Transferência de calor

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Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé
	
	
	Curso: 
	Disciplina: 
CCE0848 - FÍSICA EXPERIMENTAL II
	Turma: 3083
	
	
	Professor (a): 
CARLOS EDUARDO BARATEIRO
	Data de Realização:
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Nome do Aluno (a): 
Kethlyn Sales Maia
Maristela Rocha da Silva
Lorenna Batista Viana
Fellipe Fragoso de Luna
Rodrigo Coimbra de Moura
	Nº da matrícula: 
201501385879
2015 12470091
201602141363
201602039704
201505580188
	Experimento: Transferência de calor 
OBJETIVOS 
Ao término dessa atividade o aluno deverá ter competência para: a) identificar, comparar e classificar as formas de propagação de calor; b) reconhecer que o calor, para se propagar, necessita de uma diferença de temperatura entre as regiões de escoamento; c) mencionar que o fluxo térmico sempre se verifica no sentido das temperaturas decrescentes.
7.2 DOCUMENTOS AUXILIARES 
Apresentação Conceitos de Conhecimentos Científicos
Apresentação Erros e Incertezas
Apresentação Unidade de Medidas
Apresentação Instrumentos de Medição: Conceitos Básicos
Apresentação Técnicas de Montagem de Relatórios
7.3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
No final do século XVIII, existiam duas hipóteses alternativas sobre o calor. A hipótese mais aceita considerava o calor como uma substância fluida indestrutível que “preencheria os poros” dos corpos e escoaria de um corpo mais quente a um mais frio. Lavoisier chamou esta substância hipotética de “calórico”. A implicação era que o calor pode ser transferido de um corpo a outro, mas a quantidade total de “calórico” se conservaria, ou seja, existiria uma lei de conservação de calor. A hipótese rival, endossada entre outros por Francis Bacon e Robert Hooke, foi assim expressa por Newton em 1704: “O calor consiste num minúsculo movimento de vibração das partículas dos corpos”. A principal dificuldade estava na “lei de conservação do calórico”, pois a quantidade de calórico que podia ser “espremida para fora” de um corpo por atrito era ilimitada. Com efeito, em 1798, Rumford escreveu: “Foi por acaso que me vi levado a realizar as experiências que vou relatar agora...Estando ocupado ultimamente em supervisionar a perfuração de canhões nas oficinas do arsenal militar de Munique, chamou-me a atenção o elevado grau de aquecimento de um canhão de bronze, atingido em tempos muito curtos, durante o processo de perfuração...A fonte de calor gerado por atrito nestas experiências parece ser inesgotável ... e me parece extremamente difícil de conceber qualquer coisa capaz de ser produzida ou transmitida da forma como o calor o era nestas experiências, exceto o movimento. Rumford foi levado a endossar a teoria alternativa de que “...o calor não passa de um movimento vibratório que tem lugar entre as partículas do corpo”.
A transferência de calor de um ponto a outro de um meio se dá através de três processos diferentes: convecção, radiação e condução. A convecção ocorre tipicamente num fluido, e se caracteriza pelo fato de que o calor é transferido pelo movimento do próprio fluido, que constitui uma corrente de convecção. Um fluido aquecido localmente em geral diminui de densidade e por conseguinte tende a subir sob o efeito gravitacional, sendo substituído por um fluido mais frio, o que gera naturalmente correntes de convecção. O borbulhar da água fervente em uma panela é o resultado de correntes de convecção. A radiação transfere calor de um ponto a outro através da radiação eletromagnética. A radiação térmica é emitida de um corpo aquecido e ao ser absorvida por outro corpo pode aquecê-lo, convertendo-se em calor. O aquecimento solar é uma forma de aproveitamento da radiação solar para a produção de calor. Um ferro em brasa emite radiação térmica e aquece a região que o rodeia. A condução de calor só pode acontecer através de um meio material, sem que haja movimento do próprio meio. Ocorre tanto em fluidos quanto em meios sólidos sob o efeito de diferenças de temperatura.
A radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.
 A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra, sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor. Consequentemente, a condução só é importante entre a superfície da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio de transferência de calor para a atmosfera como um todo a condução é o menos significativo e pode ser omitido na maioria dos fenômenos meteorológicos.
A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido. Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da superfície da Terra para a troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os polos. O calor é também transportado horizontalmente na atmosfera, por movimentos convectivos horizontais, conhecidos por advecção. O termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera.
Quando colocamos uma panela com água no fogo, ele começa a aquecer a água. Esse processo inicial de aquecimento se dá por condução de calor, e a parte na superfície da água vai sendo aquecida paulatinamente. No entanto a taxa de aquecimento da água no fundo da panela é maior do que a taxa de aquecimento da água na superfície. A água entre o fundo e a superfície não dá conta da condução do calor que é comunicado através do fogo. Começam a se formar no fundo bolsões de água mais quentes que a vizinhança, e esses bolsões começam a subir para a superfície. Nesse instante a convecção passa a ser o processo principal de condução de calor na panela. E isso acontece por causa da incapacidade da água conduzir calor de maneira adequada nesta panela sobre o fogo. 
7.4 MATERIAIS 
Conjunto Demonstrativo EQ051
Vela de cera comum 
Quatro Esferas Metálicas
Cronômetro 
Régua
Termômetro
Lamparina
PROCEDIMENTOS
Instrumentos de Medição
Inicie anotando os dados dos instrumentos que serão utilizados no experimento.
Demonstrando o Processo de Condução
Preparar a montagem mostrada na figura ao lado: com a vela acesa, pingue gotas de parafina na barra nos pontos já marcados e em cada posição fixe uma esfera em cada ponto. 
Anote as distâncias de cada esfera até o ponto de fixação da barra.
Com a barra horizontalmente no suporte, deixe as esferas voltadas para baixo;
Com a lamparina acesa, faça o aquecimento da extremidade livre da barra anotando os tempos que levam para que cada esfera se desprenda da barra.
Demonstrando o processo de Convecção
Preparar a montagem descrita ao lado fixando a ventoinha acima da lâmpada e ambas envoltas pelo anteparo.
 Ligue a lâmpada e observe a ventoinha movimentar-se.
Demonstrando o processode Radiação
Faça a montagem mostrada na figura ao lado fixando o termômetro no anteparo. 
Meça a temperatura inicial indicada pelo termômetro; 
Ligue a lâmpada por cinco minutos (cronometrado), anotando a temperatura final; 
Desligue a lâmpada;
Esfrie o termômetro e o envolva com um papel alumínio, fixando-o com elásticos;
Repita o experimento anotando a temperatura após cinco minutos.
Desligue a lâmpada;
Esfrie o termômetro e o envolva com um papel preto, fixando-o com elásticos
Repita o experimento anotando a temperatura após cinco minutos.
DADOS MEDIDOS
	
	Modelo
	Fabricante
	Num Série
	Faixa de medição
	Resolução
	Dados do cronometro
	X
	X
	X
	X
	0,01s
	Dados do termômetro
	X
	X
	X
	X
	0,1oC
	Dados da régua 
	X
	X
	X
	X
	1mm
	
	Posição da esfera
	Incerteza da medição da Posição
	Tempo para desprendimento
	Incerteza da medição do tempo
	Posição 1
	4 cm
	0,5mm
	0:22
	0,05s
	Posição 2
	5,5 cm
	0,5mm
	1:50
	0,05s
	Posição 3
	7 cm
	0,5mm
	2:40
	0,05s
	Posição 4
	8,5 cm
	0,5mm
	6:19
	0,05s
	
	Temperatura inicial
	Temperatura após cinco minutos
	Incerteza da medição de temperatura
	Termômetro livre 
	25oC
	58oC
	0,5oC
	Termômetro com papel alumínio 
	26oC
	44oC
	0,5oC
	Termômetro com papel preto
	26oC
	57oC
	0,5oC
	Termômetro com papel branco 
	27oC
	47oC
	0,5oC
CONCLUSÕES
Para o experimento 7.5.2 e com base nas medições do tempo x distância responda aos seguintes questionamentos:
Como se justifica o fato das esferas se desprenderem sequencialmente?
Fenômeno observado no experimento em questão foi o calor por condução. Como o mesmo é transmitido de forma linear de partícula à partícula constituinte do material que era aquecido e como as esferas estavam de forma sequencial foram se soltando a medida que o calor ia se aproximando do lugar onde estavam fixadas pela cera que as prendia na barra que estava sendo aquecida diretamente e continuamente ao longo do experimento pela fonte geradora de calor.
Qual a função da cera e das esferas utilizadas no experimento? 
A cera tinha mais de uma finalidade se for analisar o contexto em sentido amplo, um era fixar cada esfera de forma sequencial à barra que sofria diretamente o processo de aquecimento pela fonte geradora de calor, mas também servia como condutora de calor entre a barra e as esferas fixadas de forma sequencial por ela. Como a cera sofreu uma mudança de estado físico essa condução de calor entre a barra e as esferas fixadas pela cera a ela foi interrompida, pois a mudança de estado físico da cera gerou um rápido desprendimento das esferas de forma sequencial.
É possível a esfera colocada na posição 2 se desprender antes da posição 1? Justifique sua resposta.
Não, pois todas as esferas recebiam de forma sequencial o calor transferido pelo fenômeno da condução de calor que atua de forma linear, partícula a partícula. Logo, o processo se fosse refeito, dentro das mesmas condições, seria exatamente o mesmo. A esfera presa a barra pela cera e que estivesse mais próximo da fonte geradora de calor que aquecia a barra se desprenderia sempre primeiro e as demais de forma sequencial, uma após a outra, evidenciando que o calor que era transmitido era de fato de forma linear através do fenômeno da condução de calor.
Como é denominada essa forma de transferência de calor e qual sua principal característica?
O fenômeno observado foi a transmissão do calor por condução. Sua principal característica é o calor ser transferido sempre de forma linear partícula à partícula do material que esteja sofrendo esse fenômeno.
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
Não foram observadas diferenças significativas na realização de cada análise isolada do mesmo evento estudado que possam ser julgadas como discrepantes.
Para o experimento 7.5.3 e com base nas suas observações responda aos seguintes questionamentos:
O que acontece com a molécula de ar frio que se encontra próximo da lamparina acesa?
A molécula de ar frio é aquecida pela energia térmica liberada pela lamparina (radiação), tornando-se menos densa.
Com base no princípio de Arquimedes, justifique o movimento de subida da molécula aquecida de ar.
A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido
Justifique o movimento da ventoinha. 
Devido às correntes de ar em movimento geradas pelo fenômeno de convecção observado, a ventoinha girou, indicando que o ar menos denso circulava por entre as pás da ventoinha
Como se denomina a maneira do calor se propagar e qual a sua principal característica? 
Neste experimento, o calor propagou-se por convecção, o que ocorre somente em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias. 
A ventoinha inicialmente utilizada estava danificada, não se movimentando conforme esperado. Após orientação do professor, a ventoinha foi trocada e pode-se observar características do fenômeno estudado, tornando o experimento e seus resultados satisfatórios.
Para o experimento 7.5.4 e com base nas medições das temperaturas responda aos seguintes questionamentos:
De onde veio a energia térmica capaz de provocar a elevação de temperatura indicada no termômetro? 
Veio da lâmpada através da irradiação, ondas eletromagnéticas liberadas pela lâmpada até chegar ao termômetro.
Caso não houvesse ar (moléculas) entre a lâmpada e o termômetro, poderíamos verificar o mesmo efeito? Justifique! 
Sim, pois a luz da lâmpada se propaga mesmo no vácuo.
Como é denominada a maneira de o calor se propagar e qual sua principal característica? 
Radiação, sua característica é poder se propagar até mesmo no vácuo.
Algumas lâmpadas possuem a parte traseira espelhada. Procure justificar a função da superfície espelhada na parte de trás da lâmpada;
Essas partes espelhadas servem para minimizar a perda de energia térmica por irradiação.
Qual a influência da cor dos papeis utilizados na temperatura do termômetro? Justifique.
As cores mais escuras tendem a absorver mais calor e enquanto por exemplo as mais claras absorvem menos. No experimento por exemplo, após 5 minutos o termômetro com o papel preto media 57oC e com o mesmo tempo o termômetro com papel branco media 45oC.
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
Os resultados obtidos foram satisfatórios e não houve muitas discrepâncias, a partir da utilização correta dos dados no S.I