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Física Geral e Experimental II-E – Equivalente do Calor e da Energia Universidade Federal da Bahia Instituto de Física Departamento de Física Geral FIS 122 – Física Geral e Experimental II-E / Laboratório Turma Teórica/Prática: T05 / P09 Data: 17/09/2007 Alunos: Érico Santos, Simon Mazur, Tadeu Oliveira, Thiago José Luz Equivalente do Calor e da Energia Índice Introdução 3 Fundamentação Teórica 4 O que foi feito no Laboratório 5 Folha de Dados 6 Tratamento de Dados 7 Folha de Questões 8 Conclusão 9 Anexos 10 Introdução A energia é uma grandeza que foi definida de maneira independente na mecânica e na calorimetria, onde são respectivamente denominadas energia mecânica e calor. Com a descoberta que estas duas definições independentes se referem a um mesmo ente físico, surge uma nova teoria, a termodinâmica, que trata das relações de troca de energia sob a forma de calor e energia mecânica (ou química) entre sistemas físico-químicos. A termodinâmica requer, portanto, uma relação quantitativa entre as duas unidades de medida independentes para o calor e a energia mecânica. A primeira unidade é a caloria, definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de águia de 14,5ºC para 15,5ºC. A unidade da energia mecânica é expressa em termos das unidades fundamentais de comprimento , massa e tempo baseados na análise dimensional: energia , sendo no SI a unidade da energia denomidado Joule (J), e no sistema CGS o Erg. A energia elétrica pode ser medida na mesma unidade de energia mecânica, pois ela pode ser definida em termos de força elétrica de Coulomb entre cargas, notando-se que . O objetivo deste experimento consiste na determinação do equivalente entre a caloria e o joule, isto é, a determinação de valor da constante A, definida por: Fundamentação teórica 1. Calor Específico Ao se fornecer calor um corpo material este tem sua temperatura aumentada. Este aumento depende da massa do corpo, da quantidade de calor fornecida e do calor específico que é uma propriedade que mede a "inércia térmica" do material, isto é, a sua resistência em alterar a temperatura quando troca calor, sendo quantitativamente medido a partir da relação básica da calorimetria: . Usualmente este é medido em unidades de cal/gºC. No caso da água, que é um material utilizado para a definição da caloria, temos que: . Neste experimento será medido o calor específico do alumínio. 2. Determinação da constante A Ao se aquecer uma determinada massa de água com um aquecedor elétrico, mede-se a energia elétrica fornecida pelo aquecedor (em J) e o aumento da temperatura. Tem-se que , onde P é a potência do aquecedor (medido em Watt) e o tempo ΔT (segundos) que foi fornecido energia para a água. Por outro lado, o calor absorvido pela água pode ser expresso (medido em calorias) por , onde m é a massa da água, e . Igualando a energia fornecida à absorvida, e usando a expressão: 3. O processo de medida de temperatura Em medidas de temperatura, é indispensável que o aparelho de medida (o termômetro) entre em equilíbrio térmico com o objeto que está sendo medido. Se isto não ocorre, a leitura do termômetro não registra a verdadeira temperatura do objeto. O tempo necessário para que o equilíbrio térmico ocorra depende do aparelho, do objeto, e das temperaturas em que estes se encontram antes do processo de medida ser iniciado. no entanto, o termômetro e o objeto podem trocar calor também com outros objetos. No nosso experimento o calorímetro não é totalmente isolado e há sempre perdas para o meio externo. Por isso é importante que o processo de leitura do termômetro seja a intervalos curtos, para que possamos detectar rapidamente o processo de equilíbrio entre o termômetro e a água e separá-los da diminuição de temperatura devido as perdas de calor para o meio externo, reduzindo assim as perdas significativas. O que foi feito no Laboratório? O material utilizado no laboratório para realização do experimento foi: Aquecedor Termômetro Calorímetro – Caixa de alumínio dentro de uma de isopor Relógio Béquer Vaso calibrado ou balança O sistema utilizado no experimento com o qual foram realizadas as observações tem montagem semelhante ao esquema abaixo: Pesou-se a caixa (). Pesou-se também uma massa de cerca de 4000 g de água (4 litros). Foi colocada a água dentro do calorímetro, tampando-se logo em seguida. Foi medida a temperatura inicial da água (). Foi feita a leitura da potência do aquecedor (624 W de potência). Registraram-se os dados na folha de dados. O uso da caixa de isopor deve-se ao fato de este ser isolante térmico, impedindo, assim, a perda de calor para o meio (até certo ponto). O uso da caixa de alumínio é para evitar o escoamento da água. Anotou-se o tempo inicial e o aquecedor foi ligado (zero segundo). O aumento da temperatura foi controlado registrando-se na tabela da Folha de Dados o valor da temperatura em intervalos de 60 segundos, até que a temperatura atingisse 80ºC. Desligou-se o aquecedor e foi registrado o instante em que este foi desligado. Manteve-se o calorímetro fechado, sendo registrada na tabela a temperatura da água por mais 1260 segundos no mesmo intervalo de tempo anterior. Para ser determinado o calor específico do alumínio usou-se o calorímetro e a água quente em seu interior. Pesou-se uma barra de alumínio () e sua temperatura inicial (), sendo ambos registrados na tabela. Abriu-se o calorímetro (rapidamente) e foi mergulhada a barra de alumínio, sendo novamente tampado após isto. Continuou-se a medir a temperatura da água no interior do calorímetro em intervalos de 60 segundos. Registrou-se as dados na tabela, observando que a temperatura cai um pouco, pois a água quente perde calor para aquecer o alumínio. Folha de Dados Equivalente do Calor e da Energia 60 29 60 65 120 32 120 63 180 35 180 63 240 38 240 63 300 40 300 63 360 43 360 63 420 46 420 63 480 49 480 63 540 51 540 63 600 53 600 63 660 56 660 63 720 58 720 63 780 61 780 63 840 63 840 63 900 65 900 63 960 67 960 63 1020 70 1020 63 1080 72 1080 63 1140 74 1140 63 1200 76 1200 63 1260 78 1260 63 Tratamento de Dados Construiu-se o gráfico da temperatura em função do tempo até o momento em que a temperatura da água com a barra de alumínio estabilizou-se. ºC ºC ºC Determinação de A: Determinação do calor específico do Alumínio: J/gºC Determinação da constante A considerando a influência da caixa de alumínio: Determinação do calor específico do alumínio considerando a influência da caixa de alumínio. J/gºC Folha de Questões Equivalência do Calor e da Energia Resolução das questões as quais se encontram no verso da Folha de Dados: 1 – Qual a diferença entre capacidade calorífica e calor específico? Explique exemplificando com os materiais e/ou substâncias utilizadas no experimento? R: Em geral, quando um corpo recebe calor, a sua temperatura se eleva. A quantidade de energia térmica Q necessária para elevar a temperatura de um corpo é proporcional à variação de temperatura e a massa do corpo: onde . C é a capacidade calorífica, que é a energiatérmica necessária para elevar de um grau a temperatura do corpo. Calor específico (c) é a razão entre a capacidade calorífica (C) e a massa do corpo: . Calor específico é a quantidade de calor necessário para elevar de 1ºC a temperatura de 1 g de uma substância. O calor específico é característico de cada substância, no caso do experimento, foi utilizada a água com c = 1 cal/gºC e o alumínio com 0.90 J/gºC. Isso significa que tivemos que dar a água 1 cal para cada grama da mesma para que elevasse sua temperatura em 1ºC. Já no caso do alumínio por ter calor específico muito menor que da água, a quantidade de calor cedido para aumentar sua temperatura em 1ºC para 1 grama do mesmo foi menor. A temperatura do alumínio aumenta mais rapidamente. 2 – Para a realização desse experimento você utilizou um importante princípio, presente em todas as áreas da Física. No caso em questão esse princípio permitiu correlacionar um processo térmico com um fenômeno elétrico. Enuncie esse princípio e explique a sua utilização nesse experimento. R: Princípio da conservação da Energia. Este princípio afirma que a energia existente em um sistema se conserva, de maneira que no caso em questão podemos relacionar que a energia cedida por uma fonte elétrica é igual a energia ganha em um processo térmico (o que acarreta em um aumento de temperatura), desprezando-se a energia dissipada para o meio. 3 – Que problemas poderiam ter causado a obtenção do valor de A acima do valor correto? E se o valor encontrado for o oposto, isto é, abaixo do valor correto? R: Variações na obtenção do valor de A podem ser causadas por perdas energéticas para o meio externo, medições erradas da massa, calor específico e na leitura da variação de temperatura. Caso o A obtido seja maior que o real, alguma das características citadas foi menor que o correspondente a realidade, de maneira que o valor de A seja compensatório. Se A for menor que o real alguma das características citadas foi maior que o real, sendo que o A novamente faz a compensação. 4 – Por que é importante cerca de 3 minutos após o desligamento do aquecedor para se tomar a medida da temperatura final da água? R: É importante esperar cerca de 3 minutos após o desligamento do aquecedor para que o termômetro entre em equilíbrio térmico com o objeto que está sendo medido (a água) registrando assim a verdadeira temperatura do sistema (a medida precisa) 5 – Por que este intervalo não pode se estender por muito tempo, p.ex. por 10 ou 15 minutos? R: Pois se este intervalo for estendido por muito tempo, o sistema (água e termômetro) passará a trocar calor com o meio externo. No experimento o calorímetro não é totalmente isolado, e isto prejudica o processo de leitura do termômetro. Conclusão O objetivo do experimento que é a determinação do equivalente calor e energia foi alcançado, pois com os cálculos alcançou-se um valor de A = 3.93 J/cal ou A = 0.254 cal/J com um desvio de 6%, sendo um valor bastante aceitável. Anexos 3/12/2007 Página � PAGE \* MERGEFORMAT �10�
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