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Universidade Federal da Bahia
Instituto de Física
Departamento de Física Geral
FIS 122 – Física Geral e Experimental II-E / Laboratório
Turma Teórica/Prática: T02/ P04	Data: 13/05/2016
Alunos: Paula Coqueiro, Rodrigo Fernandes, Gabriel Bordallo, Danilo Ramalho
	
EQUIVALENTE DO CALOR E DA ENERGIA
Índice:
Introdução 2
Materiais utilizados e procedimento 3
Tratamento de dados 4
Conclusão 7
Folha de questões 8
Introdução:
Sendo um dos conceitos físicos que não possui uma definição formal e que depende de uma noção intuitiva para compreender a sua utilidade, a energia é uma grandeza que foi definida de forma distinta na calorimetria e na mecânica, sendo respectivamente denominada por calor e por energia mecânica. A termodinâmica surge a partir da constatação de que essas duas diferentes definições fazem referência a um mesmo elemento físico e trata das relações de troca de energia sob a forma de calor, energia mecânica e energia química em sistemas físico-químicos. 
A termodinâmica, assim, tem como requisito uma relação comparativa entre as unidades de medida usadas para mensurar o calor e a energia mecânica. Para o calor utiliza-se a caloria, que representa a quantidade de calor necessária para elevar em um grau Celsius (°C) a temperatura de 1g de água (de 14,5ºC para 15,5ºC).
Já no caso da energia mecânica, utiliza-se uma unidade “gerada” a partir das unidades fundamentais de comprimento , massa e tempo , com base na análise dimensional: energia . No SI esta unidade recebeu o nome Joule (J) em homenagem ao físico britânico James Prescott Joule e, no sistema CGS, o nome Erg. 
No experimento realizado pelo grupo em laboratório, tivemos como objetivo determinar a equivalência entre o Joule e a caloria, ou seja, o valor da constante A, definida por:
Material utilizado: 
Aquecedor
Termômetro
 Calorímetro (caixa de alumínio dentro de uma de isopor)
Relógio
 Béquer
 Vaso calibrado e balança
Procedimento:
Para a realização do experimento deve ser feito, inicialmente, a pesagem da caixa de alumínio (depois, colocá-la no isopor) e do bloco alumínio, medindo-se também a temperatura inicial do bloco alumínio. É necessário usar uma massa de água de no máximo 4000g (4 litros), e mínima uma quantidade suficiente para cobrir o bloco de alumínio; sendo indispensável a pesagem de massa da água para evitar possíveis erros, caso ocorra alguma disparidade quanto ao valor mostrado no vaso calibrado.
 Após isso, tampa-se o calorímetro preenchido com a água, e espera um curto intervalo de tempo (para garantir o equilíbrio térmico) e mede-se a temperatura inicial da água. Em seguida a leitura da potência do aquecedor deve ser feita (624W de potência). 
O uso da caixa de isopor deve-se ao fato deste ser isolante térmico, impedindo, assim, a perda de calor para o meio (até certo ponto). O uso da caixa de alumínio é para evitar o escoamento da água.
Já tendo marcados o tempo e a temperatura inicial, estes passam a ser controlados e registrados em intervalos de 1 minuto, até atingir uma temperatura próxima a 80 graus Celsius. Atingido essa temperatura, o fornecimento de calor é cessado, e começa a se registrar as novas temperaturas, em intervalos de 1 minuto, até se completar 5 minutos (observando-se a retração da temperatura). 
Em seguida, uma barra de alumínio foi inserida rapidamente no sistema (para evitar trocas de calor do sistema com o meio externo), permanecendo por mais 5 minutos e sendo acompanhado de maneira idêntica a anterior. 
Para ser determinado o calor específico do alumínio, utilizou-se o calorímetro e a água quente em seu interior. Registraram-se os dados na tabela, observando que a temperatura cai um pouco, pois a água quente perde calor para aquecer o alumínio.
Folha de Dados
Equivalente do Calor e da Energia
mcaixa = 440 g		
mágua = 4,2 kg
mbarra = 1,934 kg
Potência = 624 W
tinicial = 0 s
Ti.água = 25,9 ºC
Tf.água = 79 ºC
Ti.Al = 24 ºC
Tf. Al+água = 69º C
	
	
	
	
	
	60
	26,9
	
	1320
	79,2
	120
	30,3
	
	1381
	81,2
	180
	33,1
	
	1438
	82,4
	240
	36,2
	
	1498
	81,2
	300
	39,1
	
	1558
	80,4
	360
	41,9
	
	1618
	79,7
	420
	44,5
	
	1678
	79,0
	480
	47,3
	
	1738
	78,5
	540
	49,7
	
	1798
	68,8
	600
	52,3
	
	1858
	71,5
	660
	54,6
	
	1918
	70,3
	720
	57,1
	
	1978
	69,4
	780
	59,5
	
	2038
	69,0
	840
	61,9
	
	
	
	900
	64,1
	
	
	
	960
	66,3
	
	
	
	1020
	68,6
	
	
	
	1080
	70,6
	
	
	
	1140
	72,9
	
	
	
	1200
	75,0
	
	
	
	1260
	77,2
	
	
	
 
Tratamento de Dados
	Construiu-se o gráfico da temperatura em função do tempo até o momento em que a temperatura da água com a barra de alumínio estabilizou-se.
Potência = 624 W
ttotal = 2038 s
taquecimento = 1381 s
ΔTágua = Tf.água - Ti.água = 79 - 25,9 = 53.1ºC
ΔTAl = Tf.Al - Ti.Al = 69 – 24 = 45ºC
ΔTágua+Al = Tf.Al - Tf.água = 69 – 79 = -10ºC
Determinação de A:
Wfornecido = Pt
Wfornecido = 624 x 1381 = 861744 J
Wabsorvido = mágua cágua ΔTágua = 4200 x 1 x 53.1 = 223020
Pt = Amágua cágua ΔTágua A x 223020 = 861744 A = 3.86 J
1 J = 0.26 cal ou 1 cal = 3.86 J
ΔxA = [(|4.18-3.86|) ÷ 4.18] x 100 ΔxA = 7.6%
Determinação do calor específico do Alumínio:
Qabs = mAlcAl (Tf. Al+água – Ti. Al)
Qabs = 1934 x cAl x (69 – 24) = 87030cAl
Qágua = mágua cágua (Tf. Al+água – Tf. água)
|Qágua| = 4200 x 1 x (69 – 79) = 42000
Qabs + |Qágua| = 0
cAl = 42000 ÷ 87030 = 0.48 J/g°C
ΔxcAl = [(|0.90-0.48|) ÷ 0.90] x 100 = 46.6%
	Determinação da constante A considerando a influência da caixa de alumínio:
AWfornecido = máguacágua(Tf. água – Ti. água) + mcaixa cAl (Tf. água – Ti. água)
A x 861744 = 223020 + 11215 A = 0.27 cal/J
ΔxA = [(|0.239-0.27|) ÷ 0.239] x 100 ΔxA = 13%
	Determinação do calor específico do alumínio considerando a influência da caixa de alumínio.
Qperdido = Qabsorvido
Qabsorvido = mAlcAl (Tf. Al+água – Ti. Al) = 1934 x cAl x 45= 87030cAl
Qperdido = mágua cágua (Tf. Al+água – Tf. água) + mcaixa cAl (Tf. Al+água – Tf. água)
Qperdido = 4200 x 1 x 10 + 440 x cAl X 10 = 42000 + 4400cAl
42000 + 4400cAl = 87030cAl 82630cAl = 42000 cAl = 0.51 J/g°C
ΔxcAl = [(|0.90-0.51|) ÷ 0.90] x 100 = 43.3%
Conclusão:
O objetivo do experimento, que era encontrar o equivalente do calor e energia, foi alcançado, pois com os cálculos alcançou-se um valor de A=3,71J/cal, com um desvio de 7,6%, que, considerando os erros de medida e o sistema não-ideal, é um valor aceitável.
Folha de questões
1) Qual a diferença entre capacidade calorífica e calor específico? Explique exemplificando com os materiais e/ou substâncias utilizadas no experimento.
	A capacidade calorífica é a energia térmica necessária para elevar em um grau a temperatura do corpo.
	Calor específico (c) é a razão entre a capacidade calorífica (C) e a massa do corpo: ; é a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC a temperatura de 1 g de uma substância e é característico para cada uma. No caso do experimento, foi utilizada a água com c = 1 cal/gºC e o alumínio com c = 0.219 cal/gºC. Isso significa que tivemos que dar a água 1 cal para cada grama da mesma para que elevasse sua temperatura em 1ºC. Já no caso do alumínio, por ter calor específico muito menor que o da água, foi cedido menos calor para que 1g de Al aumentasse 1ºC. A temperatura do alumínio aumenta mais rápido.
2) Para a realização desse experimento vocêutilizou um importante princípio, presente em todas as áreas da Física. No caso em questão esse princípio permitiu correlacionar um processo térmico com um fenômeno elétrico. Enuncie esse princípio e explique a sua utilização nesse experimento.
O princípio da conservação de energia, onde (desprezando a energia dissipada pelo meio) a energia fornecida pelo processo elétrico se transformou em energia térmica.
3) Que problemas poderiam ter causado a obtenção do valor de A acima do valor correto? E se o valor encontrado for o oposto, isto é, abaixo do valor correto?
Variações na obtenção do valor de A podem ser causadas por perdas energéticas para o meio externo, medições erradas da massa, calor específico e na leitura da variação de temperatura. Caso o A obtido seja maior que o real, alguma das características citadas foi menor que o correspondente a realidade, de maneira que o valor de A seja compensatório. Se A for menor que o real alguma das características citadas foi maior que o real, sendo que o A novamente faz a compensação.
	4) Por que é importante cerca de 3 minutos após o desligamento do aquecedor para se tomar a medida da temperatura final da água?
É importante esperar cerca de 3 minutos após o desligamento do aquecedor para que o termômetro e a água entrem em equilíbrio térmico, registrando assim a verdadeira temperatura do sistema (a medida precisa).
5) Por que este intervalo não pode se estender por muito tempo, por exemplo por 10 ou 15 minutos?
Pois, por não ser um sistema isolado ideal, ao se passar muito tempo ele começará a trocar calor com o meio externo.