Relatório 2 dilatação e termodinâmica 2016.1

Prévia do material em texto

FACULDADE PARAÍSO DO CEARÁ
CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL- MANHÃ
PROFESSOR: AKIRO MENESES CHIKUSHI
 
 
 
Debora Janaina de Oliveira Alencar
Paulo César de Oliveira Júnior
Suyeffanny da Silva Moura
Thaís Carolinne do Nascimento
Wiarlley Alves Pereira
 
JUAZEIRO DO NORTE- CE
MARÇO-2016
Debora Janaina de Oliveira Alencar
Paulo César de Oliveira Júnior
Suyeffanny da Silva Moura
Thaís Carolinne do Nascimento
Wiarlley Alves Pereira
DILATAÇÃO LINEAR
DILATAÇÃO SUPERFICIAL E VOLUMÉTRICA 
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Relatório entregue como requisito parcial de avaliação da disciplina de Física Geral e Experimental II do curso de Engenharia Civil da Faculdade Paraíso - FAPCE.
Prof. Akiro Meneses Chikushi
JUAZEIRO DO NORTE-CE
2016
Sumário 
Dilatação linear
Introdução........................................................................................04
Objetivos..........................................................................................06
Metodologia.....................................................................................07
Resultados e Conclusões..................................................................09
Anexos.............................................................................................10
Dilatação superficial e volumétrica
Introdução........................................................................................13
Objetivos..........................................................................................15
Metodologia.....................................................................................16
Resultados e Conclusões..................................................................17
Anexos.............................................................................................18
Transferência de calor
Introdução........................................................................................20
Objetivos..........................................................................................22
Metodologia.....................................................................................23
Resultados e Conclusões..................................................................24
Anexos.............................................................................................25
Bibliografia.................................................................................................26
Introdução
Assim como para os gases, um dos efeitos da variação da temperatura é a variação de dimensões em corpos sólidos e líquidos. Esta variação é o que chamamos Dilatação Térmica. A dilatação linear é caracterizada pelo aumento do comprimento de um corpo ao ser submetido a um aumento de temperatura.
	Praticamente todas as substâncias, sejam sólidas, líquidas ou gasosas, dilatam-se com o aumento da temperatura e contraem-se quando a temperatura é diminuída.
	A dilatação em corpos ocorre em todas as dimensões, podendo ser: linear, superficial ou volumétrica. 
Dilatação Linear
Ocorre quando um corpo sofre aumento em sua temperatura e, consequentemente, há aumento na distância entre dois pontos em seu interior. É exemplo desse fenômeno o aumento do comprimento de uma barra, o aumento do raio de uma esfera e o aumento da diagonal de um quadrado ou de um cubo.
Consiste na variação considerável de apenas uma dimensão. Como, por exemplo, em barras, cabos e fios.
Ao considerarmos uma barra homogênea, por exemplo, de comprimento  a uma temperatura inicial . Quando esta temperatura é aumentada até uma  (>), observa-se que esta barra passa a ter um comprimento  (>).
Figura 1 – Dilatação de uma barra homogênea
Com isso é possível concluir que a dilatação linear ocorre de maneira proporcional à variação de temperatura e ao comprimento inicial . Mas ao serem analisadas barras de dimensões iguais, mas feitas de um material diferente, sua variação de comprimento seria diferente, isto porque a dilatação também leva em consideração as propriedades do material com que o objeto é feito, este é a constante de proporcionalidade da expressão, chamada de coeficiente de dilatação linear (α).
Assim podemos expressar:
A unidade usada para α é o inverso da unidade de temperatura, como: .
Tabela 1 – Coeficientes de dilatação linear de alguns materiais
Objetivos
Obtenção do coeficiente de dilatação de uma barra de latão oca, aliando prática e teoria, verificando se há coerência no resultado obtido com base nos valores reais já definidos no meio teórico. 
Metodologia
	A experiência foi realizada utilizando uma barra de latão oca presa ao dilatômetro linear. Foram realizadas três medições, variando o ponto ao qual a barra estava presa e conferindo assim três tamanhos diferentes para a ela.
	Primeiramente foi realizada a verificação da temperatura do ambiente com a utilização de um termômetro que posteriormente foi colocado no gerador de vapor para medir a temperatura da água que provocará a dilatação da barra, a fim de obter a variação da temperatura.
	Com a dilatação da barra provocada pela água quente foi mostrada no relógio do dilatômetro a variação do comprimento dela. Com os dados apresentados na tabela 2 foi possível calcular o coeficiente de dilatação do material utilizando para tal a fórmula de dilatação linear.
	∆L
	Lo
	Ti
	Tf
	 0,69
	 500
	25 ° C
	96°C
	 0,54
	 400
	25 ° C
	96°C
	 0,45
	 350
	25 ° C
	96°C
Tabela 2 – Dados obtidos na prática
Cálculos:
	∆L
	
	 0,69
	 0,000019437
	 0,54
	 0,000019014
	 0,45
	 0,000018109
Tabela 3 – Coeficientes de dilatação linear encontrados para cada variação linear
Em seguida foi feita a média aritmética desses valores para comparar com o valor tabelado do coeficiente de dilatação do latão informado na tabela 1.
Resultados e Conclusões
	Executado o experimento, foram obtidos os dados necessários para o cálculo dos coeficientes de dilatação linear para cada tamanho atribuído a barra de latão, sendo posteriormente verificada a média a aritmética dos resultados para comparação com o valor tabelado do coeficiente de dilatação linear do latão.
	Nota-se que o valor da média que foi de 1,885311871 * 10-5 podendo este ser escrito como 1,9 * 10-5 segundo as normas de arredondamento, valor que é igual ao fornecido pela tabela 1.
Conclui-se que os resultados foram satisfatórios, tendo-se alcançado o real valor do coeficiente de dilatação linear do material utilizado.
	
Anexos
Introdução
Dilatação superficial
	Corresponde a dilatação de sólidos cuja área é muito maior que a espessura, a qual é desprezada. Desta forma ela consiste em um caso onde a dilatação linear ocorre em duas dimensões, à altura e o comprimento.
	Desta forma é possível relacionar o coeficiente de dilatação linear com o de dilatação superficial, sendo este equivalente a duas vezes o linear, em função da sua dilatação em duas dimensões.
Figura 2 – Dilatação superficial
	Sendo assim, a fórmula para a dilatação superficial pode ser escrita como:
Dilatação volumétrica	
	Analogamente a dilatação superficial, este é um caso de dilatação linear, mas que ocorre em três dimensões, altura, comprimento e largura. É o caso de sólidos como esferas, caixas, cilindros entre outros que dilatam em volume. 
	Sendo assim a relação entre o coeficiente de dilatação linear com o de dilatação volumétrica é que este equivale a três vezes o linear, também devido ao seu número de dimensões.
Figura 3 – Dilatação volumétrica de um cubo
	Assim, pode-se deduzir a fórmula de dilatação volumétricacomo:
Objetivos
	Verificar a dilatação de uma arruela, fazendo uma análise do comportamento de uma esfera ao atravessar a parte vazada da arruela quando esta for submetida a variações de temperatura de forma a sofrer dilação.
Metodologia
	A prática consistiu em duas situações, sendo coletadas as dimensões da esfera e arruela em cada uma delas para posterior análise dos dados.
	Na primeira situação foi observado que a esfera conseguia para pela cavidade com facilidade, mas com pouca folga. Em seguida foi realizado a aquecimento da arruela, provocando sua dilatação, com isto notou-se que a esfera podia agora passar com facilidade, sem tocar nas extremidades do furo. 
	Situação
	Diâmetro da esfera (cm)
	Diâmetro da cavidade da arruela (cm)
	1
	2,80
	2,80
	2
	2,80
	2,82
Tabela 4 – Dados coletados na prática.
 
	
Resultados e Conclusões
	Nota-se que após a dilatação da arruela, houve um aumento de 0,02cm no diâmetro da cavidade, permitindo que a esfera pudesse passar com facilidade. 
	A arruela sofreu uma dilatação superficial muito pequena, o que não possibilita a visualização a olho nu, no entanto a prática permite esta noção de dilatação através das situações ao atravessar os corpos.
	Desta forma pode-se concluir que prática foi satisfatória, permitindo a compreensão dos fenômenos da dilatação superficial.
Anexos
Introdução 
O Calor é a transferência de energia térmica entre corpos de temperaturas diferentes. Ele passa de um corpo para o outro até que seja atingido o equilíbrio térmico. A propagação do calor entre dois sistemas pode ocorrer através de três processos diferentes: 
Figura 4 – Mecanismos de transferência de calor
Condução
É a forma de transferência de calor onde a energia é transferida de partícula para partícula (molécula, átomo ou íons), através de sua agitação. Logo, só é possível em meios materiais e tende a ser mais acentuada em sólidos, onde a interação entre as partículas é maior. 
Acredita-se que os elétrons livres tenham participação fundamental nesse processo, pois os metais transmitem energia por condução mais eficientemente, sendo denominados bons condutores ou condutores térmicos.
Se a largura do espaço onde as moléculas estão confinadas for suficientemente pequena, não haverá movimento macroscópico de massas e a transferência ocorrerá apenas por condução, esta transferência assemelhasse a difusão de massa, o que permite interpretar a condução térmica como uma difusão de energia gerada pelo movimento molecular aleatório. 
A condução de calor se manifesta através de ondas de vibração, que se propagam das regiões mais quentes, onde a vibração molecular é mais intensa, em direção para as partes mais frias.
 Há materiais em que a condução ocorre de modo pouco intenso, sendo denominados maus condutores térmicos ou isolantes térmicos. Estão nesse caso, por exemplo: os líquidos e os gases em geral, o isopor, a madeira, o feltro e a cortiça. Esses materiais têm larga aplicação prática, sempre que se deseja isolamento térmico. Assim, cabos de panela são de madeira ou plástico, geladeiras portáteis são de isopor, calorímetros são isolados com placas de cortiça entre outros. 
	A Lei que rege a condução térmica é a Lei de Fourier, onde a quantidade de calor transferido pelo processo de condução térmica pode ser calculada pela Lei de Fourier. Para condições de fluxo de calor em regime estacionário, o perfil de temperaturas ao longo da barra é constante no tempo, desta forma a taxa de transferência de calor também é constante no tempo e pode ser calculada através da seguinte fórmula:
 
Convecção
É uma forma de transferência de calor que acontece somente em fluidos, isto é, nos líquidos, gases e vapores, uma vez que há movimentação das partículas diferentemente aquecidas no interior do meio, não podendo ocorrer nos sólidos. Sua causa é a mudança de densidade dos fluidos com a temperatura. 
Ela está associada a um mecanismo microscópio, relativa a uma difusão de energia molecular e a um mecanismo macroscópico que envolve o movimento global de massas gerado por um perfil de temperaturas e densidades no interior de um fluido.
A convecção pode ser natural onde o movimento do fluido é provocado por forças de empuxo causadas por um campo de temperaturas e densidades neste. E pode ser forçada, onde o movimento do fluido é provocado por um agente externo.
Um exemplo de convecção natural é quando um fluido é aquecido por sua parte inferior, esta região se torna mais quente, menos densa, e o fluido sobe; a região superior do fluido, relativamente mais fria e mais densa, desce. Formam-se então as denominadas correntes de convecção (uma ascendente quente e outra descendente fria), que podem ser visualizadas se colocar um pó fino, como serragem, no interior do líquido. 
Irradiação
É a propagação de energia térmica que não necessita de um meio material para acontecer, pois o calor se propaga através de ondas eletromagnéticas. As características dessa radiação dependem da temperatura que o corpo se encontra, verificando-se que quanto maior a temperatura maior a frequência e maior a intensidade de energia irradiada. 
As ondas eletromagnéticas podem se apresentar sob diversas formas: luz visível, raios X, raios ultravioleta, raios infravermelhos etc. Dessas, as que apresentam efeitos térmicos mais acentuados para o corpo humano são os raios infravermelhos.
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. Logo, essa é a forma de transmissão de calor do Sol até nós, por exemplo. 
Objetivos
	Identificar, comparar e classificar o processo de transferência de calor ao qual o experimento foi submetido, aplicando o conhecimento teórico à prática para correta análise da situação proposta.
Metodologia
	Para a experiência foi utilizada uma chapa de metal contendo cinco furos, sendo colocadas bolinhas de parafina em três deles. A chapa foi aquecida por uma chama, até que o calor se propague gradativamente, provocando a queda das bolinhas de parafina.
	Foi observado o tempo entre cada evento, sendo contado a partir da primeira ocorrência, não considerando a primeira.
	Eventos
	Tempo (s)
	1
	9,25,95
	2
	12,59,41
Tabela 5 – Tempo entre eventos
Resultados e Conclusões	
	A experiência nos mostra a propagação de calor. Com o aquecimento da extremidade do metal houve um aumento do estado de agitação dos seus átomos, tal agitação foi transferida gradativamente para toda a barra provocando o derretimento da parafina e consequentemente seu desprendimento, demonstrando o processo de transmissão de calor por condução.
	Os diferentes intervalos de tempo entre os eventos é resultado deste processo gradativo, bem como os fatores climáticos da sala, havendo também perda de calor para o ambiente.
	Com isto, pode-se concluir que a prática foi satisfatória, sendo identificado o processo de propagação no experimento, sendo este a condução térmica.
Anexos
Bibliografia
BERNOULLI SISTEMA DE ENSINO. Propagação de calor. 2016. Bernoulli. Disponível em: <http://www.bernoulli.com.br/site/editora/modulos/mod_catalogo/pdfs/6v.pdf>. Acesso em: 17 mar. 2016.
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos da Física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.