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1 Propagação de Calor e Dilatação de Sólidos Resumo Neste relatório de Física Geral II, foi feito quatro experimentos, nos quais em dois houve a observação do fenômeno físico, e nos outros dois obtivemos a temperatura das barras de metal, obtendo também o tempo e a dilatação das barras. A partir dos dados obtidos verificamos os mecanismos de propagação de calor em cada material, determinando o coeficiente de expansão térmica linear, demonstrando a dilatação superficial e volumétrica das respectivas barras. Sumário Objetivos.......................................................................................................pag.2 Introdução Teórica.......................................................................................pag.2 Material Utilizado........................................................................................pag.4 Procedimento Experimental........................................................................pag.5 Discussão......................................................................................................pag.7 Resultados.....................................................................................................pag.15 Conclusão.....................................................................................................pag.15 Bibliografia...................................................................................................pag.15 2 1- Objetivos: Analisar os mecanismos de propagação de calor para cada barra de metal e seu respectivo material. Determinar o coeficiente de expansão térmica linear dos 3 respectivos materiais. Demonstrar a dilatação superficial e volumétrica para cada barra de metal. 2- Introdução Teórica: Dilatação térmica: Em física, dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasionado pela aumento de sua temperatura, o que causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e conseqüente aumento na distância média entre as mesmas. A dilatação ocorre de forma mais significativa nos gases, de forma intermediária nos líquidos e de forma menos explícita nos sólidos, podendo-se afirmar que: Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos sólidos. Conceitos: Temperatura é uma grandeza física pela qual avaliamos o grau de agitação térmica das moléculas de uma substância (sólida, líquida ou gasosa). As escalas utilizadas em tal avaliação podem ser a escala Celsius ou a Kelvin, que são centígrados, ou seja, a diferença entre o ponto de fusão e o ponto de ebulição da água é igual a cem divisões de escala. Além dessas, existe a escala Fahrenheit. Calor é a energia térmica em trânsito provocada por diferenças de temperaturas, ou seja, se dois corpos, em temperaturas diferentes, forem postos juntos (contato térmico), a energia térmica do corpo de maior temperatura será transferida espontaneamente para o corpo de menor temperatura, até que a temperatura dos dois corpos se equilibrem. Essa energia deslocada chamamos calor. Conceitualiza-se dois tipos de calor (abreviado pela letra Q): o calor sensível, que é a quantidade de calor que um corpo cede ou absorve, provocando apenas variação de temperatura, e o calor latente ou oculto, que é a quantidade de calor cedida ou absorvida provocando apenas mudança no estado físico. A propagação de calor pode ocorrer de 3 modos: Condução: propagação de calor em que a energia térmica é transmitida de partícula para partícula, mediante colisões e alterações das agitações moleculares; ressalta-se que não há transporte das partículas, há somente transmissão de energia. Convecção: Processo de transmissão em que a energia térmica é propagada mediante ao transporte de matéria, havendo portanto deslocamento de partículas; É um fenômeno que só se processa em meios fluidos, ou seja, em líquidos ou gases; Irradiação: Diferentemente dos dois processos acima, a irradiação térmica não necessita de meio material para transmitir a energia térmica que é transmitida através de ondas eletromagnéticas, inclusive no vácuo, até atingir outros corpos. 3 O coeficiente de dilatação linear(α) é um valor tabelado, depende do material. Ele permite comparar qual substância contrai ou dilata mais do que a outra. É importante ressaltar que, uma vez conhecido o valor do coeficiente de dilatação linear(α) de uma dada substância, pode se determinar o coeficiente de dilatação superficial(β) e o coeficiente de dilatação volumétrica(𝜸) da mesma. Eles se relacionam da seguinte maneira: β= 2α e 𝜸= 3α Equação 1 e 2 Fórmula geral: A dilatação de um corpo é proporcional ao seu tamanho e a variação de temperatura. No entanto, é diferente para cada material. Estas observações permitem estabelecer a seguinte relação para a dilatação linear: Equação 3 variação do comprimento em metros (m) ; coeficiente de dilatação linear em 1/Kelvin ( ) ; comprimento inicial em metros (m) ; variação de temperatura em Kelvin (K) ou em graus Celsius (°C). Nota: Visto que se utiliza uma variação, uma diferença, é indiferente que a unidade de medida da temperatura seja graus Celsius ou Kelvin pois ambos são centigrados. Se o coeficiente de dilatação for dado em Fahrenheit, a temperatura do cálculo deve ser também Fahrenheit. Tipos de Dilatação: Quanto à dilatação dos corpos, esta é de três tipos, uma vez que existem três estados físicos da matéria (sólido, líquido e gasoso). Dilatação Linear: Na dilatação linear (uma dimensão), o comprimento de uma barra aumenta linearmente. As barras dos trilhos ferroviários são feitas com um espaçamento para a dilatação não causar problemas, para evitar que o trilho seja retorcido e conseqüentemente cause um acidente, já no inverno, com as baixas temperaturas, os trilhos se "retraem", fazendo com que o espaçamento entre os trilhos aumente, vale lembrar também que a dilatação não é um fenômeno visível, variando de acordo1 com o material e a temperatura. A dilatação linear é apenas teórica, sendo que para que algo exista ele deve ser tridimensional, numa dilatação a matéria ira dilatar em três dimensões, mas como não é possível calcular essa dilatação, adota- se somente o calculo da dilatação linear. Coeficientes de dilatação linear: Os coeficientes de dilatação linear de algumas substâncias e elementos químicos a seguir indicados aplicam-se à faixa de temperaturas indicada. Quando não indicada presume- 4 se uma temperatura ambiente. Na realidade estes coeficientes variam com a temperatura mas assume-se a sua exatidão na faixa indicada. Alguns valores do coeficiente de dilatação linear de sólidos. Substância Coeficiente de dilatação Alumínio 23 x 10¯⁶ Latão 19 x 10¯⁶ Cobre 17 x 10¯⁶ Aço 11 x 10¯⁶ Vidro comum 9 x 10¯⁶ Dilatação superficial: Na dilatação superficial (superfície = área, logo, neste caso temos duas dimensões). A dilatação do comprimento e da largura de uma chapa de aço é superficial. Se um disco ou chapa com um furo central dilatar, o tamanho do furo e da chapa aumentam simultaneamente. Ou seja, é aquela em que predomina a variação em duas dimensões, isto é, a variação da área. Fórmula: ∆A = β . Ao . ∆θ Equação 4 Dilatação volumétrica: Na dilatação volumétrica (calcula-se o volume, logo três dimensões: altura, largura e comprimento). A dilatação de um líquido ou de um gás é volumétrica. O coeficiente de dilatação volumétrica é dado da seguinte forma: Coeficiente de dilatação linear X 3 (onúmero três representa as dimensões altura, largura e comprimento) encontrando um novo valor que é utilizado nos cálculos onde se verifica a variação do volume. 3- Material Utilizado: Dilatômetro linear com corpos de prova de latão, alumínio e aço. 2 Termômetros de -10o C a 110o C; Trena; Montagem de condução térmica; Montagem para demonstração de convecção térmica; Montagem de irradiação térmica com corpos de prova preto e branco; Anel de Gravesande para demonstração de efeitos de dilatação superficial e volumétrica. 5 Imagem 1 Imagem 2 Imagem 3 Imagem 4 Imagem 5 Imagem 6 4- Procedimento Experimental: Caracterizou se os instrumentos, preenchendo se a tabela 1. 4.1- Propagação de calor: Condução Térmica Montou se o arranjo da Imagem 7: Imagem 7 Fixou se à haste horizontal, com a cera de vela, os pinos, palitos de fósforo, na parte de cima do latão. Usando se o mínimo possível de parafina. Girou se a haste sextavada e deixou se os pinos na posição da imagem 7. Mediu se as distâncias entre os pinos e a extremidade livre da haste, Acendeu se então a lamparina e posicionou se ela junto a extremidade livre da haste, para aquecê-la, Anotando se o tempo gasto para a queda de cada palito de fósforo. Repetindo se este mesmo processo para as barras de alumínio e de aço, completando se então a tabela 2. 4.2- Propagação de calor: Convecção Montou se então a imagem 8. 6 Imagem 8 Verificou se antes de ligar a lamparina, se ela está exatamente em baixo da ventoinha. Acendeu se então a lamparina, aguardando se então alguns minutos, relatando se o que ocorre com o experimento. 4.3- Propagação de Calor: Irradiação Fez se a montagem da imagem 9, tomando se o devido cuidado para os termômetros não caírem. Imagem 9 Apontando se as lâmpadas para os corpos de prova. mantendo se a cerca de 10 centímetros deles, impedindo se que um faça sombra no outro. Mediu se a temperatura dos corpos de prova antes de ligar a lâmpada. Preenchendo se a tabela 3, tomando se o tempo inicial como 0. Ligou se a lâmpada, e continuou se anotando a temperatura interna de cada corpo a cada 2 minutos durante 12 minutos. 4.4- Dilatação Térmica: Coeficiente de Dilatação Linear Imagem 10 7 Fez se a montagem da imagem 10, verificando se o cano está desentupido. Colocou se então 50 cm3 de água no balão, posicionou se então o relógio comparador e zerou se a sua escala. Determinou se então o comprimento inicial Lo do tubo, entre o relógio e a extremidade fixa, mediu se então a temperatura inicial do tubo θ0 , acendeu se então a lamparina e sem tampar o recipiente esperou a água entrar em ebulição, então tampou se o recipiente e aguardou se o vapor percorrer todo o tubo. Após o equilíbrio térmico ser atingido, anotou se a temperatura de equilíbrio θe . Mediu se então a dilatação do corpo de prova, indicado no relógio comparador. Anotando se as observações na tabela 4. Repetindo se o experimento para os outros dois tubos disponíveis. 4.5- Dilatação Térmica: Dilatação Superficial e Volumétrica A temperatura ambiente,encaixou se a esfera no anel, observado se o que ocorre. Aquecendo se a esfera por 5 minutos, tentou se encaixa lá no anel, anotando as observações, então aqueceu se a esfera e o anel durante 5 minutos e tentou se encaixa los, anotando se o que foi observado, resfriou se a esfera até a temperatura ambiente e o anel durante 5 minutos em um recipiente com gelo, tentando se encaixar se o conjunto para ver o que ocorre. 5- Discussão: 5.1- Questões Referentes ao item 4.1: a) À medida que a chama fornece energia para a barra, os átomos próximos à chama começam a vibrar com amplitudes cada vez maiores, e, por sua vez, colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nas colisões. Lentamente, os átomos do metal cada vez mais distantes da chama aumentam a própria amplitude de vibração, até que eventualmente todos atingem uma mesma amplitude de vibração. Esse processo é conhecido como condução térmica, ou seja, uma forma de propagação de energia. O aumento da amplitude de vibração dos átomos faz com que a temperatura aumente e consequentemente ocorre uma dilatação do material, o furo onde estão colocados os pinos aumenta de diâmetro e a parafina que os prende na barra derrete fazendo com que os pinos se soltem. b) A função da parafina é fixar os pinos na barra, já à dos pinos é de dar uma referencia de como esta ocorrendo o processo de transmissão e a dilatação à medida que esse processo de transferência decorre no tempo. c) O processo envolvido na propagação de calor é o da condução térmica, onde a transferência de energia se da por meio de colisões entre as moléculas. É impulsionada pela diferença de temperatura. d) Curvas de propagação de calor: TABELA REFERENTE AOS TEMPOS DE QUEDA DE CADA PALITO NAS RESPECTIVAS BARRAS Material Utilizado Tempo para queda do palito1 (t ± ∆t) s Tempo para queda do palito2 (t ± ∆t) s Tempo para queda do palito3 (t ± ∆t) s Tempo para queda do palito4 (t ± ∆t) s Barra 1 (1,15 ± 0,01) (2,56 ± 0,01) (4,23 ± 0,01) (5,48 ± 0,01) Barra 2 (0,58 ± 0,01) (1,35 ± 0,01) (2,04 ± 0,01) (3,28 ± 0,01) 8 Barra 3 (1,00 ± 0,01) (2,27 ± 0,01) (3,52 ± 0,01) (5,39 ± 0,01) É muito conveniente estudar a Propagação de Calor através de um recurso gráfico. Com isso, embasando-se na tabela 2, puderam-se construir os seguintes gráficos: Obs.: Nas equações que serão apresentadas a seguir, Y representa o comprimento da barra em metro (que é a medida de um extremo ao ponto onde cada palito de fósforo estava preso), e X representa a variável tempo em segundos. Os coeficientes lineares em cada equação são constantes características de cada curva, tendo como unidade o metro. Já os coeficientes angulares, em que cada barra sendo de material diferente possui um coeficiente, tem como unidade m/s. (i) A melhor curva ajustada aos dados experimentais do gráfico abaixo tem a equação: Y = (0.0637 + 0,0038) + (4.54 + 0.17)∙10-4 X 50 100 150 200 250 300 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 Sobre a Propagação de Calor na barra 1 C om pr im en to ( m ) Tempo (s) (ii)Já para a melhor curva do gráfico a seguir, tem-se: Y = (0.0741 + 0.0091) +(7.44 + 0.73)∙10-4 X 9 50 100 150 200 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 Sobre a Propagação de Calor à barra 2 C om pr im en to ( m ) Tempo (s) (iii) E, finalmente, para a curva a seguir, tem-se: Y = (0.0714 + 0.0069) + (4.57 + 0.33)∙10-4 X 50 100 150 200 250 300 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 Sobre a Propagação de Calor à barra 3 C om pr im en to ( m ) Tempo (s) (iv) Gráfico com as três curvas de propagação de calor: 10 É conveniente dizer que, em tal gráfico, como foi necessário uma mudança adequada nas dimensões dos eixos, as curvas atingiram os pontos. Mas isso não é importante para resultados de comparação, que serão feitos adiante, pois as equações apresentadas não mudam. 50 100 150 200 250 300 350 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 ______ ______ ______ Curva à barra 3 Curva à barra 2 Curva à barra 1 Comparação gráfica das Curvas de Propagação de Calor Co m pr im en to (m ) Tempo (s) (E) O processo de propagação envolvido é o de convecção, pois a energia térmica é transmitida através do transporte de partículas. (F) Comparação das três curvas de propagação de calor: Consultando o gráfico em (D)(iv) desta seção, pode-se inferir que: Semelhanças:Ambas as curvas apresentam equações lineares e são crescentes. Diferenças: A curva da barra 2 (curva verde) possui, em geral, inclinações maiores que as curvas vermelha e azul, o que se pode ver ao comparar as equações apresentadas em (D)(i),(ii) e (iii) e visualmente. (G) Material que é melhor condutor de calor: O melhor condutor de calor é aquele cuja propagação de calor foi relativamente mais rápida, ou seja, o material em que a respectiva curva é mais inclinada. Como já pré-discutido em (F) desta seção, a curva verde possui uma inclinação maior, que é referente à barra 2. Para maior detalhamento, a curva de propagação de calor da barra 2 tem como equação Y = (0.0741 + 0,0091) +(7.44 + 0.73)∙10-4 X, já apresentada em (D)(ii). Não é difícil notar que a o coeficiente angular dessa equação é maior que os outros coeficientes angulares, caracterizando matematicamente a barra 2 como melhor condutor. (H) Condutividade térmica (k) de cada material: Questões Referentes ao item 4.2: 11 a) O que ocorrem com as moléculas de ar frio que se encontram próximas á lâmpada? As moléculas de ar frio se aquecem pois absorvem radiação eletromagnética da luz. b) Movimento de subida das moléculas; A transferência de energia da chama para a ventinha é realizada por meio da transferência de matéria - a energia se propaga com o ar. A energia transmitida pelo movimento de um fluido é um processo chamado de convecção natural. À medida que o ar é aquecido em uma região, as camadas inferiores são aquecidas primeiro. Essas regiões se expandem e sobem porque a densidade é mais baixa que a do ar à temperatura ambiente. Ao mesmo tempo, o ar mais frio e mais denso vai para baixo para ser aquecido. c) Como e porque a ventoinha se movimentou? Como o ar é aquecido, sua densidade diminui, e consequentemente, ele sobe em direção as pás da ventoinha. O fluxo contínuo desse fenômeno forma uma corrente de ar e como as pás da ventoinha possuem uma leve curvatura que facilitam o movimento, a ventoinha começa a se movimentar. d) Justifique a formação de uma corrente de ar quente nesta experiência. Essa corrente de ar esta relacionada com o fluxo da massa de ar que é aquecida pela chama, com isso, sua densidade fica menor e ela tende a ficar em uma camada superior e a mais densa vai para baixo. Dessa forma se da formação da corrente. e) Qual é o processo de propagação envolvido? O processo envolvido no fenômeno é o de convecção térmica. Em tal situação, o ar diretamente acima da chama é aquecido e se expande, assim resulta em uma diminuição do ar, e ele sobe. Questões Referentes ao item 4.3: a) Curvas de aquecimento e resfriamento; TABELA REFERENTE AO TEMPO E ÀS TEMPERATURAS DAS RESPECTIVAS BASES Minutos Temperatura na base preta (T ± ∆T) °C Temperatura na base branca (T ± ∆T) °C 0 (25,5 ± 0,5) (25,5 ± 0,5) 2 (35,0 ± 0,5) (29,5 ± 0,5) 4 (43,0 ± 0,5) (32,0 ± 0,5) 6 (49,5 ± 0,5) (34,5 ± 0,5) 8 (54,5 ± 0,5) (36,5 ± 0,5) 10 (58,5 ± 0,5) (38,5 ± 0,5) 12 (61,5 ± 0,5) (40,0 ± 0,5) 14 (56,0 ± 0,5) (38,0 ± 0,5) 16 (50,5 ± 0,5) (36,0 ± 0,5) 18 (46,0 ± 0,5) (34,5 ± 0,5) 12 20 (42,0 ± 0,5) (33,0 ± 0,5) 22 (39,0 ± 0,5) (31,5 ± 0,5) 13 14 b) Qual corpo atingiu a maior temperatura? Observando os dados da tabela, podemos concluir que o corpo que atingiu maior temperatura foi o de base preta. c) O corpo que resfria mais rapidamente é o de base preta. d) As relações funcionais de temperatura e tempo estão representadas na tabela a seguir Temperatura em Função do Tempo Base Preta Base Branca Aquecimento 𝑇 𝑡 = 2,97𝑡 + 28,94 𝑇 𝑡 = 1,18𝑡 + 26,71 Resfriamento 𝑇 𝑡 = −2,27𝑡 + 87,78 𝑇 𝑡 = −0,84𝑡 + 49,83 Observando as relações funcionais, é possível perceber que o corpo de base preta, esquenta e esfria mais rapidamente, pois o coeficiente angular é maior que o do objeto de base branca. Esse fato ocorre pois, corpos pretos absorvem toda a luz, permitindo que receba mais calor, já a cor branca reflete todo o espectro da luz, dificultando a entrada de calor. e) O processo de transmissão de calor é o de radiação térmica, pois a fonte de calor é a luz, e se caracteriza por ser uma onda eletromagnética. A onda eletromagnética é responsável pela transferência de energia (calor), que quando interage com as moléculas de um corpo, faz com que a energia térmica aumente ou diminua. Questões Referentes ao item 4.4: a) Coeficiente de dilatação das barras; Barra Comprimento inicial (L0 ± ∆L0) m Temperatura inicial (T0 ± ∆T0) °C Temperatura final (T ± ∆T) °C Comprimento final (L ± ∆L) m Variação de comprimento m 1 (512,0 ± 0,1)∙10 -3 (24,0 ± 0,1) (53,0 ± 0,1) (513,0 ± 0,1)∙10 -3 0,62∙10 -3 2 (520,0 ± 0,1)∙10 -3 (20,0 ± 0,1) (50,0 ± 0,1) (521,0 ± 0,1)∙10 -3 0,90∙10 -3 3 (520,0 ± 0,1)∙10 -3 (20,0 ± 0,1) (50,0 ± 0,1) (520,5 ± 0,1)∙10 -3 0,43∙10 -3 Para o cálculo do coeficiente de dilatação linear usaremos a tabela acima e seguinte equação ∆𝐿 = 𝛼 ∙ 𝐿0∙ ∆𝑇 referente a variação de comprimento linear. Para a barra 1 temos que 𝛼 = ∆𝐿 𝐿0∙∆𝑇 , onde ∆𝑇 = T - T0, assim temos; 𝛼 = (41,8 ± 0,7)∙10-6 °C-1 Para a barra 2; 𝛼= (57,7 ± 0,7)∙10-6 °C-1 Para a barra 3; 𝛼= (27,6 ± 0,6)∙10-6 °C-1 b) Comparando os coeficientes encontrados; Não é possível comparar o valor encontrado com o teórico pois não sabemos de que material se trata. Quando questionamos sobre de que tipo de material se tratava, a resposta foi que uma das ideias do experimento era essa, descobrir qual material era. 15 c) Você considera que seus resultados foram de boa qualidade? Nossos resultados não se aproximaram dos valores teóricos conhecidos para alguns materiais. Isso tudo porque houveram grandes flutuações de temperatura no laboratório pois o sistema não era isolado e consequentemente os dados não forneceram uma boa informação dos materiais. d) Como é o comportamento térmico dos sólidos bi e tridimensionais? Ocorre uma dilatação em todas as direções dos sólidos, pois cada direção possui o mesmo coeficiente de dilatação linear, assim para uma superfície, ocorre uma variação de área e para um volume ocorre uma dilatação volumétrica. e) Como se comporta um material sólido com cavidades, quando é aquecido? Como todas as moléculas que compõem o sólido começaram a vibrar, ele ira se dilatar e consequentemente a cavidade vai aumentar sua área. 6- Resultados: Sobre o cálculo do coeficiente de dilatação linear, os resultados não foram coesos com os valores teóricos que se tem tabelado. Ocorreram grandes flutuações de temperatura pois o sistema não era isolado. A bancada onde realizamos o experimento estava muito próximo da janela, o que também favoreceu para aumentar as flutuações das medidas. 7- Conclusão: No processo de troca de calor por radiação ocorreram pequenos erros experimentais, pois o coeficiente angular das retas de aquecimento e resfriamento para um mesmo corpo, deveriam diferir-se apenas em sinal, e os valores deveriam ser os mesmos, o que não ocorreu. Também encontraram-se erros um pouco significativos nos valores dos coeficientes de dilatação. Tais erros, referentes ao experimento de radiação térmica e determinação dos coeficientes de dilatação, ocorreram devido aos métodos de experimentação utilizados, erro de paralaxe devido a medidores analógicos, distância muito grande das barras em relação à régua, fazendo com que não fosse possível conferir a escala em relação às barras corretamente, temperatura do laboratório variou muito, alterando a temperatura dos objetosem questão. As incertezas não impediram o êxito do experimento, pois foi possível diferenciar os diversos processos de transferência de calor, explicando-os teoricamente e quantitativamente. 8- Bibliografia: R.RESNICK E D.HALLIDAY, Física. Rio de Janeiro, LTC, 1983 - V.2. H.M. NUSSENZVEIG, curso de Física Básica. S.Paulo, E. Blucher, 1983, V.2. Brown, T. L.; LeMay Jr, H. E.; Bursten, B. E.; Burdge, J. R.; Química A Ciência Central, 9ª ed., Pearson: São Paulo, 2005, pag. 13 a 15.
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