através de ondas eletromagnéticas, como por exemplo, o calor do sol na terra.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
HEWITT, Paul G.; FISICA CONCEITUAL 9 Edição, Porto Alegre: Bookman, 2002.
RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; KRANE, Kenneth S.; FÍSICA II, 5 edição, volume 02; Ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2003.
SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Princípios da Física: Movimento ondulatório e termodinâmica, Vol. 2. São Paulo: Cengage Learning, 2008.
http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/fte04.htm: acesso em 07/09/2015