Atividade Pratica Física Termodinâmica e ondas

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Atividade Prática de Física Termodinâmica e Ondas 
 
 
 
20 Densidade e Flutuabilidade. 
 
Procedimento 
 
1- Inicie o Virtual Physics e selecione Density and Buoyancy na lista de atividades. O programa vai abrir a bancada de estudos 
sobre densidade (Density). 
 
 
 
2- Você vai medir a densidade de objetos sólidos e de vários fluidos com a intenção de tentar prever se os objetos sólidos 
afundam ou flutuam. Você também vai calcular o empuxo exercido sobre os sólidos em um dos fluidos. Ache a bola de gelo 
(Ice), entre as bolas penduradas na parede, e arraste-a para o prato da balança. Anote a massa na Tabela de dados 1. 
 
3- Use as setas para cima e para baixo no painel de controle para selecionar o fluido. Selecione o Virtual Fluid B. Este e um 
fluido virtual único usado somente neste laboratório virtual. Clique no botão Full abaixo do painel para ativar a opção de 
encher completamente o cilindro. Clique no botão Fill para despejar o fluido no cilindro de 250 mL selecionado. Você pode 
selecionar outros cilindros usando as setas verdes logo acima da “boca de saída” de fluidos. Clique na parte superior do 
cilindro para ampliar a leitura no nível do fluido (Zoom). Anote o volume do fluido virtual na Tabela de dados 1. 
 
4- Arraste a bola de gelo e solte-a na “boca” do cilindro preenchido com o fluido virtual. Clique no botão verde Drop para 
soltar a bola de gelo dentro do cilindro. O novo volume, contando fluido virtual e a bola, poderá ser lido na janela com o 
cilindro ampliado. Anote o volume na tabela. 
 
5- PERGUNTA: A partir de suas medições, como determinar o volume da bola de gelo? 
 
RESPOSTA: Volume igual Massa dividido por Densidade. 
 
6- Repita as etapas 2 a 5 para testar outras duas amostras: alumínio (Aluminium) e madeira de pinheiro (Pine Wood). Anote 
suas medições na Tabela de dados 1. 
 
7- Calcule o peso de cada objeto. Lembre-se: peso = massa × forca da gravidade (g). Use as massas em quilogramas e g = 9.8 
m/s2. 
 
 
 
Tabela de dados 1 
 Massa da 
amostra (Kg) 
Volume do 
fluido virtual 
(mL) 
Volume do 
fluido virtual 
+ amostra 
(mL) 
Volume da 
amostra (mL) 
Peso do 
sólido (N) 
Densidade 
(g/mL) 
Empuxo 
exercido pelo 
óleo (azeite) 
(N) 
Gelo 16.914 
 
228 
 
246 
 
18 143,83 0,978 21,15 
Alumínio 
 
46,602 228 250 19 488,78 2,620 91,05 
Madeira 
Pinheiro 
13,590 229 
 
250 22 133,20 0,647 27,40 
 
 
Densidade de um liquido 
 
8- Use as setas para cima e para baixo no painel de controle para percorrer as opções de fluido. Selecione etanol (Ethanol ). 
Clique no botão Full abaixo do painel para ativar a opção de encher o cilindro completamente com o fluido. Clique no 
botão Fill para despejar no cilindro a quantidade selecionada de fluido. Clique na parte superior do cilindro para ampliar a 
leitura no nível do fluido (Zoom). Anote o volume na Tabela de dados 2. 
 
9- Arraste o béquer vazio localizado em cima da bancada até a balança e anote sua massa na Tabela de dados 2. 
 
10- Pegue o cilindro preenchido com etanol e derrame o conteúdo dentro do béquer vazio. Anote a massa de etanol e do 
béquer na Tabela de dados 2. 
 
11- PERGUNTA: De que maneira podemos determinar a massa do etanol e do béquer? 
 
RESPOSTA: Devemos pesar a massa do béquer vazio pela gravidade, e o etanol devemos pesar no béquer, assim descontando o peso 
do béquer e dividindo o mesmo pela gravidade. 
 
Anote a massa do etanol na Tabela de dados 2. Clique na alavanca azul ao lado do cilindro para esvazia-lo (Empty). 
 
12- Repita as etapas 8 a 11 para obter as densidades da agua (Water) e do azeite (Olive Oil ). Anote seus resultados na Tabela 
de dados 2. 
 
Tabela de dados 2 
 Volume da 
amostra (mL) 
Massa do béquer 
vazio (g) 
Massa do béquer + 
amostra (g) 
Massa da amostra 
(g) 
Densidade (g/mL) 
Etanol 229 101,335 231,205 129,688 0,566 
Água 229 101,311 330,655 229,344 0,998 
Azeite 229 101,310 305,002 203,415 0,899 
 
 
Análise e conclusão 
 
1- Use a equação da densidade para calcular a densidade de cada amostra solida. Anote seus resultados na Tabela de dados 
1. 
 
2- Use a mesma equação para calcular a densidade dos fluidos. Anote seus resultados na Tabela de dados 2. 
 
3- O que determina se um objeto flutua ou afunda: o peso ou a densidade do objeto? Explique. 
 
RESPOSTA: Para que um material possa flutuar na água, não depende somente da massa, mas da maneira como é distribuída a 
massa no volume ocupado, isto é a sua densidade. Quanto maior for distribuída a massa ou maior for o seu volume, menos denso 
será o objeto e assim ira flutuar com maior facilidade. 
 
4- Qual solido vai flutuar no azeite? Explique. 
 
RESPOSTA: Cortiça, Madeira, Madeira de carvalho vermelho, Madeira de nogueira e Madeira de cerejeira. 
 
Calcule o empuxo exercido sobre cada um dos objetos imersos no azeite. Você já calculou o volume do fluido deslocado por cada 
objeto imerso no azeite e a densidade do azeite. Use a equação da densidade para calcular a massa do volume de azeite deslocado. 
Para calcular o empuxo, você necessita do peso do azeite deslocado em cada um dos casos. 
 
Empuxo sobre um objeto = peso do fluido deslocado = massa do fluido deslocado × g 
 
Anote seus resultados na Tabela de dados 1. Agora você consegue saber se um objeto vai afundar ou flutuar: basta comparar o peso 
do objeto e o empuxo exercido sobre ele. Se a forca de empuxo e maior do que o peso, o objeto vai flutuar, já que a forca 
empurrando o objeto para cima (empuxo) e maior do que a forca empurrando o objeto para baixo (peso). Compare as duas forças 
para prever quais objetos vão flutuar. 
 
RESPOSTA: Gelo expurgo = 21,10 N < Peso 143,8 vai afundar. 
 
5- Teste suas previsões. Preencha três cilindros com azeite e coloque um objeto em cada cilindro e para observar se eles 
flutuam ou afundam (você pode soltar as três bolas ao mesmo tempo usando All). 
 
6- O que aconteceria se o cilindro fosse preenchido com agua e azeite ao mesmo tempo? 
 
RESPOSTA: Água e azeite ficam separados, o azeite por cima provando que é mais denso. 
 
Preencha um dos cilindros com metade de azeite e metade de agua para testar sua previsão. Clique no botão ½ no controle de 
distribuição antes de clicar em Fill, assim você conseguira preencher o cilindro pela metade com azeite. Em seguida, selecione a agua 
como fluido e clique em Fill novamente, para preencher a outra metade do cilindro. 
 
7- O que você observaria se os três sólidos e os três líquidos fossem misturados no mesmo cilindro, ao mesmo tempo? Liste 
os sólidos e líquidos na ordem em que eles estariam dispostos no cilindro, de cima para baixo. Explique como você 
determinou essa ordem. 
 
RESPOSTA: Líquidos dos menos denso aos mais denso, sendo Álcool, Água e Mercúrio. Sólidos dos menos denso aos mais denso, 
sendo Madeira, Gelo e Ferro. 
 
 
21 Pressão e volume de gases. 
 
Procedimento 
 
1- Inicie o Virtual Physics e selecione Pressure and Volume of a Gas na lista de atividades. O programa vai abrir a bancada de 
estudos sobre gases (Gases). O balão na câmara está preenchido com um gás a temperatura de 25 °C. A pressão do gás e 
de 100 kPa e o volume do balão e de 7 436 cm3. 
 
 
 
2- Você irá aumentar a pressão do balão. O que você imagina que acontecera com o volume do balão? 
 
RESPOSTA: Imagino que irá diminuir o balão. 
 
3- Observe a pressão e o volume inicial do gás e anote-os na tabela abaixo. Agora clique no número 1 da janela de pressão 
(Pressure). O digito deve ficar verde. Digite “2” para alterar a pressão para 200 kPa. Anote a pressão e o novo volume na 
tabela. Repita esse passo, agora aumentando pressão para 300 kPa. Continue aumentando a pressão de 100 em 100 kPa 
até atingir a pressão de 700 kPa, sempre preenchendo a tabela. 
 
Pressão(Kpa) Volume(cm3) 
100 7435 
200 3718 
300 2479 
400 1860 
500 1488 
600 1240 
700 1062 
 
Análise e conclusão 
 
1- Faça um gráfico utilizando os dados da tabela. Identifique o eixo horizontal com Pressão (kPa) e o eixo vertical com Volume 
(cm3). 
 
 
 
2- Seus resultados corroboraram o que você havia previsto? 
 
RESPOSTA: Correto a pressão foi aumentando e a pressão diminuindo. 
 
3- A relação entre pressão e volume e linear ou não linear? 
 
RESPOSTA: Não é linear, quando a pressão aumenta para 100 KPa o volume cai de 7000 cm3 para 3000 cm3. 
 
Diminua a pressão do balão para testar sua previsão. Arraste a alavanca do controlador de pressão para baixo até que o digito das 
dezenas fique azul; segure a alavanca nessa posição. Isso vai diminuir a pressão. O que acontece com o volume do balão? Qual a 
relação entre volume e pressão? 
 
RESPOSTA: São inversamente proporcionais, quando aumentamos a pressão o volume diminui, e diminuindo a pressão o volume 
aumenta. 
 
 
22 Calor específico de metais. 
 
Procedimento 
 
1- Inicie o Virtual Physics e selecione Specifi c Heat of Metals na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de 
calorimetria (Calorimetry). 
 
 
2- Meça o calor específico do alumínio (Al) e de aço inoxidável, dois metais comuns. Para que não haja confusão sobre a 
amostra que e testada, anote seus resultados na tabela. Clique no Lab book para abri-lo. Anote a massa, em gramas, da 
amostra de alumínio (Aluminum) que está na balança. Se não conseguir visualizar o valor, clique na balança (Balance) para 
ampliar e, depois, clique em Zoom out para retornar a bancada. 
 
3- Arraste a amostra de alumínio da balança para o forno (Oven). O forno está programado para aquecer até 200 °C (não se 
esqueça de clicar na porta para fecha-lo). 
 
4- O calorímetro localizado no centro da mesa foi preenchido com 100 mL de agua. A densidade da agua a 25 °C e de 0.998 
g/mL. Determine a massa da agua utilizando os dados de densidade e volume. Anote os dados na tabela a seguir. 
Certifique-se de que o agitador está ligado (você deve ver a haste rodando). Clique na janela do termômetro para traze-la a 
frente e, em seguida, clique em “Save” para registrar seus dados. Deixe o termômetro na agua de 20 a 30 segundos para 
obter uma temperatura base para a agua. 
 
5- Clique no forno para abri-lo. Arraste a amostra de alumínio do forno até que seja colocada acima da tampa preta do 
calorímetro e, então, solte-a. Clique nas janelas do termômetro e do gráfico para traze-las para frente e observe a 
mudança de temperatura até que um valor constante seja atingido. Espere mais 20-30 segundos e aperte Stop na janela do 
termômetro. Um link de dados vai aparecer em seu Lab book. Clique no link e anote na tabela os dados de temperatura 
antes de adicionar o alumínio e a temperatura máxima atingida depois de o ter adicionado. (Lembre-se de que a agua 
começara a esfriar após atingir a temperatura de equilíbrio). 
 
6- Repita o experimento com a amostra de aço inoxidável. Clique na lixeira vermelha no canto esquerdo da tela para limpar a 
bancada (Cleanup Lab Bench). Clique no almoxarifado (Stockroom) parar entrar. Clique duas vezes no calorímetro de Dewar 
para move-lo para o balcão. Clique no armário de amostras metálicas (Metals) e abra a última gaveta clicando nela; as 
amostras estão organizadas alfabeticamente. Clique duas vezes na amostra de aço (Steel) para seleciona-la e então clique 
em Zoom Out. Clique duas vezes na placa de Petri com a amostra selecionada (Stainless Steel) para leva-la ao balcão. 
Retorne ao laboratório. 
 
7- Mova a placa de Petri com a amostra até a região realçada ao lado da balança. Clique na balança (Balance) para aproximar 
e, em seguida, clique em Tare para zerar a balança. Coloque a amostra de metal no prato da balança e anote a massa na 
tabela a seguir. Retorne a bancada. 
 
8- Clique duas vezes no calorímetro para posiciona-lo adequadamente na bancada. Clique na porta do forno para abri-lo e 
arraste a amostra de aço para dentro dele. Clique novamente na porta do forno para fecha-la. Mude a temperatura do 
forno para 200 °C clicando diversas vezes no botão acima do digito da dezena. Encha a proveta com 100 mL de agua 
segurando-a embaixo da torneira até que ela retorne a bancada. Coloque a agua no calorímetro. Ligue o agitador (Stir) e o 
termômetro. Clique no botão “Graph” e, em seguida, em Save. Mova a amostra do forno e coloque-a no calorímetro. Siga 
os mesmos procedimentos realizados com a amostra de alumínio para obter o valor da temperatura de equilíbrio. Anote 
suas observações na tabela abaixo. 
 Alumínio Aço 
Massa de metal (g) 7,355 23,338 
Volume de água (mL) 100 100 
Massa de água (g) 99,9 99,8 
Temperatura inicial da água (°C) 25 25 
Temperatura inicial do metal (°C) 200 200 
Temperatura máxima da água + amostra (°C) 27,3 29,2 
Calor especifico (J/[g . °C]) 0,22 0,12 
 
 
Análise e conclusão 
 
1- Determine a variação de temperatura da água 
RESPOSTA: 2,27 °C 
 
2- Calcule o calor (Q) adquirido pela agua utilizando a seguinte equação: 
 
 
3- Determine a variação de temperatura do alumínio 
RESPOSTA: 4,2 °C 
 
4- Sabendo que o calor adquirido pela agua e igual ao calor perdido pelo metal (e, por isso, o Q e negativo), calcule o calor 
especifico do alumínio. 
Note que: 
 
 
 
Resolvendo a equação acima para o calor especifico, temos: 
 
 
 
Anote seus resultados na tabela. 
 
5- Calcule o calor especifico para o aço e anote-o na tabela. 
 
6- O calor especifico e uma maneira numérica de expressar a quantidade de calor necessário para aquecer uma substancia 
por 1 °C. O calor necessário para aquecer uma substancia com calor especifico baixo e menor do que o calor necessário 
para aquecer uma substancia com calor especifico alto. Descreva o que aconteceria com a temperatura de uma lata de aço 
e de uma lata de alumínio ao retira-las do congelador. Inclua o conceito de calor especifico na sua discussão. 
RESPOSTA: No meu entender, a temperatura do aço aumenta mais rápido pois o calor especifico 0,12 é menor que o calor especifico 
do alumínio 0,22, precisando de uma quantidade menor de energia para ser aquecido. 
 
7- Muitas panelas são feitas de aço ou alumínio. Discuta qual tipo de panela seria melhor. 
RESPOSTA: Segundo os pesquisadores as panelas de ferro são melhores por liberarem ferro nos alimentos durante o cozimento, mas 
são piores em conduzir calor do que as panelas de alumínio. Segundo os pesquisadores, por ser reciclável o alumínio se torna melhor 
que o ferro em uso de panelas. Por sua vez, as panelas de alumínio liberam o alumínio para os alimentos sendo prejudicial para a 
saúde humana. Mas em geral, a maioria das panelas são de alumínio, pois conduzem calor de maneira rápida e eficiente. 
 
8- Você acabou de calcular o calor especifico de dois metais comuns. Agora observe diferenças no calor de outra maneira. 
RESPOSTA: Segundo as pesquisas a agua atingirá a maior temperatura mais rápido pois seu calor específico é 1 e o do aço é 0,12, por 
isso o aço acaba necessitando de uma quantidade maior de energia para ser aquecido. 
 
9- Desenhe e execute um experimento para testar sua hipótese. Resuma seu experimento e informe seus resultados. Observe 
também o resfriamento da agua pura e da amostra de agua com aço. Descreva as diferenças no resfriamento dessas duas 
amostras. 
RESPOSTA: 
Massa da agua: 1000g 
Q= mc∆t= 1000.1.25 = 25000 
Massa do aço 1000g 
Aquece até 50°C 
Temperatura ambiente de ambos 25°C 
Calor especifico da água = 1 
Calor especifico do aço = 0,12 
 
 
23 Mudanças de estado físico. 
 
Procedimento 
 
1- Inicie o Virtual Physics e selecione Phase Changes na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de 
calorimetria (Calorimetry).2- O experimento está montado com um calorímetro simples preenchido com 65 mL de agua a temperatura ambiente. Ha um 
béquer ao lado da balança. Clique na balança e arraste o béquer colocando-o sobre ela. Aperte o botão “tare” para tarar a 
balança. Arraste o béquer novamente para a mesa e clique em Zoom out. Clique no balde verde de gelo (Ice) para abri-lo. 
Clique com o pegador de gelo dentro do balde, arraste até o béquer e solte o gelo. Clique no botão “Save” da janela do 
termômetro para registrar os dados de temperatura. Clique na balança para aproximar e, em seguida, arraste o béquer 
sobre ela. Anote, no espaço abaixo, a massa de gelo. Observe a variação na temperatura enquanto o gelo resfria a agua e 
derrete. 
RESPOSTA: Massa do gelo = 23,688 
 
3- Retorne a bancada (Zoom out), leve o béquer até o calorímetro para colocar o gelo no copo. Clique no relógio identificado 
como Accelerate, na parede do laboratório, para acelerar o tempo. Clique em Lab book para abri-lo e então clique na 
janela do gráfico para traze-la para a frente. 
 
 
4- Observe o gráfico de temperatura da mistura gelo + agua em função do tempo até o momento em que a temperatura 
começa aumentar devido ao aquecimento da agua (depois de uns 4 minutos). 
 
5- Agora você ira aquecer a agua e observar a variação de temperatura enquanto a agua se torna vapor. Ligue o aquecedor 
(Heat) clicando no interruptor verde/vermelho (On/Off ) no painel de controle. Observe os gráficos de temperatura da 
agua em função do tempo na janela no gráfico até que comece a sair vapor do calorímetro. Anote essa temperatura, que e 
da agua fervendo, na tabela a seguir. Continue observando o gráfico por mais 2 minutos e clique Stop na janela do 
termômetro. 
 
6- Clique no barômetro (Barometer) - localizado na parede, a esquerda da placa verde Exit - para visualizar a pressão 
atmosférica. Anote o valor na Tabela de dados. A pressão e dada em Torr, que e uma das unidades de pressão usada por 
cientistas. (760 Torr = 101.3 kPa). 
 
 
Ponto de evaporação Pressão ao evaporar 
99,99 °C 101,3 KPa 
 
 
7- Deve ter surgido um link azul em seu Lab book. Clique nele para visualizar os dados de temperatura. 
 
Análise e conclusão 
 
1- No espaço indicado, faça o gráfico da temperatura da agua em função do tempo. Use os dados do link em seu Lab book. 
Não e preciso utilizar todos os pontos; escolha alguns pontos críticos do gráfico. Identifique os eixos e o momento em que 
o gelo foi adicionado, separando a parte em que a mistura era composta por agua e gelo daquela em que havia apenas 
agua liquida. Também identifique o momento em que o aquecedor foi ligado e o momento em que a agua começou a 
passar do estado liquido para o estado gasoso. Lembre-se de usar uma escala adequada. 
 
 
 
 
 
2- Quais estados físicos existem dentro do calorímetro a 0 °C? 
RESPOSTA: Sólido e líquido. 
3- O que aconteceu com a temperatura enquanto ainda havia gelo na agua? Por que? 
RESPOSTA: A temperatura manteve os 0 °C. 
 
4- O que aconteceu com a temperatura depois que o gelo derreteu? Por que? 
RESPOSTA: Começou a aumentar a temperatura. Enquanto tiver água e gelo no mesmo tempo quanto um como outro 
permanecerão a 0 °C. 
 
5- O aquecedor continuou ligado após a agua atingir seu ponto de evaporação. O que aconteceu com a temperatura da agua 
nesse momento? 
RESPOSTA: A temperatura permaneceu constante variando de 99,99 °C até 101 °C no máximo. 
 
6- A pressão típica, normal, do ar no nível do mar e de 760 Torr. Essa pressão pode variar •}15 Torr dependendo do clima. Por 
exemplo, a pressão diminui em meio a uma tempestade e aumenta quando o clima está bom, com o céu limpo. O ponto de 
evaporação da agua com pressão normal e de 100 °C. A partir de suas observações sobre o ponto de evaporação e a 
pressão do ar, o que você conclui? 
RESPOSTA: Quanto maior a altitude mais baixa a temperatura que a agua precisa para evaporar devido ser mais baixa que a pressão 
atmosférica. 
 
7- Qual mudança de estado físico necessitou de mais energia? Explique. 
RESPOSTA: Calor latente. 
 
O comportamento das substâncias durante as mudanças de fases pode ser interpretado pelos seguintes fatos: 
 
Primeiro fato: Para passar da fase liquida para a fase sólida, 1g de água precisa perder 80cal. Da mesma maneira para derreter 1g de 
gelo precisa ganhar 80cal. 
 
Segundo fato: Se a água está a 100 °C, cada grama precisa ganhar 540cal para passar para a fase gasosa, e cada grama de vapor 
precisa perder 540cal para ir para a fase líquida. 
 
Outras substancias também possuem valores fixos de quantidade de calor de 1g da substancia precisa ganhar ou perder para mudar 
de uma fase para outra. Essa quantidade de calor é denominada latente e é representada pela letra L. 
 
Temos que L é o calor latente indicado em cal/g. 
 
Usaremos: 
 
Lf = calor latente de fusão 
Lv = calor latente de vaporização 
Ls = calor latente de solidificação 
Lc = calor latente de condensação 
 
Adotaremos: 
 
Calor latente de fusão do gelo (a 0 °C): 
Lf = 80 cal/g. 
Calor latente de solidificação da água (a: 0 °C): 
Ls = - 80 cal/g. 
Calor latente de vaporização da água ( a 100 °C): 
Lv = 540 cal/g. 
Calor de condensação do vapor ( a 100 °C): 
Lc = - 540 cal/g. 
 
Aplicações: 
 
01. Um bloco de gelo de massa 600g encontra-se a 0 °C. Determine a quantidade de calor que se deve fornecer a massa para que ela 
transforme totalmente em água a 0 °C. Dado: Lf = 80 cal/g. 
 
Solução: 
 
A quantidade de calor que devemos fornecer ao bloco de gelo é para que ele se transforme totalmente em água a 0 °C; logo: 
 
Q = mLf -> 600.80 -> Q = 48000 cal = 48 kcal. 
 
02. Um bloco de alumínio de 500g está a uma temperatura de 80 °C. Determine a massa de gelo a 0 °C que é preciso colocar em 
contato com o alumínio para se obter um sistema alumínio -agua a 0 °C. 
 
Dados: calor específico do alumínio = 0,21 cal/g. °C; calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g. 
 
Solução: A massa do gelo que se funde provoca a diminuição até 0 °C do bloco de alumínio, logo: 
 
Qgelo + Qaluminio = 0 -> m1Lf + m2c (tf – ti) = 0 
 
M1 x 80 + 500 x 0,21 x (0 – 80) = 0 -> m1 = 105g