Atividade Prática Termodinâmica e Ondas

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Física - Termodinâmica e Ondas 
A. Pereira – RU: 1381537 
Centro Universitário Uninter 
PAP Capanema – Endereço do Pap. – CEP: 85760-000 – Capanema – Paraná – Brasil 
e-mail: autielle@outlook.com 
 
Este trabalho visa apresentar os experimentos realizados no laboratório virtual, utilizando o software Virtual 
Physics Lab. 
 
Palavras chave: Densidade, Flutuabilidade, Pressão, Volume, Calor específico, Mudanças de estado. 
 
 
Introdução 
 
Este trabalho contém os resultados das 
atividades contidos nos experimentos, conforme 
descritos abaixo: 
 
• Lab 20 - Densidade e Flutuabilidade; 
• Lab 21 - Pressão e Volume de Gases; 
• Lab 22 - Calor Especifico de Metais; 
• Lab 23 - Mudanças de Estado Físico. 
 
Para a realização destes experimentos, iremos 
utilizar o Virtual Physics Lab para observar e 
analisar os resultados, de forma a obter dados 
suficientes capaz de responder, de forma 
técnica, as questões sugeridas nos roteiros dos 
experimentos. 
 
Descrição dos experimentos: 
 
Lab 20 - Densidade e Flutuabilidade 
 
O objetivo deste experimento, é aprender a 
determinar quando um corpo irá flutuar ou 
afundar, quando este for imerso em algum 
fluído. 
 
Ao iniciar o experimento, a bancada de trabalho 
apresentada contém os seguintes elementos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Onde, 
 
1 – Depósito de bolas constituídas de materiais 
adversos; 
 
2 – Béquer vazio; 
 
3 – Provetas; 
 
4 – Selecionador de fluídos. 
 
Procedimento experimental – Lab 20. 
 
Será medido a densidade de objetos sólidos e 
de vários fluidos com a intenção de tentar prever 
se os objetos sólidos afundam ou flutuam. Será 
determinado também o empuxo exercido sobre 
os sólidos em um dos fluidos. 
 
Neste primeiro momento, será utilizado um 
fluído específico, trata-se de um fluído virtual 
único usado somente no laboratório virtual, será 
usado também, três amostras de objetos de 
diferentes materiais e com propriedades físicas 
e químicas diferentes entre si. 
 
Cada amostra será disposta em uma proveta 
contendo o fluído em questão, onde será 
observado o comportamento do objeto neste 
ambiente. As tabelas 1 e 2 apresentam os 
resultados tirados das leituras. 
 
Step 1: 
 
Inicialmente cada amostra foi pesada na 
balança de precisão e, sabendo-se que a 
aceleração da gravidade é aproximadamente 
g=9,8 m/s², foi possível determinar a força peso 
das amostras: P=g.m. 
 
Ao despejar o líquido nas provetas, seu volume 
inicial foi registrado, em seguida a amostra foi 
inserida nas provetas, alterando naturalmente o 
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volume apresentado, que foi novamente 
anotado. A diferença entre o ‘volume final’ e o 
‘volume inicial’ nos deu o volume da amostra. 
Sua densidade foi calculada através da relação 
entre a massa e o volume da amostra. 
 
O resultado deste step pode ser analisado na 
Tabela 1. 
 
Step 2: 
 
Nesta etapa foram escolhidas três amostras de 
fluídos diferentes que foram inseridos nas 
provetas e tiveram seu volume inicial anotado. 
 
Um béquer de massa conhecida teve seu 
volume preenchido por cada líquido e pesado 
novamente, que por sua vez teve sua massa 
registrada. 
 
A relação entre a massa do ‘béquer + amostra’ 
e ‘massa do béquer vazio’, nos forneceu a 
massa do fluído. 
 
O resultado deste step pode ser analisado na 
Tabela 2. 
 
Análise e conclusão – Lab 20 
Com esse experimento, foi possível observar 
que a densidade tem papel relevante na 
determinação do comportamento de um objeto 
imerso em um fluído. Pois uma amostra menos 
densa que a densidade do fluído irá flutuar. 
Dentre as amostras estudadas, a única que 
flutua no azeite é a amostra de madeira 
(pinheiro), pois este elemento apresenta uma 
densidade menor do que a densidade do fluído, 
tendo então 73,5% do seu corpo submerso no 
fluído. 
Caso o cilindro fosse preenchido com água e 
azeite ao mesmo tempo, a água por ser mais 
densa iria decantar e o azeite permaneceria na 
parte superior da proveta, fazendo com que a 
amostra de madeira fique submersa. 
No entanto, se todos os materiais fossem 
misturados juntos na mesma proveta, sua 
disposição seria a seguinte: 
A água por ser mais densa estaria na base da 
proveta e o azeite por ser menos densa estaria 
na superfície. O etanol iria se misturar com as 
duas substâncias, mas por ser o menos denso 
de todos, sua homogeneização mais 
predominante seria com o azeite. 
As esferas estariam dispostas conforme abaixo: 
 Onde, 
 MADEIRA (PINHO) 
 ALUMÍNIO 
GELO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TABELA 1 
AMOSTRA 
MASSA DA 
AMOSTRA (kg) 
VOLUME DO 
FLUÍDO VIRTUAL 
(mL) 
VOLUME DO 
FLUÍDO VIRTUAL 
+ AMOSTRA(mL) 
VOLUME DA 
AMOSTRA (mL) 
PESO DO SÓLIDO 
(N) 
DENSIDADE 
(g/mL) 
EMPUXO 
EXERCIDO PELO 
ÓLEO DE OLIVA 
(AZEITE) (N) 
GELO 17,675 228,0 246,0 18,0 173,215 0,884 158,05 
ALUMÍNIO 55,369 228,0 250,0 22,0 542,616 2,517 193,17 
MADEIRA 
(PINHEIRO) 
9,230 228,0 242,0 14,0 90,454 0,659 122,93 
 
TABELA 2 
AMOSTRA 
VOLUME DA AMOSTRA 
(mL) 
MASSA DO BÉQUER 
VAZIO (kg) 
MASSA DO BÉQUER + 
AMOSTRA (kg) 
MASSA DA AMOSTRA 
(kg) 
DENSIDADE (g/mL) 
ETANOL 228,0 101,310 231,607 130,297 0,571 
ÁGUA 228,0 101,310 328,280 226,97 0,995 
AZEITE 226,0 101,310 303,874 202,564 0,896 
 
 
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Lab 21 - Pressão e Volume de Gases 
 
O objetivo deste experimento, é observar o 
comportamento de um balão que está 
preenchido com um gás à uma temperatura de 
25ºC e à uma pressão de 100 kPa. 
 
Ao iniciar o experimento, a bancada de trabalho 
apresentada contém os seguintes elementos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Procedimento experimental – Lab 21 
 
A pressão do balão foi aumentada 
progressivamente até a pressão de 700 kPa, 
naturalmente o volume do balão foi alterado, 
sendo reduzido conforme pode ser observado 
abaixo: 
 
Pressão (kPa) Volume (cm³) 
100 7436 
200 3718 
300 2478 
400 1859 
500 1487 
600 1239 
700 1062 
Tabela 1 
 
Gráfico 1 
Como pode se observar no gráfico, a relação 
entre pressão e volume não é linear. 
 
Caso a pressão fosse diminuída, o volume do 
gás iria aumentar. No experimento realizado, o 
balão aumentou gradativamente até que o 
volume do gás não pode ser comportado pelo 
balão, fazendo com que o balão estourasse. 
 
Análise e conclusão – Lab 21 
Com este experimento foi possível inferir o 
comportamento dos gases. Os gases são 
elementos que possuem átomos dispersos 
entre si, onde a pressão e a temperatura 
influem diretamente no volume do mesmo. 
 
 
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Lab 22 - Calor Especifico de Metais 
O objetivo deste experimento é comparar o 
calor específico da água com o calor de alguns 
metais comuns e tirar conclusões relacionadas 
à aplicação dessas propriedades.Ao iniciar o 
experimento no Virtual Lab, o programa 
apresenta a bancada de calorimetria, conforme 
abaixo: 
A proposta aqui é verificar o comportamento da 
amostra no âmbito da termologia. 
Procedimento experimental – Lab 22 
 
Foi realizado a comparação de duas amostrasde metais diferentes para este experimento: 
alumínio e aço inoxidável. 
 
As amostras são pesadas e em seguida 
aquecidas à 200ºC em um forno. 
 
Paralelamente, é adicionado 100mL de água a 
um misturador, onde foi possível observar a 
temperatura do fluído. Na sequência, as 
amostras foram retiradas do forno e 
adicionadas separadamente ao misturador, 
onde novamente foi possível observar a 
temperatura máxima que o fluido atingiu em um 
intervalo de aproximadamente 30s. 
 
O quadro abaixo apresenta os resultados que 
foram possíveis extrair através desse 
experimento: 
 
 ALUMÍNIO AÇO 
Massa de metal (g) 7,3548 23,3374 
Volume de água (mL) 100 100 
Massa de água (g) 99,8 99,8 
Temp. inicial água (ºC) 25 25 
Temp. inicial metal (ºC) 200 200 
Temp.máx água+amostra (ºC) 27,22 29,03 
Calor específico (J/[g.ºC]) 0,897 0,60 
 
 
 
 
Análise e conclusão – Lab 22 
 
Com a realização deste experimento, foi 
possível observar a variação da temperatura da 
água, conforme abaixo: 
 
✓ Com adição do alumínio: 
ΔTágua = 2,22ºC 
 
✓ Com adição do aço inoxidável: 
ΔTágua = 4,03ºC 
 
O calor adquirido pela água em ambas 
situações, pode ser calculado conforme abaixo: 
 
✓ Com adição do alumínio: 
 
Q = m x ∆t x C 
Q = 99,8 x 2,2 x 4,184 
Q = 918,64 J 
 
✓ Com adição do aço inoxidável: 
 
Q = m x ∆t x C 
Q = 99,8 x 4,03 x 4,184 
Q = 1682,78 J 
 
Também foi possível analisar que o calor 
específico é uma maneira numérica de 
expressar a quantidade 
de calor necessário para aquecer uma 
substância por 1 °C. 
 
Nos experimentos realizados, encontrou-se os 
seguintes resultados: 
 
✓ Para o alumínio: 
 
-Q = m x ∆t x C 
-918,64 = 7,3548 x (30,70 – 200) x C 
C = 0,738 J 
 
✓ Para o aço inoxidável: 
 
-Q = m x ∆t x C 
-1682,78 = 23,3374 x (29,03 – 200) x C 
C = 0,422 J 
 
A energia necessária para aquecer 
uma substância com calor específico baixo é 
menor do que a energia necessária para 
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aquecer uma 
substância com calor específico mais elevado. 
 
Desta forma, a temperatura de uma lata 
de aço, por exemplo, entraria em equilíbrio com 
o ambiente mais rapidamente em relação à 
uma lata de alumínio ao retirá-las do 
congelador após o mesmo período de tempo, 
pois o calor específico do aço é menor que o 
calor específico do alumínio, tornando sua 
capacidade de trocas térmicas mais rápida. 
 
As aplicações deste experimento podem ser 
observadas diariamente no cotidiano das 
pessoas. Atualmente encontra-se no mercado, 
diversos tipos de panelas, fabricadas de aço ou 
alumínio por exemplo. Baseado nesse 
experimento e tendo em visa a finalidade 
principal de aquecer determinado alimento, a 
panela fabricada de aço é mais eficiente, pois 
aquece o alimento mais rapidamente, visto sua 
facilidade de trocas térmicas. 
 
Experimento: 
Se aplicarmos a mesma quantidade de calor à 
determinada massa de água e à mesma massa 
total de água e aço, qual amostra atingirá 
temperaturas mais altas? 
 
Para responder este questionamento, devemos 
observar que a variação de temperatura é 
relativamente proporcional ao calor específico 
das amostras, para comprovarmos essa 
análise, vamos utilizar a fórmula abaixo: 
 
Q = m x ∆t x C 
 
Considerando: 
 
Q = 1000 J 
Mtotal = 99,8 g 
Cágua = 0,738 J 
Caço = 0,422 J 
 
Resultados: 
 
✓ Amostra 1: Somente água: 
 
Q = m x ∆t x C 
1000 = 99,8 x ∆t x 0,738 
∆t = 13,58ºC 
 
 
 
✓ Amostra 2: Água + Aço: 
 
Q = m x ∆t x C 
1000 = (49,8 x ∆t x 0,738) + (50,0 x ∆t x 0,422) 
1000 = 36,75∆t + 21,1∆t 
∆t = 17,29ºC 
 
Como pode ser comprovado pelos cálculos 
acima, a amostra 2 obteve a maior variação da 
temperatura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Física - Termodinâmica e Ondas 
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Centro Universitário Uninter 
 
Lab 23 - Mudanças de Estado Físico 
 
 
 
O objetivo deste experimento é observar as 
mudanças do estado físico da água e tirar 
conclusões relacionadas à suas propriedades. 
Ao iniciar o experimento no Virtual Lab, o 
programa apresenta a bancada de calorimetria, 
conforme abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Procedimento experimental – Lab 23 
 
Foi observado o comportamento da água em 
seus três estados físicos (Sólido, Líquido e 
Gasoso), no que tange sua percepção 
mediante às alterações térmicas. Com base 
nos resultados foi elaborado um gráfico a fim de 
melhor avaliar o estudo. 
Ao longo de todo o experimento, os dados 
‘tempo’ e ‘temperatura’ foram registrados. 
Em um calorímetro há 65mL de água no estado 
líquido à temperatura ambiente de 25°C. A este 
calorímetro foi adicionado gelo que, ao longo do 
tempo alterou a temperatura da então amostra 
combinada ‘líquido + gelo’, chegando à 
temperatura de 0°C. Após atingir tal 
temperatura, foi ligado o aquecedor, fazendo 
com que a amostra chegasse ao seu ponto de 
ebulição. 
Ponto de ebulição Pressão ao ebulir 
100,19 °C 765 Torr 
 
O gráfico 2 apresenta a temperatura da água 
em função do tempo: 
 
 
Análise e conclusão – Lab 23 
 
Observando o gráfico, nota-se que a 
temperatura interna caiu quando o gelo foi 
adicionado. Isso ocorre porque a água troca 
calor com o gelo, fazendo com que o líquido 
dentro do calorímetro atingisse a temperatura 
mínima da água, alterando seu estado físico à 
0°C, tornando-se totalmente sólida (gelo). Após 
alguns segundos (no gráfico, 70s a 80s), ocorre 
a troca térmica entre o calorímetro e o gelo, e 
dá-se início ao degelo. 
 
Ao ligar o aquecedor, a troca térmica foi 
acelerada, pois houve a adição de calor, 
acelerando a mudança do estado físico da água 
para o estado líquido, que na sequência entrou 
em ebulição, tonando-se vapor. Após atingir a 
ebulição, a temperatura da água tornou-se 
estável, atingindo o ápice de 100,19°C. 
 
Considerando que a pressão típica do ar no 
nível do mar é de 760 Torr, com uma variação 
de ±15 Torr dependendo do clima, é possível 
afirmar que este experimento foi realizado em 
uma localidade no nível do mar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gráfico 2