Termoscópio de radiação -Termodinâmica

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA – UNOESC 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TERMOSCÓPIO DE RADIAÇÃO 
TERMODINÂMICA 
 
 
 
CAIO JULIO MATTIOLO, LUCAS PEREIRA, NATAN BORTOLINI, VINICIUS 
SARTORI 
 
 
 
 
 
 
 
JOAÇABA– SC 
2017 
2 
 
CAIO JULIO MATTIOLO, LUCAS PEREIRA, NATAN BORTOLINI, VINÍCIUS 
SARTORI. 
 
 
TERMOSCÓPIO DE RADIAÇÃO 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado como parte das 
exigências da disciplina de 
Termodinâmica, do curso de 
Engenharia Mecânica da Universidade 
do Oeste de Santa Catarina, Campus 
de Joaçaba. 
 
 
 
 
Docente: Cristiano Meneghini 
 
 
 
 
 
 
 
JOAÇABA– SC 
2017 
3 
 
 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................ 5 
2. OBJETIVOS .................................................................................................... 6 
3. REFERENCIAL TEÓRICO .............................................................................. 7 
3.1 TERMOSCÓPIO ........................................................................................... 7 
3.2 RADIAÇÃO ............................................................................................... 8 
3.3 RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO ............................................................ 9 
3.4 TERMOSCÓPIO DE RADIAÇÃO ........................................................... 10 
4. METODOLOGIA ............................................................................................ 11 
4.1 MATERIAIS ................................................................................................ 11 
4.2 MONTAGEM ........................................................................................... 13 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................. 15 
CONCLUSÃO ...................................................................................................... 16 
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ......................................................................... 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
Índice de ilustrações 
 
 
Figura 1-Ilustração do termoscópio de Galileu ....................................................... 8 
Figura 2- Ilustração de aquecimento atraves de radiação termica ......................... 9 
Figura 3-Espectro de emissão de corpo negro ..................................................... 10 
Figura 4-Experimento em andamento .................................................................. 10 
Figura 5-Isopor. .................................................................................................... 11 
Figura 6-Lâmpadas pintadas ................................................................................ 11 
Figura 7-Luminaria ............................................................................................... 12 
Figura 8-Durepóxi ................................................................................................. 12 
Figura 9- Tubo ...................................................................................................... 13 
Figura 10- Montagem em andamento .................................................................. 13 
Figura 11-Detalhe na montagem do tubo ............................................................. 14 
Figura 12-Montagem. ........................................................................................... 14 
Figura 13-Posição inicial do liquido ...................................................................... 15 
Figura 14-Posição do liquido durante o experimento ........................................... 15 
 
5 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Motivados para entender melhor os fenômenos termodinâmicos em sala de 
aula, a equipe teve a idéia de abordar fenômenos termodinâmicos em conjunto 
com outros fenômenos físicos buscando deixar o experimento mais elaborado e 
interativo. 
Através de pesquisas a equipe teve a idéia de fazer um termoscópio, que 
permite avaliar temperaturas não através de uma escala mas sim por comparação 
do deslocamento de uma uma substância líquida que escorre dentro de um tubo 
transparente. Procurando relacionar com outros fenômenos físicos e comprovar 
na prática as teorias estudadas, a equipe resolveu fazer um termoscópio de 
radiação, onde um bulbo de lâmpada incandescente é pintado de preto e outro 
pintado de branco, e interligados por um tubo transparente com água corada 
dentro. 
Quando exposto a uma radiação moderada num intervalo de tempo notável, o 
bulbo preto tende a sofrer um aumento de temperatura bastante considerável, 
devido ao seu forte poder de absorção, logo, o aumento da temperatura faz com 
que aumente a pressão interna do ar, já que é um sistema fechado, fazendo com 
que o líquido corado se mova do lado preto para o branco quando aquecido. 
Processo que será visto ao longo do trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
2. OBJETIVOS 
 
 
 Desenvolver os conceitos da termodinâmica, vistos em sala. 
 Desenvolver habilidade nas atividades práticas associadas aos 
fenômenos físicos; 
 Fixar o conteúdo reforçando a aprendizagem; 
 Comprovar alguns conceitos vistos em sala. 
 
7 
 
3. REFERENCIAL TEÓRICO 
 
3.1 TERMOSCÓPIO 
 
O termoscópio é um instrumento inventado por Galileu Galilei durante o 
renascimento científico em 1592, embora não se tenha certeza se foi ele que 
descobriu o princípio por trás. É composto por uma esfera oca de vidro à qual é 
conectado um tubo também de vidro. Esse instrumento permite avaliar 
qualitativamente o aumento ou a diminuição de temperatura, por meio do 
deslocamento de uma substância termométrica no interior do tubo capilar. Devido 
à pressão atmosférica que atua sobre a superfície da água, esta sobe pelo tubo 
formando uma coluna d’água. O aparelho construído por Galileu não possuía 
graduação em forma de escala. A medida da temperatura era feita pelo 
acompanhamento das variações da altura da coluna d’água. 
O princípio por trás do termoscópio envolve a relação entre a variação de 
temperatura e a variação entre outras propriedades mensuráveis do material, 
como dilatação e variação de pressão. Lembrando que o instrumento é util para 
comparar temperaturas, mas é facilmente influenciado por fatores externos, como 
a pressão atmosférica do local. Galileu utilizou um recipiente de vidro e um tubo 
com um bulbo em sua extremidade(também de vidro), preencheu o recipiente 
com água, e colocou sua mão no bulbo para aquecê-lo, fazendo assim com que o 
ar se expandisse dentro do bulbo e do tubo, consequentemente parte do ar saía. 
Após aquecido, ele submergia parte do do tubo na água que estava no 
recipiente, deixando o bulbo para cima. Depois de esfriado, o ar contido no bulbo 
tende a se comprimir, já que o tubo estava submerso, a água do recipiente sobe 
pelo tubo. O instrumento não determinava a temperatura em si, mas variações de 
temperaturas e comparações entre temperaturas. Usando dois termoscópios 
pode-se comparar a temperatura de duas coisas diferentes, sendo que quanto 
mais alto a altura da coluna de água no tubo chegar, mais quente estaria o objeto 
que foi usado para aquecer o bulbo. 
 
8 
 
Figura 1-Ilustração do termoscópio de Galileu 
 
 
 
3.2 RADIAÇÃO 
 
 Em física, radiação é a propagação de energia de um ponto a outro, 
seja no vácuo ou em qualquer meio material, podendo ser classificada como 
energia em trânsito, e podendo ocorrer atravésde uma onda 
eletromagnética ou partícula. 
As radiações podem ser emitidas tanto artificialmente em procedimentos 
médicos ou atividades industriais, quanto naturalmente, como a luz solar por 
exemplo. Independente do tipo, elas interagem com os corpos, até mesmo com o 
ser humano, e depositam neles energia. Essa interação depende do tipo da 
energia de radiação e do meio em que está se propagando. 
9 
 
Figura 2- Ilustração de aquecimento atraves de radiação termica 
 
 
3.3 RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO 
 
Apesar de quanto mais quente se encontrar um objeto mais radiação será 
emitida e maior será a freqüência média da sua radiação, o espectro de emissão 
de diferentes corpos à mesma temperatura poderá ser bastante diferente. 
Existe, no entanto, uma classe de objetos hipotéticos, denominados corpos 
negros, nos quais o espectro de emissão depende apenas da sua temperatura. 
Tal como o nome indica, um corpo negro absorve toda a radiação incidente, 
qualquer que seja a sua freqüência, direção de incidência ou estado de 
polarização. O termo corpo negro, via de regra, conduz a uma confusão, 
especialmente quando acompanhado pela afirmação vaga de que um corpo com 
características de bom absorvedor é também um bom emissor. O 'bom' depende 
do ponto de vista de cada um; para um projetista de coletores solares, um bom 
emissor é aquele que não emite de modo nenhum. 
Uma radiação de todas as freqüências é continuamente emitida pelas 
paredes, assim como absorvida e refletida. Quando é atingido o equilíbrio (isto é, 
a temperatura das paredes da cavidade não se altera com o tempo), o espectro 
da radiação no interior da cavidade real é o mesmo que o emitido por 
um hipotético corpo negro. 
Devemos frisar que todos os corpos, negros ou não, que se encontrem a 
temperaturas acima do zero absoluto emitem radiação de todas as freqüências. 
10 
 
Figura 3-Espectro de emissão de corpo negro 
 
 
Corpos negros a temperaturas compreendidas entre estes valores emitem 
radiação de todas as freqüências, mas o pico do seu espectro encontra-se na 
região de comprimentos de onda entre 8 mm e 12 mm (1 mm = 1 micrometro, que 
é uma milionésima parte do metro). 
 
3.4 TERMOSCÓPIO DE RADIAÇÃO 
 
 Nosso experimento consiste na transmissão de calor de uma lâmpada 
incandesceste para outras duas lâmpadas, uma pintada de preto e outra de 
branco, ligadas com um tubo transparente com água corada dentro. Onde a 
lâmpada preta irá absorver calor, e a branca irá repelir. 
 
Figura 4-Experimento em andamento 
 
11 
 
4. METODOLOGIA 
 
4.1 MATERIAIS 
 
 Chapa de Isopor 
 
Figura 5-Isopor. 
 
 
 Lâmpadas 
 
Figura 6-Lâmpadas pintadas 
 
 
 
12 
 
 
 Luminária. 
 
Figura 7-Luminaria 
 
 
 Durepóxi. 
 
Figura 8-Durepóxi 
 
 
 
13 
 
 Tubo de silicone transparente 
 
Figura 9- Tubo 
 
 
 
4.2 MONTAGEM 
 
Figura 10- Montagem em andamento 
 
 
 
 
 
 
 
14 
 
 
 Fixação do tubo com os bulbos. 
 
Figura 11-Detalhe na montagem do tubo 
 
 
 
 Montagem finalizada. 
Figura 12-Montagem. 
 
 
 
 
15 
 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
Inicialmente o líquido está em uma posição inicial ‘x’ e o sistema com uma 
temperatura ambiente, um volume e uma pressão definidas. Após a lâmpada de 
70 W ser ligada a temperatura do sistema aumenta, aumentando a pressão 
interna do ar e consequentemente aumentando seu volume, que faz com que a 
água corada seja empurrada, como se observa nas figuras a seguir. 
 
Figura 13-Posição inicial do liquido 
 
 
Figura 14-Posição do liquido durante o experimento 
 
 
 
16 
 
CONCLUSÃO 
 
O experimento teve os resultados esperados e a base teórica comprovada, 
uma vez que feito o experimento e relatado nas imagens anteriores se comprova 
o fenômeno físico que explica a absorção de energia dos objetos opacos e a 
reflexão em objetos claros. Finalmente foi possível comprovar o fenômeno que 
acontece em um sistema fechado quando recebe uma energia em forma de calor, 
que nesse caso foi energia calorífica que causou o aumento da temperatura e 
volume do ar empurrando o líquido para o lado da lâmpada branca. 
Após as pesquisas e aprofundamentos realizados, a equipe conclui que o 
experimento teve suma importância, contribuindo para um melhor aprendizado na 
disciplina e interação com os acadêmicos, juntamente com o professor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
 
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 
 
TERMOLOGIA: Estudo dos gases. Estudos dos gases. ca 2008. Disponível em 
<http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_30.asp>. Acesso em 24 out. 2017. 
 
NETO, Prof. Luiz Ferraz. Absorvendo radiações. 200-. Disponível em : 
<http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_30.asp>. Acesso em 24 out. 2017. 
 
NETTO, Prof. Luiz Ferraz. Absorção das radiações com PETs. 200-. Disponível 
em: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala27/27_07.asp>. Acesso em: 10 out. 
2017.