Relatorio completo 4 ºBim

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA
Setor De Ciências Agrarias e de tecnologia
Departamento de Engenharia Civil
Diego Varussa Oliveira
Felipe Almeida
Luis Miguel Krukoski
Leonardo Yuji
RELATORIOS DE FISICA EXPERIMENTAL
Volume 4
Ponta Grossa
2016
Diego Varussa Oliveira
Felipe Almeida
Luis Miguel Krukoski
Leonardo Yuji
RELATORIOS DE FISICA EXPERIMENTAL
VOLUME 4
Relatório apresentado ao professor Antonio José Camargo para obtenção de nota parcial na disciplina de Física Experimental, no curso de Engenharia Civil.
Ponta Grossa
2016
Experimento 19 – Tensão superficial.
	
Objetivo
Determinar a tensão superficial da agua, éter e álcool usando da capilaridade. 
Introdução
As forças de coesão entre as moléculas de um liquido fazem que, nas vizinhanças de uma superfície livre, manifeste-se sobre as moléculas uma força de atração para o inferior do liquido. 1
Consequentemente, o liquido resistira a qualquer ação tendente a provocar o aumento da área de sua superfície livre e comportar-se-á como se existisse uma tensa película plástica sobre toda a superfície livre. 1
A imagem abaixo exemplifica os dados cujo quais ocorrem na tensão superficial em uma parede de um tubo
Figura 1: Situação de corte da pelicula.
= ângulo de contato
= Resultante das forças de adesão
= Resultante das forças de coesão
R = Resultante final.
Fonte: O autor
Analisando as condições físicas em função do ângulo, podemos definir que se este for menor que 90 º (menisco divergente), o liquido molha a superfície, se o ângulo for maior que 90 º (menisco convergente), o liquido não olha a superfície.
PESO DA COLUNA LIQUIDA NO CAPILAR
O valor da ascensão capilar num tubo circular é determinado pelo equilíbrio de forças na coluna cilíndrica de altura h no tubo. 
Podemos calcular o peso da coluna de agua usando a mesma relação:
Onde,
d = diâmetro do tubo
h = altura do tubo
 = massa especifica
g = aceleração da gravidade 
P = Peso da coluna de água
O contorno da membrana livre liquida da superfície livre no interior do tubo adere ás paredes internas. A tensão superficial, agindo em todo o contorno dessa membrana, dará como resultado uma força F vertical, dada por:
Onde,
F = força
 = tensão superficial
 = diâmetro
 = ângulo de contato.
Como a coluna está em equilíbrio temos que P=F, resultando desta forma em:
No caso deste experimento, a maior dificuldade é determinar o diâmetro do tubo capilar. Utilizando de dedução das formulas de massa especifica e volume, obtemos a seguinte função:
Relação com a engenharia civil
Em mecânica dos fluidos, podemos compreender que o principal feito que a tensão superficial gera é a capilaridade. 
A capilaridade é um dos principais geradores de patologias em paredes. Pela umidade ascendente que vem do solo, sobe pelo alicerce e é absorvida pelos rodapés das paredes, atingindo alturas diversas. Essa é a patologia mais comum de se observar nas residências. 
Há também as infiltrações pela penetração direta da água para o interior das edificações através das paredes. Geralmente ocorre em obras construídas encostadas em barrancos ou em paredes construídas abaixo do lençol freático.
Materiais 
Tubo capilar,
Becker, 
Termômetro, 
Pinça, 
Paquímetro,
Água,
Álcool 
Éter.
Resultados e discussões
Inicialmente, calculamos o diâmetro do tubo, usando a relação deduzida no princípio do experimento, vide tabela de massa especifica da água de acordo com a temperatura do ambiente, obtivemos que a 18ºC a mesma tem massa especifica de aproximadamente 0,99864 g/cm3.
Medindo a altura (h) do tubo, e sua massa de agua interna após ser preenchido, podemos calcular o diâmetro do mesmo.
Considerando o ângulo como 0º devido a água estar praticamente aderida ao tubo, podemos desenvolver a formula para obtermos a tensão superficial dos líquidos estudados. Usou-se gravidade igual a 979 cm/s2
Tabela 1: Dados do experimento e resultados
	Substancia
	(g/cm3)
	D(cm)
	G(cm/s2)
	 (cm)
	(dy/cm)
	(dy/cm)
	%E
	Álcool
	0,8
	0,1025
	979
	1,15
	23,09
	23
	0,4
	Água
	1
	
	
	2,88
	72,27
	73,05
	1,1
	Éter
	0,73
	
	
	0,92
	16,85
	17
	0,9
Fonte: O Autor
Para cada um dos líquidos, fora calculado através da altura média da coluna e sua massa especifica a fim de obter suas respectivas tensões superficiais como a seguir é exemplificado com a do álcool, sendo feito o mesmo procedimento aos demais. 
Assim, logo após calcular cada uma das tensões superficiais dos líquidos estudados, podemos calcular seu erro percentual de acordo com o valor obtido ao verificar o valor tabelado no HANDBOOK, usando ainda o álcool como exemplo temos:
 
Assim, podemos calcular o valor da tensão superficial para cada uma das substancias fornecidas, vide seus resultados na tabela juntamente com seus respectivos erros.
CONCLUSÃO
Usando do princípio de obter-se um erro abaixo de 5 %, podemos descrever que o experimento foi altamente satisfatório, pois os erros foram muito pequenos, assim podemos dizer que o objetivo do experimento foi atingido e seus respectivos resultados aproximaram muito dos reais valores tabelados.
REFERNCIAS
CAMARGO, Antonio J. – Tensão superficial - Apostila de física experimental de engenharia civil (2016). 
USP – Tensão superficial. Disponivel em: <https://disciplinas.stoa.usp.br /pluginfile.php/371635/mod_resource/content/1/TENS%C3%83O%20SUPERFICIAL%20E%20CAPILARIDADE.pdf> Acesso em 05 de dezembro de 2016
Haynes, William M. HANDBOOK physical and chemistry constants, Edição 87. 2006 Chemical Rubber Company.
Experimento 20 – VISCOSIDADE.
OBJETIVOS
Estudar a viscosidade da glicerina
INTRODUÇÃO
Viscosidade é uma característica dos líquidos que está relacionada com a sua habilidade de fluir. Quanto maior a viscosidade de um líquido (ou de uma solução) mais difícil o líquido flui e diz ser ele “viscoso”. A viscosidade é uma propriedade inerente do líquido devido à sua relação profunda com as forças intermoleculares. Quanto maiores estas forças, mais as moléculas permanecem unidas, não as permitindo fluir com facilidade. Com base neste raciocínio, podemos explicar e comparar, de forma qualitativa, a viscosidade de determinados líquidos. Por exemplo, a água tem maior viscosidade que o benzeno. As forças intermoleculares que atuam na água são basicamente as ligações de hidrogênio, que é a forma mais forte entre as forças intermoleculares. Desta forma, para que as moléculas de água possam fluir, elas precisam vencer estas fortes interações, quebrando-as. Por outro lado, o benzeno possui interações do tipo de forças de London, mais fracas que as ligações de hidrogênio, podendo, desta forma, fluir mais facilmente. Convém ressaltar, entretanto, que as forças de London podem ser fortes o suficiente para tornar um líquido viscoso, especialmente aqueles formados por longas cadeias e ramificações em sua estrutura molecular. Essas cadeias longas, presentes em hidrocarbonetos oleosos e gorduras, por exemplo, se parecem com um emanharado de fios, o que dificulta a movimentação relativa entre si e, portanto, sua fluidez. A viscosidade geralmente diminui com o aumento de temperatura, uma vez que, em altas temperaturas, as moléculas possuem maior energia de translação e rotação, permitindo vencer as barreiras energéticas de interações intermoleculares com maior facilidade. Por exemplo, a viscosidade da água a 100 °C é de apenas 1/6 de seu valor a 0°C, ou seja, a mesma quantidade de líquido flui seis vezes mais rapidamente na temperatura mais elevada. Entretanto, nem sempre essa característica ocorre. Dependendo do material, o aumento da temperatura pode alterar a sua estrutura de forma a aumentar a viscosidade. Esse é o caso do enxofre rômbico que aumenta a viscosidade quando é aquecido, pois, a partir de uma determinada temperatura, seus anéis S8 rompem-se, abrindo em cadeias que se emaranham,tendo por consequência o aumento da viscosidade. Se continuássemos o seu aquecimento, perceberíamos que a sua viscosidade cairia quando a sua característica visual mudasse de líquido de cor palha para marrom avermelhado. Neste caso, os anéis de quebram em moléculas de S2 e S3, menores e mais móveis.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Primeiramente colocamos o líquido (glicerina) em um recipiente, em seguida, escolhemos três esferas para usar no experimento sendo uma de alumínio e duas de aço, mas com tamanhos diferentes. Com um cronometro calculamos o tempo que as esferas demoram em chegar até o fundo do recipiente para determinar a velocidade média da queda e calcula a viscosidade dinâmica pela seguinte relação.
Onde: μ= viscosidade dinâmica
 g= aceleração da gravidade
 ρe= massa específica volumétrica do corpo e prova
 ρL= massa específica volumétrica o líquido problema
 r= raio da esfera (corpo de prova)
 v= velocidade média da esfera ao cair na vertical, no líquido problema.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos em cada medição estão organizados nas tabelas a seguir, assim como seus respectivos resultados de erro percentual.
	Substância
	h (cm)
	t (s)
	v (cm/s)
	r (cm)
	g (cm/g²)
	ρe (g/cm³)
	ρL (g/cm³)
	μ (dy.s/cm²)
	μt (dy.s/cm²)
	E%
	Aço (menor)
	34
	3,425
	9,93
	0,158
	979
	7,5
	1,26
	3,41
	4,7
	-27,36
	Aço (média)
	34
	1,35
	25,19
	0,285
	979
	7,5
	1,26
	4,38
	4,7
	-6,846
	Aço (maior)
	34
	1,132
	30,04
	0,323
	979
	7,5
	1,26
	4,72
	4,7
	0,3297
	Alumínio
	34
	1,221
	27,85
	0,663
	979
	2,65
	1,26
	4,77
	4,7
	1,5666
Para calcularmos os valores de viscosidade do liquido usando das esferas metálicas, seguimos o seguinte cálculo, como exemplificado para a esfera de aço maior.
Após isso, podemos efetuar o calculo de erro percentual, em comparação ao valor tabelado.
A partir desta relação, podemos calcular para cada uma das esferas o coeficiente de viscosidade e seu erro percentual respectivo.
Analisando o gráfico a seguir, podemos relacionar a dimensão da esfera quanto a sua velocidade, no entanto, tal gráfico aproximaria-sede uma regressão se o material das mesmas fosse idêntico. Podemos ver que ao gráfico, há uma curva abrupta quando a velocidade pelo raio ao quadrado, pois apesar de raio maior, a esfera de alumínio é menos densa, de menor massa de que as de metal, assim alterando sua velocidade, levando em consideração que velocidade é massa vezes a aceleração da gravidade menos o atrito do liquido.
CONCLUSÃO
Para as esferas de maior raio, podemos encontrar valores significativos, onde os erros foram devidamente baixos. No entanto para as esferas menores, os erros foram elevados, isso deve-se a dificuldade de analisarmos o tempo de queda da esfera pequena no liquido de forma desaparelhada (a olho nú), e anotar seu devido tempo para percorrer a altura determinada no tubo.
Apesar desde problema, para as esferas maiores e para a esfera de alumínio (devido sua massa ser mais reduzida) podemos visualizar melhor seu trajeto, assim anotando mais precisamente seu tempo e obtendo sua velocidade de forma mais convicta. 
 REFERENCIAS
CAMARGO, Antonio J. – Viscosidade - Apostila de física experimental de engenharia civil (2016).
HAYNES, William M. HANDBOOK physical and chemistry constants, Edição 87. 2006 Chemical Rubber Company.
TROIANO, Gustavo - UNESP – Aulas praticas, físico química – Viscosidade. Disponível em : < http://www.iq.unesp.br/Home/Departamentos/ Fisico Quimica/gustavotroiano/pratica-12.pdf> Acesso em: 20 de dezembro de 2016.
Experimento 21 – Calor especifico
Objetivo:
Determinar o calor específico de alguns materiais.
Introdução
O calor específico é a quantidade de calor que deve ser fornecida para que 1 g de substância tenha a sua temperatura elevada em 1°C. Cada substância possui um determinado valor de calor específico, que é geralmente expresso em cal/g.°C.
Quanto maior for o calor específico de uma substância, maior será a quantidade de calor que deverá ser fornecida ou retirada dela para que ocorram variações de temperatura. A água, quando comparada com várias outras substâncias, possui o maior calor específico, que corresponde a 1 cal/g.ºC 
Quantidade de Calor Sensível.
É a quantidade de calor que um corpo recebe ou cede quando a sua temperatura não se altera. O seu cálculo é dado por:
Q = Quantidade de calor;
m = massa;
c = calor específico;
Δt = variação de temperatura.
Calor Específico
 É a quantidade de calor que um grama de uma substância recebe ou cede para que sua temperatura se altere de 1oC.
Atendendo ainda para o principio das trocas de calor, que evidencia que as somatórias das trocas de calor são nulas temos: ∑Q = 0; o que equivale a:
∑= ∑
Experimento:
 Materiais utilizados:
Cuba calorimétrica.
Termômetro.
Aquecedor.
Corpos de prova metálicos.
Água.
Fio de linha.
Procedimento:
Primeiro mediu-se a massa da cuba calorimétrica (
Em seguida determinou-se o calor especifico da cuba, sendo: .
Determinou-se a massa do líquido ( e o introduziu na cuba. Isolou-se o sistema e mediu-se a temperatura em que o sistema entrou em equilíbrio (
Mediu-se a massa do corpo de prova (.
Amarou-se um fio no corpo de prova e o colocou em um Becker com água e o aquecedor. Ligou-se o aquecedor e determinou-se uma temperatura para tirar o corpo de prova aquecido da água quente e levá-lo á cuba .
Colocou-se o corpo de prova, pré aquecido, no sistema que estava em equilíbrio e isolou-se o sistema. Esperou-se a temperatura atingir o equilíbrio e determinou-se a temperatura de equilíbrio 
Resultados e Discussões
Feitas todas as medições de massas iniciais e de temperatura já foi possível preencher a tabela com alguns dados:
	Substancias
	Massa (g)
	Cal. Esp. (cal/ g°C)
	(°C)
	 (°C)
	(°C)
	Trocas
	Cuba (Al)
	68,67
	0, 217
	25,2
	
	
	Recebeu
	Água
	122, 892
	1
	25,2
	
	
	Recebeu
	Corpo de prova
	64, 612
	?
	80
	
	
	Cedeu
Feita essas anotações, introduziu-se o corpo de prova, aquecido a uma temperatura pré-determinada, dentro da cuba e isolou-se o sistema. Feito isso e esperado alguns minutos para que o sistema alcançasse a temperatura de equilíbrio, foi possível terminar de preencher a tabela, sendo a variação de temperatura:
→ para o corpo que cede calor e
→ para o corpo que recebe calor.
	Substancias
	Massa (g)
	Cal. Esp. (cal/ g°C)
	(°C)
	 (°C)
	(°C)
	Trocas
	Cuba (Al)
	68,67
	0, 217
	25,2
	26.1 
	0,9
	Recebeu
	Água
	122, 892
	1
	25,2
	26.1
	0,9
	Recebeu
	Corpo de prova
	64, 612
	?
	80
	21.1
	53,9
	Cedeu
Com todos os dados necessários obtidos foi possível calcular a quantidade de calor para a cuba, água e para o corpo de prova sendo: Q = mcΔt 
Para a cuba:
Q = 68.67 x 0.217 x 0.9 → Q = 13.411cal
Para a água:
Q = 122.892 x 1 x 0.9 → Q = 110.602 cal 
Para o corpo de prova:
Q = 64.612 x c x 53.9 → Q = 3482.6 x c cal
Feitos os cálculos de quantidade de calor, foi possível utilizar o princípio de que os somatórios das trocas de calor são nulas: 
∑= ∑
3482.6 x c = 13.411 + 110.602 → c = 124.013 / 3482.6 
Como o material utilizado é de chumbo e o calor especifico tabelado para ele é c = 0.03, pode-se agora fazer o erro percentual do experimento.
→ 
Conclusão:
Analisando os resultados finais pode-se dizer que o objetivo do experimento não obteve êxito. Isso deve-se ao fato de o erro percentual ter atingido um valor elevado. Esse erro pode ter sido consequência de algum erro de execução durante o experimento como a má vedação do sistema da cuba podendo variar a temperatura de equilíbrio ou pelo fato de ter sido usado um termômetro que não media as casas decimais para medir a temperatura do corpo quando era aquecido antes de ser introduzido na cuba com água.
Referencias:
¹ Camargo, Antônio J. – Universidade Estadual de PontaGrossa- Calor especifico– Apostila de Física Experimental para o curso de Engenharia Civil (2016).
² http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/calor-especifico.htm - acessado em 19 de dezembro de 2016.
³ http://www.fisicapaidegua.com/conteudo/conteudo.php?id_top=020201 – acessado em 19 de dezembro de 2016.
Experimento 22 – Mudança de estado fisico – fusão do gelo
Objetivos.
Determinar o calor latente de fusão do gelo e observar as características do fênomeno.
Introdução.
O calor latente de fusão é definido como sendo a energia necessária para transformar a unidade de massa de uma determinada substância, do estado sólido para o estado líquido.
Esse parâmetro é uma característica da substância, bem como a temperatura em que o processo acontece. O cálculo da quantidade de calor trocada no processo é calculado através do princípio das trocas de calor , somatória das quantidades de calor tem que se igular a zero, evidenciando que a quantidade de calor cedida por uma substância é exatamente igual a quantidade de calor absorvida pelas substâncias que encontravam-se em temperatura inferior a cedente. O calor latente de fusão é calculado pela expressão: = m . ( enquanto a temperatura se mantiver constante). Se houver sensibililização na temperatura ( variar), calculamos a troca de calor pela expressão do calor sensível, =m.c.Δθ.
Materiais.
Calorimetro
Aquecedor elétrico
Procedimentos.
Determinar a massa (m) do calorímetro e sua capacidade térmica.
Aquecer uma massa de água até temperatura ()
Introduzir a água no calorímetro
Medir uma massa () de gelo à temperatura ()
Introduzir a massa () de gelo à temperatura () no calorímetro
Esperar alguns minutos e anotar a temperatura de equilíbrio
Aplicar o Princípio das Trocas de Calor.
Resultados e Discussões.
Ápos obtermos a temperatura de equilíbrio no calorímetro obtivemos o seguinte quadro:
	Substâncias
	m
(g)
	c
(cal/g°C)
	
(C°)
	T
(C°)
	
(Cº)
	Trocas
	Calorímetro
	69,119
	0,217
	0
	31,2
	31,2
	Recebe
	Gelo
	44,717
	1
	0
	31,2
	31,2
	Recebe
	Água
	109,9
	1
	78,3
	31,2
	47,1
	Cede
Cálculo do Calor Latente.
=
 .c.Δθ = .c.Δθ + .c.Δθ + . 
109,9 . 1 . 47,1 = 69,119 . 0,217 . 31,2 + 44,717 . 1 . 31,2 + 44,717 . 
5176,29 = 467,963 + 1395,1704 + 44,717 . 
3313,1566 = 44,717 . 
 = 74.091
Cálculo do erro percentual.
E% = . 100
 E% = . 100 = 7,38%
Questionário
Em geral a maioria das substâncias conhecidas ao serem aquecidas aumentam de volume. Com a água acontece uma anomalia, explique melhor essa descotinuidade citando em que intervalo de temperatura ela acontece.
R: Ao aquecer a água de 0°C a 4°C, as pontes de hidrogênio rompem-se e as moléculas passam a ocupar os vazios antes existentes, provocando, assim, uma diminuição no volume. Mas de 4°C a 100°C, a água dilata-se normalmente.
Os diagramas abaixo ilustram o comportamento do volume e da densidade em função da temperatura.
Então, a 4°C, tem-se o menor volume para a água e, consequentemente, a maior densidade da água no estado líquido.
Algum outro elemento ou substância sujeita-se a fato semelhante? 
R: Sim, dentre as substâncias que também possuem dilatacões anomalas, estão o bismuto, antimônio, germânio e gálio.
Qual o valor que encontramos para a fusão de uma grama de gelo na CNTP?
R: Nas CNTP , o calor latente do gelo equilave a Ls = - 80 cal/g
Conclusão.
Nesta experiência podemos estabelecer algum parâmetro acerca do calor latente do gelo. Chegamos a um erro considerável, porém tivemos que considerar alguns equívocos que ocorreram durante a realização da experiência.
Referencias 
¹ Camargo, Antônio J. – Universidade Estadual de Ponta Grossa – Fusão do gelo - Apostila de Física Experimental para o curso de Engenharia Civil (2016).