Relatório de Física Experimental: Dilatação Linear

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Universidade Estácio De Sá. Niterói-RJ
 02 de Novembro.
 2017/3° SEMESTRE.
Relatório de Física experimental ll
 Professor: 
 
 
 
 
 Título: Dilatação Linear (Termodinâmica).
 
 
 
 
 Grupo: 
 
 
 SUMÁRIO
INTRODUÇÃO/CONTEUDO 	4
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS	9
MATERIAIS UTILIZADOS..........................................................................................10
CONCLUSÃO	11
BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................12	
Conteúdo
Introdução
Este relatório contém experiências realizadas no laboratório de física, com o objetivo de rever os conceitos básicos de termodinâmica, tais como: temperatura e calor. Os objetivos específicos foram de determinar o calor especifico de um material, o cálculo da dilatação linear, além de aprender a manipular aparelhos que fazem a medição da dilatação e temperatura.
Na dilatação térmica de sólidos, o experimento teve como objetivo determinar a dilatação e o coeficiente de dilatação Linear de um corpo.
Na determinação do calor especifico de um material, o experimento teve como objetivo determinar o calor especifico do material que constituiu o corpo de prova e a transformação de unidades de cal/gºC para o utilizado no SI(J/kgºC).
Exemplos: Na informática, coolers que utilizam bases de cobre e dissipadores de alumínio, pois facilitam a dissipação do calor; o primeiro absorve quantidades maiores de calor que o alumínio, porém são mais caro e mais difícil de trabalhar, sem estes games, sistemas operacionais e até periféricos como mouse e teclado parando de responder de uma hora para outra simplesmente pelo excesso de calor, até CD’s não devem ser expostos diretamente ao sol quente ou outras fontes de calor, pois o calor pode fundir a camada reflexiva, inutilizando o CD entre diversas outras aplicações na informática em que a termodinâmica esta presente.
Em outras áreas, (a Física, a Química, a Construção civil, Engenharia, Biomedicina e etc.) o estudo da influência do calor nos corpos tem bastante relevância, como um exemplo, pode-se citar a física e a química, ciências cujas tem interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos físicos e químicos da matéria além de usar os princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da mesma. Outra área que se destaca também é a de construção civil, pois é de extrema importância saber a magnitude da dilatação dos materiais utilizados, por exemplo, pontes sustentadas por cabos de aço, neste tipo de obra a intensidade da dilatação dos cabos pode afetar a estrutura da mesma, causando até mesmo o seu desabamento. Os trilhos de trem são projetados baseados no valor do coeficiente de dilação do metal utilizado, por isso sempre há um pequeno espaçamento entre eles, evitando assim o provável descarrilamento dos vagões que por ali circularão. É por essa razão que a construção de pontes, edifícios e estradas de ferro, por exemplo, utiliza “folgas”, chamadas de juntas de dilatação. As juntas previnem trincas e rupturas causadas pela dilatação térmica dos materiais de construção.
Fundamentação teórica
Introdução a termodinâmica:
A grosso modo, pode-se dizer que a termodinâmica estuda os efeitos da mudança de temperatura, pressão e volume em sistemas físicos. Segundo Halliday (2001, p.141) a termodinâmica ”estuda a energia térmica (frequentemente chamada de energia interna)de sistemas.O conceito central da termodinâmica é a temperatura.”.
Temperatura e suas escalas de medida
A palavra temperatura é muito conhecida devido às noções de quente e frio estabelecidas pelos sentidos do corpo humano, porém essa sensação de temperatura não é cem por cento confiáveis até porque cada material tem sua capacidade de absorção de calor variando entre as maiores e as menores. Como exemplo Halliday(2001,p.141) compara uma barra de metal e uma estaca de madeira em um dia frio:
“Em um dia frio de inverno, por exemplo, um corrimão de ferro parece estar muito mais frio ao toque do que uma estaca de uma cerca de madeira, apesar de ambos estarem a mesma temperatura.Este erro ocorre porque o ferro remove a energia dos nossos dedos mais rapidamente do que a madeira.”
A temperatura pode ser definida como  uma medida de agitação das partículas que compõe certo material, ela pode ser medida em diversas escalas, dentre as mais usadas estão:
Celsius,centígrado ou centesimal (°C) : Nome dado em homenagem ao astrônomo sueco Anders Celsius(1701–1744), que foi o primeiro a sugeri-la ;segundo Halliday(2001,p.143):
‘’Em praticamente todos países do mundo,a escala Celsius(antigamente chamada de escala centigrada) é a escala que foi escolhida para uso popular e comercial,e também no uso científico.Temperaturas Celsius são medidas em graus e o grau Celsius possui o mesmo tamanho que o kelvin.Entretanto,o zero da escala Celsius esta deslocado para um valor mais conveniente do que o zero absoluto.Se  representar uma temperatura em Celsius e T uma temperatura em Kelvin,então:
Ao expressarmos temperaturas na escala Celsius, usamos normalmente o símbolo e graus.
Fahrenheit (°F): escala de temperatura proposta por Daniel Gabriel Fahrenheit,segundo Tipler, Paul Allen (2000, p.505):
“A escala de temperatura Fahrenheit (que é usada em muitos países de língua inglesa)define a temperatura do ponto do felo como 32°F e a do ponto de vapor como 212°F.**Para converter as temperaturas na escala Fahrenheir para a escala Celsius basta considerar que são 100 os graus Celsius e 180 os da escala Fahrenheit entre o ponto do gelo e o ponto do vapor da água.Então,uma variação de temperatura de um grau Celsius é igual a uma variação de temperatura 1,8=9/5 graus Fahrenheit.Para fazer a conversão da temperatura numa escala em outra,temos que levar em conta também,que ao zeros das duas escalas não coincidem.A relação geral entre uma temperatura na escala Fahrenheit e a mesma temperatura na escala Celsius  é:kelvin (k): Segundo Halliday(2001,p.141):
“Apesar de aparentemente a temperatura de um corpo não ter limite superior,ela possui um limite inferior; este limite inferior de temperatura é tomado como zero da escala de temperatura kelvin.A temperatura ambiente é de cerca de 290 kelvins,ou 290k,como escrevemos acima deste zero absoluto[...]”
Relação entre as escalas termométricas:
Figura 1 – Escalas de temperatura
Processos térmicos e o calor
Segundo o site  ”Processos térmicos são sistemas dinâmicos que de alguma maneira estabelecem relações de troca de calor de uma substancia para a outra”portanto,para que estes ocorram é indispensável a presença do calor,definido por Serway(2004,p.589) como um mecanismo pelo qual a energia é transferida entre um sistema e seu ambiente por causa de uma diferença de temperatura entre eles.É também a quantidade de energia Q transferida por esse mecanismo”.
Unidades de calor
Segundo Serway (2004,p.590):
“No inicio do desenvolvimento da termodinâmica. A caloria(cal) era definida como o calor necessário para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5°C para 15,5°.*(a”Caloria”,com C maiúsculo,usada para descrever o índice de energia dos alimentos,é realmente uma quilocaloria.)Do mesmo modo, a unidade de calor no sistema inglês,a unidade térmica britânica(British thermal unit,BTU),era definida como o calor necessário paraelevar a temperatura de 1 libra de água de 63°F para 64°F.Em 1948,os cientistas concordaram, que o calor(assim como o trabalho PE uma medida de transferência de energia,a sua unidade no SI deveria ser o joule.A caloria é definida agora como sendo exatamente 4,186J: ”
Calor específico
O calor específico representa a quantidade de energia necessária para elevar de 1 0C a temperatura de 1 g da substância considerada.Segundo Serway(2004,p.591):
“Cada substancia requer uma quantidade única de energia por unidade de massa para mudar em 1,0°C a temperatura dessas substancias. Suponha que uma quantidade da energia Q é transferida para uma massa m de uma substancia,mudando desse modo sua temperatura em .O calor especifico c da substancia é definido como  .As unidades de calor especifico são J/kg°C.[...]A partir da definição de caloria,o calor especifico da água é 4186J/kg°C.Partindo dessa definição,podemos expressar a energia Q transferida entre um sistema de massa m e suas vizinhanças em termos da mudança de temperatura
resultante  como .”
Calorimetria
Serway(2004,p.593) afirma que calorimetria é:
“Uma técnica para medir o calor especifico de um solido ou de um liquido é elevar a temperatura da substancia para algum valor,coloca-la em um recipiente contendo água de massa e temperatura conhecidas e medir a temperatura da combinação depois que o equilíbrio for alcançado.Definiremos o sistema como a substancia e a água.Se o recipiente for supostamente um bom isolante,de modo que a energia não deixe o sistema pelo calor(e pó nenhum outro meio), então podemos usar o modelo de sistema isolado.Os recipientes que tem essa propriedade são chamados de calorímetros e a analise executada usando tais recipientes é chamada de calorimetria.”
Calores de transformação
Segundo Halliday(2001,p.149) :
“Quando a energia e absorvida na forma de calor por um solidam ou por um liquido, a temperatura de amostra não se eleva necessariamente”. Em vez disso, a amostra pode mudar de uma fase, ou estado para outra. A matéria pode existir em três estados comuns: no estado solido, as moléculas de uma amostra estão presas em uma estrutura razoavelmente rígida pela sua atração mutua. No estado liquido, as moléculas possuem mais energia e se movimentam mais de um lado para o outro. Elas podem formar pequenos agrupamentos por alguns instantes, mas a amostra não possui uma estrutura rígida e pode escoar ou se ajustar a forma de um recipiente. No estado gasoso ou de vapor, as moléculas possuem ainda mais energia, estão livres umas das outras e podem encher todo o volume de um recipiente.
Fundir um solido significa mudá-lo do estado solido para o estado liquido.O processo exige energia porque as moléculas do solido precisam ser libertadas da sua estrutura rígida.Derreter um cubo de gelo para formar água liquida é um exemplo comum.Congelar um liquido para formar um solido é o inverso da fusão e exige que se remova energia do líquido,de modo que as moléculas possam se acomodar em uma estrutura rígida.
Vaporizar um liquido significa muda-lo do estado liquido para o estado gasoso ou de vapor.Este processo,como a fusão,exige energia,pois as moléculas do liquido devem ser libertadas de seus agrupamentos.Ferver água liquida para transforma-la em vapor d’agua (um gás de moléculas de água individuais)é um exemplo comum.Condensar um gás para formar um liquido é o inverso da vaporização;isto exige que se remova energia do gás, de modo que as moléculas possam se agrupar em vez de se afastarem umas das outras.
A quantidade de energia por unidade de massa deve ser transferida sob a forma de calor quando a amostra sofre completamente uma mudança de fase é chamada de calor de transformação L.Assim,quando uma amostra de massa m sofre completamente uma mudança de fase,a energia total transferida é .
Quando a mudança de fase é de liquido para gás (então a amostra deve absorver calor) ou de gás para liquido (então a amosra deve liberar calor),o calor de transformação é chamado de calor de vaporização 
Quando a mudança de fase é de sólido para líquido (então a amostra deve absorver calor) ou de liquido para solido (então a amostra deve liberar calor),o calor de transformação é chamado de calor de fusão .”
Dilatação Térmica
Praticamente todas as substâncias, sejam sólidas, líquidas ou gasosas, dilatam-se com o aumento da temperatura e contraem-se quando a mesma é diminuída. A dilatação de cada corpo dependendo do material com que é feito ocorre de uma maneira diferente, pois cada um tem um coeficiente de dilatação próprio.A dilatação de um corpo ocorre em todas suas dimensões,podendo ser:linear,superficial ou volumétrica;entretanto neste será aprofundado apenas a teoria sobre a primeira pois foi a ocorrida durante o experimento.Halliday(2001,p.145) afirma :
“Se a temperatura de uma haste metálica de comprimento L for elevada de uma quantidade ∆T,verifica-se que o seu comprimento aumenta de uma quantidade  onde α é uma constante chamada de coeficiente de expansão linear.O coeficiente α possui a unidade “por grau” ou”por kelvin” e depende do material.Embora α varie um pouco com a temperatura,para a maioria das aplicações práticas ele pode ser considerado constante para um determinado material.[...]A expansão térmica de um sólido é semelhante a uma ampliação fotográfica tridimensional.”
Procedimentos Experimentais:
Após ligar o vaporizador, regula o equipamento.
Ao perceber que através da saída do tubo de borracha ocorre o inicio da ebulição, vincula-o a extremidade esquerda da barra de alumínio e acopla na outra extremidade o termômetro para medir a temperatura da água que esta no interior da mesma.
Anotam os resultados para cálculos posteriores. 
Fórmulas utilizadas durante o experimento:
 
Desvio médio, Desvio Padrão, Gráfico, Coeficiente angular e Dilatação Linear. 
Determinação do calor específico de um material
Cuidados Iniciais
Inicialmente, observa-se de maneira geral, o funcionamento do equipamento utilizado.
Zerar o termômetro.
Evitar fazer qualquer movimento brusco que possa causar vibrações na superfície onde esta o aparelho, o que consequentemente causa maiores erros na medida.
MATERIAIS :
Dilatômetro
Suporte
Vaporizador
Tubo flexível de borracha
Termômetro
Imagens:
Bibliografia:
 http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap3/cap3-2.html
http://www.ee.pucrs.br/~gacs/new/disciplinas/ci/apostilas/Aula08A1.pdf
; HALLIDAY, David. Fundamentos de física. V. II , 6ª ed.; LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., 2002.
JEWETT, John W. Jr. Princípios de Física V II, 3 ed ; São Paulo: Pioneira Thompson Learning, 2004.