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Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé Curso: Engenharias Disciplina: Física Experimental Código: CCE0848 Turma: Professor (a): Data de Realização: 17/05/2016 Nome do Aluno (a): Nome do Aluno (a): Nº da matrícula: Nº da matrícula: Nome do experimento: Equilíbrio Térmico e Curva de Aquecimento Objetivos: Ao final da atividade o aluno será capaz de: - reconhecer que ao colocar em contato dois corpos a temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo com temperatura maior para o corpo de temperatura menor; - reconhecer, identificar e descrever as mudanças de estados físicos; - construir gráficos da temperatura versus tempo utilizando dados coletados durante as mudanças de fase. Introdução teórica: Chamamos de Termologia a parte da física que estuda os fenômenos relativos ao calor, aquecimento, resfriamento, mudanças de estado físico, mudanças de temperatura, etc.. Temperatura é a grandeza que caracteriza o estado térmico de um corpo ou sistema. Fisicamente o conceito dado a quente e frio é um pouco diferente do que costumamos usar no nosso cotidiano. Podemos definir como quente um corpo que tem suas moléculas agitando-se muito, ou seja, com alta energia cinética. Analogamente, um corpo frio, é aquele que tem baixa agitação das suas moléculas. Ao aumentar a temperatura de um corpo ou sistema pode-se dizer que está se aumentando o estado de agitação de suas moléculas. Ao tirarmos uma garrafa de água mineral da geladeira ou ao retirar um bolo de um forno, percebemos que após algum tempo, ambas tendem a chegar à temperatura do ambiente. Ou seja, a água "esquenta" e o bolo "esfria". Quando dois corpos ou sistemas atingem a mesma temperatura, dizemos que estes corpos ou sistemas estão em equilíbrio térmico. Para que seja possível medir a temperatura de um corpo, foi desenvolvido um aparelho chamado termômetro. O termômetro mais comum é o de mercúrio, que consiste em um vidro graduado com um bulbo de paredes finas que é ligado a um tubo muito fino, chamado tubo capilar. Quando a temperatura do termômetro aumenta, as moléculas de mercúrio aumentam sua agitação fazendo com que este se dilate, preenchendo o tubo capilar. Para cada altura atingida pelo mercúrio está associada uma temperatura. A escala de cada termômetro corresponde a este valor de altura atingida. A escala Celsius é a mais usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742, pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0°C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100 °C). A escala Fahrenheit é utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0 °F) e a temperatura do corpo humano (100 °F). A escala Kelvin é também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula (0 K) e é calculada a partir da escala Celsius. Por convenção, não se usa "grau" para esta escala, ou seja 0 K, lê-se zero kelvin e não zero grau kelvin. Material utilizado: - Tripé delta com sapatas niveladoras amortecedoras (CIDEPE), com haste metálica; - Mufas duplas de 90 graus. - Tubo de ensaio; - Bico de Bunsen; Calorímetro com agitador (CIDEPE); - Termômetros (ICOTERM L-054/07); Roteiro do experimento: Parte 1: Equilíbrio térmico a) Ao colocar 50 ml de água à temperatura ambiente dentro do calorímetro e verificamos a temperatura de 21,7 ºC. b) Colocamos 50 ml de água fervente dentro de outro calorímetro e verificamos sua temperatura: 43,6 ºC. c) Misturamos os 50ml de água ambiente com a água fervente, aguardamos um minuto e verificamos a temperatura do conjunto: 36,6 ºC. Com base no observado, respondemos: -Quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema? R.: A água em temperatura ambiente ganhou calor e a água fervente perdeu. d) Colocamos 50 ml de gelo dentro de outro calorímetro e verificamos sua temperatura 0,4 ºC. e) Acrescentamos o gelo dentro do calorímetro da mistura água ambiente + água fervente, aguardamos um minuto e verificamos a temperatura do conjunto: 31,5 ºC. Com base no observado, respondemos: -Quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema? R.: O gelo ganhou calor e a mistura água ambiente/água fervente perdeu calor. Parte 2: Curva de aquecimento e mudanças de estados física da água - Anotamos a temperatura ambiente; - Colocamos o gelo dentro do tubo de ensaio; c) Aguardamos cerca de dois minutos observando por fora do tubo. - Prendemos o termômetro na haste com auxílio das mufas; - Com o gelo picado no tubo de ensaio, fizemos a leitura da temperatura; - Aguardamos dois minutos e verificamos a temperatura novamente; - Aquecemos o tubo de ensaio com a lamparina, e verificando a temperatura a cada 20 segundos e a existência gelo no sistema, usando sempre o agitador; - Ao derreter todo o gelo verificamos a temperatura e anotamos o tempo em que esse gelo levou para derreter; - Continuamos observando a temperatura e o tempo, a cada 20 segundos e anotando os resultados; - Assim que começou a levantar fervura, verificamos e anotamos a temperatura e o tempo transcorrido; - Deixamos certo tempo essa água ferver, anotando a temperatura e o tempo dos resultados; Com base nas leituras, respondemos: - De onde veio a água líquida? R.: A água líquida veio do gelo que se derreteu com o aumento da temperatura. - Que mudança de fase ocorre neste caso? R.: Ocorreu a fusão, que é a mudança de fase do estado sólido para o líquido. - Ao se retirar do freezer uma vasilha de alumínio, cria-se ao redor dela uma fina camada de gelo (como neve), explique porque isso ocorre. R.: Isso ocorre porque o alumínio possui capacidade superior de transmitir calor para o ambiente externo. - Explique porque em certos pontos do gráfico não há aumento de temperatura? R.: Entre os instantes 0s e 20s, a temperatura permanece constante, e este intervalo corresponde ao ponto de fusão. O sólido funde-se gradativamente, absorvendo calor de fusão. A temperatura permanece constante porque não há aumento na energia cinética média das moléculas. O calor fornecido aumenta a energia potencial média destas. A partir dos 4min, há uma segunda zona de temperatura constante. Agora, temos o ponto de ebulição. O fornecimento contínuo de calor propicia a energia necessária para que as moléculas vençam as forças de atração intermoleculares do líquido e escapem para a forma gasosa. - Caso você repetisse esta atividade em outro lugar (ou em outro dia, com pressão atmosférica diferente), outros valores encontrados teriam que ser mesmos? Justifique sua resposta. R.: Não, a ebulição da água não ocorre, necessariamente, a 100°C. A temperatura que a água tem de atingir para entrar em ebulição, isto é, para ferver, depende da pressão atmosférica. Como a pressão diminui à medida que a altitude se eleva, nos lugares altos a ebulição ocorre a temperaturas inferiores a 100°C. Dados coletados: Parte I: Medição de 50 ml de Água na Temperatura Ambiente Temperatura no termômetro Incerteza da medição da temperatura Medição do volume Incerteza da medição do volume Medição 01 24ºC + / - 0,5 50 ml 0,025 Parte I: Medição de 50 ml de Água Fervente Temperatura no termômetro Incerteza da medição da temperatura Medição do volume Incerteza da medição do volume Medição 02 60ºC + / - 0,5 50 ml 0,025 Parte I: Medição da mistura água em temperatura ambiente e água fervente Temperatura no termômetro Incerteza da medição da temperatura Mediçãodo volume Incerteza da medição do volume Medição 03 42ºC + / - 0,5 100 ml 0,025 Parte I: Após acrescentar 100 g de gelo a 0ºC Temperatura no termômetro Incerteza da medição da temperatura Medição do volume Incerteza da medição do volume Medição 03 0ºC + / - 0,5 100 ml 0,025 Não muda de 0°C, sendo este calor latente. Tabelas e Gráficos: Parte II: Curva de Aquecimento Temperatura no termômetro Incerteza da medição da temperatura Medição do volume Incerteza da medição do volume Medição 01 5ºC + / - 0,5 20s 0,02s Medição 02 9ºC + / - 0,5 40s 0,02s Medição 03 10ºC + / - 0,5 60s 0,02s Medição 04 12ºC + / - 0,5 80s 0,02s Medição 05 13ºC + / - 0,5 120s 0,02s Medição 06 15ºC + / - 0,5 140s 0,02s Medição 07 20ºC + / - 0,5 160s 0,02s Medição 08 22ºC + / - 0,5 180s 0,02s Medição 09 22ºC + / - 0,5 200s 0,02s Medição 10 25ºC + / - 0,5 220s 0,02s Medição 11 32ºC + / - 0,5 240s 0,02s Medição 12 40ºC + / - 0,5 260s 0,02s Medição 13 45ºC + / - 0,5 280s 0,02s Medição 14 52ºC + / - 0,5 300s 0,02s Medição 15 64ºC + / - 0,5 320s 0,02s Medição 16 75ºC + / - 0,5 340s 0,02s Medição 17 84ºC + / - 0,5 360s 0,02s Medição 18 90ºC + / - 0,5 380s 0,02s Medição 19 95ºC + / - 0,5 400s 0,02s Medição 20 98ºC + / - 0,5 420s 0,02s *Medição 06: Acabou o gelo. *Medição 17: Primeiras bolhas de ebulição. *Medição 20: Ebulição. Análise dos resultados: Através desse experimento foi possível o detalhamento e identificação dos pontos de mudança de estado físico da água e o comportamento de cada estado. Ao analisar a curva de aquecimento, foi possível praticar o estudo do calor latente e sensível e suas peculiaridades nos momentos de mudança de estado. Foi possível observar que, devido à transferência de calor entre os elementos estudados, aconteceu a perda de calor da água quente e a absorção do calor pela água fria, comprovado assim o conceito do equilíbrio térmico que estamos estudando. Foi importante o exercício para o melhor aprendizado da utilização de cada equipamento e o quanto é necessário o manuseio correto de cada um deles, para a obtenção dos dados de forma mais precisa e eficaz. Foi possível chegar à conclusão de que calor é a energia térmica transferida de um corpo para o outro, motivada instantaneamente por uma mudança de temperatura. De modo geral, pode-se dizer que o e
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