Relatório 5 - Fisica 2

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“Júlio de Mesquita Filho”
Engenharia Ambiental
Laboratório de Física 2 – Relatório 5
FUNDAMENTOS PARA ESTUDO DA TERMODINÂMICA
Acadêmicos:	
Engenharia Ambiental
 Professor Doutor Celso Xavier Cardoso
Presidente Prudente – 10/10/2013
RESUMO
As atividades desenvolvidas neste relatório relacionam-se a temperatura, calor e as leis da termodinâmica. Deduzimos o comportamento dos átomos ou moléculas de diferentes materiais quando aquecidos a partir do uso de um conjunto de hastes, elásticos e discos de metal. Comprovamos a dilatação volumétrica do ar com o aquecimento e verificamos as trocas de calor entre dois corpos até que se chegue a um ponto de equilíbrio térmico. Estudamos, também, as diferentes escalas de medição da temperatura e a relação entre elas.
OBJETIVOS
	Objetivos da atividade são descrever e classificar energia térmica, concluir e conceituar temperatura, classificar equilíbrio térmico, ampliar seus novos conhecimentos na fabricação de um termoscópio simples conceituar termômetro e relacionar o conhecimento adquirido das escalas termométricas.
INTRODUÇÃO
	A termodinâmica é a área da física que estuda as relações de calor trocado pelos corpos entre si e/ou com o meio externo. Seu estudo é importante, pois é através das variações de temperatura, pressão e volume, que a física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza. Nosso objetivo será estudar, por meio de experimentos, os seus fundamentos.
	A calorimetria é o ramo da física que se ocupa dos fenômenos decorrentes da transferência de calor. O calor, por sua vez, nada mais é do que o trânsito da energia térmica de um corpo para outro. Quando os dois corpos chegam à mesma temperatura, dizemos que estão em equilíbrio térmico e a temperatura final é chamada de temperatura de equilíbrio. Os corpos e as substâncias na natureza reagem de maneiras diferentes quando recebem ou cedem determinadas quantidades de calor. A grandeza que mede a quandida de calor necessária para aumentar de um grau a temperatura de um corpo é a capacidade térmica. Mas ela não é um valor fixo, depende da massa e do calor específico de cada substância. Quando uma quantidade de calor é fornecida ou retirada de um corpo, não modifica a sua temperatura, mas produz mudança de seu estado de agregação ou mudança fase, é denominado calor latente. A energia térmica consiste na energia de movimento das partículas atómicas. Esta é devida, por exemplo, no caso dos cristais, à agitação dos átomos enos gases e líquidos ao movimento desordenado das moléculas e grupos de moléculas pela rotação de moléculas e pela agitação térmica dos seusátomos. Temperatura é uma grandeza física que está associada de alguma forma ao estado de movimentação ou agitação das moléculas. Quanto mais quente está o corpo, maior é a agitação molecular e quanto mais frio, menor a agitação. Associada com a pressão, a massa e o volume, caracteriza um sistema termodinâmico. As escalas termométricas são definidas como mecanismos utilizados para medir a temperatura dos corpos. As escalas mais comuns são: Celsius (com os pontos extremos sendo o da fusão e ebulição da água 0ºC e 100°C), Fahrenheit (foi determinado que água funde a uma temperatura de 32°F e entra em ebulição a uma temperatura de 212°F) e Kelvin ( foi adotado para essa escala, o -273ºC como zero absoluto).
MATERIAL NECESSÁRIO
	Para a realização das atividades deste relatório, foram necessários os seguintes materiais:
Um tripé Delta haste e sapatas niveladoras amortecedoras;
Duas pinças com mufa (ou duas pinças com cabo mais duas mufas duplas 90 a graus);
Um modelo elementar do arranjo atomico;
Duas hastes horizontais de encaixe em pinça (A e B);
Um gancho com massa lastro;
Uma tela para aquecimentos;
Um copo Becker com água a temperatura ambiente;
Um termômetro químico -10 + 110 °C;
Uma fonte térmica, no caso lamparina;
Um frasco de azul de metileno;
Uma caneta hidrocor preta;
Água quente
Um pano para limpeza;
Caixa de fósforos.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Título: Fundamentos para o estudo da termodinâmica
1.1. Observar as hastes A e B utilizadas na montagem, responda as seguintes questões:
Existe algum movimento destas hastes em relação às paredes da sala:
Resposta: Não.
1.2. Observando a água do copo (sem bater na mesa) existe algum movimento da água em relação ao recipiente
Resposta: Não.
1.3. Supondo a água destilada e as hastes de ferro puro, do que você diria que estes corpos são constituídos?
Resposta: Hidrogênio, oxigênio e ferro.
1.4. Apenas como ilustração, não que o arranjo corresponda aos modelos atuais, podemos pensar que o nosso exemplo mecânico seja parecido com a distribuição atômica no interior de um corpo. 
Puxe o corpo central de nosso arranjo atômico, obliquamente, uns 2 cm e torne a soltá-lo.
Admitindo os discos metálicos com sendo os átomos que compõe as hastes A e B e as tiras elásticas como as forças da natureza atômica que às mantém estruturadas, como você diria que se encontram microscopicamente os átomos, no interior das hastes?
Resposta: Estão em movimento vibratório.
1.5. Levando em conta a sua afirmação, verifique que a sua suposta resposta do item 1.1, deve ter se limitado a uma analise macroscópica. 
Quais seriam suas respostas ao item 1.1 se em vez do termo “Observando”, na referida questão, houvesse a expressão “análise microscopicamente”?
Resposta: Falaríamos que estão em um movimento em relação à parede.
1.6. Acenda a lamparina sob o Becker com água.
Quando um corpo é aquecido, o calor que flui até ele irá afetá-lo.
De onde você supõe que sai a energia que “aquece” a água do copo neste momento
Resposta: Do fogo que sai da lamparina.
Quando o calor da chama, fluindo através da tela e da parede do corpo, chegar na massa líquida, ele irá afetá-la e este efeito, sobre as moléculas d’água, tem alguma semelhança como ao do “puxão” no corpo central do nosso modelo de arranjo atômico.
1.7. O que você supõe que ocorra com as moléculas de um corpo quando ele é aquecido?
Resposta: Elas se agitam.
1.8. Imagine que por um processo “mágico” você se tornasse tão pequeno a ponto de ficar sentado sobre uma molécula de água contida no copo. Neste caso, você estaria em repouso em relação as paredes da sala? Justifique sua resposta.
Resposta: Não, porque as moléculas de água estão em movimento.
1.9. Segundo suas observações, uma molécula qualquer da água, contida o copo, possuiria movimento (energia de movimento)? Justifique a sua resposta.
Resposta: Sim, pois as moléculas se agitam quando são aquecidas.
1.10. Todas as moléculas teriam a mesma quantidade de energia de movimento? Justifique a sua resposta.
Resposta: Sim, pois no equilíbrio o calor é distribuído por todas as moléculas. 
1.11. Adicione ao copo Becker com água mais 100 ml de água fria.
Dependure na haste horizontal inferior o gancho com lastro e regule a sua altura de modo a colocar a lamparina sob o mesmo.
O que acontece às moléculas que compõem o cilindro metálico ao receberem energia térmica da chama?
Resposta: Esquentou e as moléculas se agitaram.
1.12. O que você entende por temperatura de um corpo?
Resposta: Medida do grau da agitação das moléculas de um corpo.
1.13. Torne a observar o cilindro metálico e a água fria do copo. Qual deles você supõe que possua, neste momento, maior grau de agitação molecular? Justifique a sua resposta.
Resposta: Cilindro, pois com a presença do fogo, sua temperatura é maior.
1.14. Qual deles você supõe que possua menor temperatura? Justifique a sua resposta.
Resposta: O corpo com água, pois não possui fonte de calor.
1.15. Utilizando o segundo gancho (sem massa lastro) retire o conjunto aquecido e o introduza, lentamente, na água do copo.
Aguarde 3 minutos e torne a retirá-lo de dentro do copo com água.
O que aconteceu com o cilindro aquecido?
Resposta: O cilindro esfriou.
1.16. Coloque a mão na água do copo. O que aconteceu com a água?
Resposta:A água esquentou.
1.17. Analise o ocorrido em termos de temperatura, antes e depois do corpo cilíndrico e a água terem entrado e contato entre si.
Resposta: Os corpos trocaram calor até entrarem em equilíbrio.
1.18. Quando você poderia afirmar que dois corpos em contato entre si entraram em equilíbrio térmico?
Resposta: Quando as temperaturas se igualam.
1.19. Analise a veracidade das seguintes afirmações: “Dois corpos em equilíbrio térmico possuem a mesma temperatura”.
Resposta: Verdadeira.
“Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro, estão em equilíbrio térmico entre si”.
Resposta: Verdadeira.
1.20. Observe o termômetro químico de fabricação industrial. Qual o líquido termométrico adotado na confecção deste termômetro?
Resposta: O líquido utilizado é o metal mercúrio.
1.21. Quais os valores inferior e superior da sua escala termométrica e qual unidade utilizada?
Resposta: 10ºC a 112ºC
Título: A elevação de temperatura geralmente provoca um aumento de volume no corpo aquecido
2.1. Coloque o modelo elementar de arranjo atômico nas hastes horizontais, conforme a Figura 3.
Olhando o conjunto de perfil, simule no mesmo uma elevação de temperatura.
O que ocorre com o espaço necessário para os átomos ou moléculas vibrarem?
Resposta: Os espaços aumentam.
Como os corpos são constituídos por um número muito grande de átomos ou moléculas, todos necessitando de maior espaço para se agitarem, o que você supõe que aconteça com as dimensões macroscópicas do corpo quando sua temperatura for aumentada? Como é denominado, fisicamente, este fenômeno?
Resposta: Suas dimensões aumentam, e este fenômeno é chamado de dilatação.
Realmente, a elevação de temperatura (geralmente) provoca uma dilatação (aumento de volume) no corpo aquecido. 
Obs.: Nem todas as situações levam o corpo aquecido a se dilatar. Temos as exceções, como: o caso anômalo da água, do caso anômalo da borracha, etc.
Título: O termoscópio
3.1. Execute a montagem conforme a Figura 4 atento aos seguintes passos:
- Coloque água no interior do tubo de ensaio até a altura aproximada de 4 cm.
- Introduza a artéria de vidro (com rolha) no interior do tubo de ensaio até penetrar na massa líquida. Feixe com o polegar a artéria, a retire e torne a coloca-la, isto fará com que a coluna d’água suba, ficando acima da rolha.
3.2. Aguarde uns 30 segundos (não permitindo que os raios solares incidam sobre o mesmo) e assinale na artéria de vidro o nível N1 alcançado pelo líquido
3.3. Segure o tubo de ensaio no trecho compreendido a água e a rolha (Figura 5). Descreva o ocorrido.
Obs.: Como a água se dilata muito pouco, a sua subida deve-se ao principalmente a dilatação sofrida pelo ar no interior do tubo e consequentemente pelo aumento da pressão exercida por ele na superfície do líquido.
Resposta: Ao segurar, a mão troca calor com o ar contido no tubo, que faz pressão sobre a água elevando o nível dela na artéria.
3.4. Verifique que o instrumento utilizado permite acusar a variação da temperatura de um corpo. Todo dispositivo que permite uma verificação da variação de temperatura é denominado termoscópio e, se ele possuir uma escala numérica, que permite atribuir valores às temperaturas, é chamado de termômetro.
Como você denominaria este modelo construído? Justifique a sua resposta.
Resposta: O modelo é um termoscópio, pois mostra a variação de temperatura mas não possui escala numérica.
Título: As escalas termométricas e suas relações
4.1. Em virtude dos intercâmbios culturais e comerciais internacionais, é necessário se saber transformar os valores de uma dada escala de temperatura em seus correspondentes de outra (relações entre as escalas termométricas).
4.2. Suponha uma atividade experimental onde três termômetros, aferidos em escalas diferentes (Fahrenheit, Kelvin e Celsius) se encontram num mesmo ambiente sob a temperatura de tc ºC.
Quais as relações que permitem converter a temperatura “tc” da escala Celsius em seus correspondentes valores na escala Fahrenheit e na escala Kelvin?
Resposta: tc / 5 = (tf – 32) / 9 = (tk – 273) / 5
4.3. Considerando os 1º e 2º pontos fixos de definição (do gelo e do vapor) a 1 atm de pressão, nas diferentes escalas (indicadas na figura) e os conhecimentos adquiridos ao estudar as razões e proporções (adicionados do fato da altura da coluna do líquido termométrico ser proporcional à variação da temperatura), obtemos:
h1 / h2 = (tf - 32) / (212 – 32)
h1 / h2 = (tc – 0) / (100 - 0)
h1 / h2 = (K – 273) / (373 – 273), ou seja:
(tf – 32) / (212 – 32) = (tc – 0) / (100 – 0) = (K – 273) / (373 – 273)
Resulta:
(tf – 32) / 180 = tc / 100 = (K – 273) / 100
Relação que permite converter qualquer valor de uma escala de temperatura em outra.
4.4. Identifique cada termo da expressão acima.
Resposta: tf: temperatura em Fahrenheit; tc: temperatura em Celsius; K: Kelvin.
4.5. Qual o valor real indicado no termômetro com escala Celsius?
Resposta: 27ºC.
Determine os valores que termômetros com escala Kelvin e Fahrenheit deveriam estar indicando, neste momento.
Resposta: K = 27 + 273 = 300 K
F = C / 5 = (F – 32) / 9
27 / 5 = (F – 32) / 9
243 = 5 F – 160
5 F = 403
F = 80,6 ºF
CONCLUSÃO
	Após as realizações das atividades descritas neste relatório, conhecemos que a parte da Física que estuda a energia térmica e seus efeitos sobre a matéria chama-se termodinâmica. 
	Por meio de questões deste relatório, chegamos a uma conclusão que, dependendo do grau de análise, um corpo pode estar em movimento ou em repouso, uma vez que esta análise está relacionada à macro e microscopicamente.
	Classificamos a energia térmica sendo a energia mecânica total das moléculas de um corpo, ou seja, é a junção da energia cinética, vibracional, por exemplo. Também podemos conceituar corretamente temperatura, que é a capacidade de medir a energia térmica de um corpo.
	Além disso, vimos que calor é uma modalidade de energia em trânsito, que flui de um corpo de temperatura mais alta para outro de temperatura inferior.
	Podemos então classificar que quando corpos trocam calor entre si até chegarem à mesma temperatura, eles estão participando de um equilíbrio térmico. 
	E por fim, podemos relacionar corretamente o conceito das escalas termométricas e suas transformações, levando em consideração os pontos fixos de definição destas escalas. Na escala Celsius, por exemplo, tomamos o 0°C como o ponto de gelo e os 100°C como ponto de vapor. Podemos verificar estes valores nas escalas Fahrenheit e Kelvin na tabela a seguir.
	
	Celsius
	Fahrenheit
	Kelvin
	Ponto de gelo
	0°C
	32°F
	273K
	Ponto de vapor
	100°C
	212°F
	373K
	A partir destes pontos fixos podemos então fazer uma relação entre essas temperaturas, para a transformação destas, ou seja, de uma temperatura conhecida em uma escala termométrica é possível encontrar o seu respectivo valor em outra, pelas seguintes equações:
Onde, K = temperatura em Kelvin; t°C = temperatura em Celsius.
E:
Onde, t°C = temperatura em Celsius; t°F = tempera em Fahrenheit.	.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
HALLYDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER J. Fundamentos de Física, Vol. 2: gravitação, ondas e termodinâmica. 8° Edição. Rio de Janeiro, LTC, 2011.
<http://guiadoestudante.abril.com.br/estudar/fisica/resumo-fisica-calorimetria-646800.shtml>
<http://www.brasilescola.com/fisica/termodinamica.htm>
<http://www.infopedia.pt/pesquisa-global/>
<http://www.cepa.if.usp.br/energia/energia1999/Grupo2B/Refrigeracao/latente.htm>
<http://www.brasilescola.com/quimica/as-escalas-termometricas.htm>