Física Termodinâmica e Ondas Atividade Prática Vinicius França

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20 – Densidade e Flutabilidade
Vinicius França Silva
Centro Universitário Uninter
Pap – Rua Das Palmeiras, 430, Jardim Primavera – CEP: 78550-380 – Sinop - MT - Brasil
e-mail: vi0789@hotmail.com.br
Objetivo
Aprender a distinguir quando um objeto irá boiar ou afundar.
Introdução
Eureca! De acordo com uma lenda popular, no século III a.C., o matemático grego Arquimedes descobriu que havia uma relação entre a quantidade de água deslocada pelo seu corpo ao entrar em uma banheira e o empuxo que o fazia se sentir mais leve dentro da água. Foi a partir dessa descoberta que o princípio de Arquimedes foi descrito. Esse princípio afirma que “um corpo imerso em um fluido sofre um empuxo igual ao peso do volume de fluido deslocado pelo corpo”. Por que alguns corpos flutuam e outros afundam? A resposta depende da densidade do corpo e do fluido em que ele é imerso. Densidade é a massa de um corpo por unidade de volume. A equação matemática para densidade é: 
densidade = massa/volume ou d = m/V
A resposta para a pergunta acima também depende do volume de fluido deslocado pelo corpo. A forma do corpo afeta o volume de fluido deslocado — o que explica por que um bloco sólido de ferro afunda, enquanto a mesma massa de ferro em forma de um barco flutua.
Procedimento
Ao iniciar o Virtual Physics e selecionar Density and Buoyancy na lista de atividades o programa abriu a bancada de estudos sobre densidade (Density). 
Então foi medida a densidade de objetos sólidos e de vários fluidos com a intenção de tentar prever se os objetos sólidos afundam ou flutuam. Também foi calculado o empuxo exercido sobre os sólidos em um dos fluidos. Foi pego bola de gelo (Ice), entre as bolas penduradas na parede, e foi arrastada para o prato da balança. A massa foi anotada na Tabela de dados 1. As setas para cima e para baixo no painel de controle serve para selecionar o fluido. Foi selecionado o Virtual Fluid B. Este é um fluido virtual único usado somente neste laboratório virtual. Foi clicado no botão Full abaixo do painel para ativar a opção de encher completamente o cilindro. Foi clicado no botão Fill para despejar o fluido no cilindro de 250 mL. Pode selecionar outros cilindros usando as setas verdes logo acima da “boca de saída” de fluidos. Foi clicado na parte superior do cilindro para ampliar a leitura no nível do fluido (Zoom). O volume do fluido virtual foi anotado na Tabela de dados 1.
Foi arrastada a bola de gelo e solta na “boca” do cilindro preenchido com o fluido virtual. Foi clicado 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. Foi anotado o volume na tabela.
A partir de suas medições, como determinar o volume da bola de gelo?
R: Volume = Massa / Densidade
Foi repetido as etapas 2 a 5 para testar outras duas amostras: alumínio (Aluminium) e madeira de pinheiro (Pine Wood). Foi anotado as medições na Tabela de dados 1. 
Foi calculado o peso de cada objeto. Lembrando: peso = massa × força da gravidade (g). Foi usado as massas em quilogramas e g = 9.8 m/s2.
	Tabela de Dados 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
	0,01531
	227
	243
	16
	0,15
	0,9573
	0,135
	Alumínio
	0,04286
	227
	244
	17
	0,42
	2,5211
	0,157
	Madeira
(pinheiro)
	0,01008
	227
	242
	15
	0,0988
	0,6718
	0,129
Densidade de um líquido
Pode-se usar as setas para cima e para baixo no painel de controle para percorrer as opções de fluido. Foi selecionado etanol (Ethanol). Foi clicado no botão Full abaixo do painel para ativar a opção de encher o cilindro completamente com o fluido. Após foi clicado no botão Fill para despejar no cilindro a quantidade selecionada de fluido. Então foi clicado na parte superior do cilindro para ampliar a leitura no nível do fluido (Zoom). Foi anotado o volume na Tabela de dados 2.
Foi arrastado o béquer vazio localizado em cima da bancada até a balança e anotado sua massa na Tabela de dados 2. 
Foi pego o cilindro preenchido com etanol e derramado o conteúdo dentro do béquer vazio. Foi anotado a massa de etanol e do béquer na Tabela de dados 2. 
De que maneira podemos determinar a massa do etanol e do béquer?
R:O Béquer basta pesar ele vazio e dividir pela gravidade, já o etanol pesa ele com o béquer e desconta o valor do béquer depois divide pela gravidade e descobre a massa dele.
Foi repetido as etapas 8 a 11 para obter as densidades da água (Water) e do azeite (Olive Oil) e anotado seus resultados na Tabela de dados 2.
	Tabela de Dados 2
	Amostra
	Volume da Amostra (mL)
	Massa do
béquer vazio (g)
	Massa do béquer +
amostra (g)
	Massa da amostra (g)
	Densidade (g/mL)
	Etanol
	227
	101.310
	230.882
	129.572
	0,571
	Água
	228
	101.310
	329,271
	227.961
	0,9998
	Azeite
	227
	101.310
	304.102
	202,792
	0,8933
Análise e Conclusão
Foi usado a equação da densidade para calcular a densidade de cada amostra sólida, a anotado seus resultados na Tabela de dados 1. 
Foi usada a mesma equação para calcular a densidade dos fluidos, anotado seus resultados na Tabela de dados 2.
O que determina se um objeto flutua ou afunda: o peso ou a densidade do objeto? Explique.
R: Para que um material flutue num fluído depende da distribuição da massa pelo volume ocupado que é a densidade, ou seja, quanto maior o volume menos denso será o objeto e ele flutuará.
Qual sólido vai flutuar no azeite? Explique.
R: A madeira de pinheiro, devido sua densidade.
Foi calculado o empuxo exercido sobre cada um dos objetos imersos no azeite. E já foi calculado o volume do fluido deslocado por cada objeto imerso no azeite e a densidade do azeite. Foi usada a equação da densidade para calcular a massa do volume de azeite deslocado. Para calcular o empuxo, necessita do peso do azeite deslocado em cada um dos casos.
Empuxo sobre um objeto = peso do fluido deslocado = massa do fluido deslocado × g 
Foi anotado seus resultados na Tabela de dados 1. Agora se pode saber se um objeto vai afundar ou flutuar: basta comparar o peso do objeto e o empuxo exercido sobre ele. Se a força de empuxo é maior do que o peso, o objeto vai flutuar, já que a força empurrando o objeto para cima (empuxo) é maior do que a força empurrando o objeto para baixo (peso). 
Compare as duas forças para prever quais objetos vão flutuar.
R: Gelo – 0,135 N < Peso 0,15 N vai afundar.
 Alumínio – 0,157 N < Peso 0,42 N vai afundar
 Madeira – 0,129 N > Peso 0,0988 N não afunda.
Preenchendo três cilindros com azeite e colocando um objeto em cada cilindro da para observar se eles flutuam ou afundam (pode soltar as três bolas ao mesmo tempo usando All). 
O que aconteceria se o cilindro fosse preenchido com água e azeite ao mesmo tempo?
R: A água e o azeite ficariam separados, o azeite em cima por ser menos denso.
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.
R: Lí quido – Etanol / Azeite / Água – na sequência do menos denso para o mais denso. 
Sólido – Madeira / Gelo / Alumínio – na sequência do menos denso para o mais denso. 
21 – Pressão e Volume de Gases
Objetivo
Descobrir como o volume de um balão, preenchido com gás, é afetado ao exercermos diferentes pressões sobre ele.
Introdução
O filósofo e teólogo Robert Boyle estudou as propriedades dos gases no século XVII. Ele percebeu que os gases se comportavam como molas. Ao comprimir ou expandir, os gases tendem a voltar ao seu volume original. Boyle estudou a relação entre a pressão e o volume de um gás e resumiu seus resultados no que hoje são as chamadas deleis de Boyle. Neste experimento, você terá a oportunidade de fazer observações parecidas com as de Robert Boyle, ao alterar a pressão de um gás e observar como isso afeta seu volume.
Procedimento
Ao iniciar o Virtual Physics foi selecionado Pressure and Volume of a Gas na lista de atividades. O programa abriu a bancada de estudos sobre gases (Gases). O balão na câmara está preenchido com um gás à temperatura de 25 °C. A pressão do gás é de 100 kPa e o volume do balão é de 7 436 cm3.
Ao aumentar a pressão do balão. O que imagina que acontecerá com o volume do balão?
R:Iria diminuir o volume do balão.
Foi observado a pressão e o volume inicial do gás e anotado na tabela abaixo. Então foi clicado no número 1 da janela de pressão (Pressure). O dígito ficou verde. Foi digitado “2” para alterar a pressão para 200 kPa. Sendo anotado a pressão e o novo volume na tabela. Foi repetido esse passo, agora aumentando pressão para 300 kPa, continuando a aumentar a pressão de 100 em 100 kPa até atingir a pressão de 700 kPa, sempre preenchendo a tabela.
	Pressão (kPa)
	Volume (cm³)
	100
	7436
	200
	3718
	300
	2478
	400
	1859
	500
	1487
	600
	1239
	700
	1062
Análise e Conclusão
Segue um gráfico utilizando os dados da tabela. Sendo o eixo horizontal a Pressão (kPa) e o eixo vertical o Volume (cm3 ).
Seus resultados corroboraram o que você havia previsto?
R: Sim, a pressão foi aumentando e o volume diminuindo.
A relação entre pressão e volume é linear ou não linear?
R: Não são lineares, pois a pressão aumenta de 100 em 100 e já o volume varia sem uma constância.
O que aconteceria com o volume de um gás se diminuíssemos a pressão?
R: Aumentaria o volume.
Foi diminuída a pressão do balão para testar a previsão. Foi arrastada a alavanca do controlador de pressão para baixo até que o dígito das dezenas ficasse azul; foi segurada a alavanca nessa posição. Para diminuir a pressão. O que acontece com o volume do balão? Qual a relação entre volume e pressão?
R: Aumentando a pressão o volume diminui e diminuindo a pressão o volume aumenta, são inversamente proporcionais. 
22 – Calor Específico de Metais
Objetivo
Comparar o calor específico da água com o de alguns metais comuns e tirar conclusões relacionadas à aplicação dessas propriedades.
Introdução
É refrescante pular em uma piscina em um dia quente de verão porque a água está mais fresca que o ar e o chão ao seu redor. Isso pode parecer estranho, já que o Sol está aquecendo tanto a água quanto o chão, e sugere que algumas substâncias necessitam de mais calor para aumentar sua temperatura em relação a outras. A quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 g de certa substância em 1 °C é o que chamamos de calor específico dessa substância. A água, por exemplo, tem calor específico de 4.18 J/(g · °C). Neste experimento, você vai comparar o calor específico de metais comuns com o calor específico da água. Você também vai observar como o calor específico afeta a variação de temperatura de uma substância.
Procedimento
Foi iniciado o Virtual Physics e selecionado o Specifi c Heat of Metals na lista de experimentos. O programa abriu a bancada de calorimetria (Calorimetry).
Foi medido o calor específico do alumínio (Al) e do aço inoxidável, dois metais comuns. Para que não ocorresse confusão sobre a amostra que foi testada, foi anotado seus resultados na tabela. A massa também foi anotada, em gramas, da amostra de alumínio (Aluminum) que está na balança. Foi arrastada a amostra de alumínio da balança para o forno (Oven). O forno está programado para aquecer até 200 °C. O calorímetro localizado no centro da mesa foi preenchido com 100 mL de água. A densidade da água à 25 °C é de 0.998 g/mL. Foi determinada a massa da água utilizando os dados de densidade e volume e anotado os dados na tabela.
Foi certificado de que o agitador estava ligado (deve ver a haste rodando). Foi clicado na janela do termômetro para trazê-la à frente e, em seguida, foi clicado em Save para registrar seus dados. Foi deixado o termômetro na água de 20 a 30 segundos para obter uma temperatura base para a água.
Foi clicado no forno para abri-lo, e arrastado a amostra de alumínio do forno até que fosse colocada acima da tampa preta do calorímetro e, então, solta. Foi clicado nas janelas do termômetro e do gráfico para trazê-las para frente e observei a mudança de temperatura até que um valor constante fosse atingido. Esperei mais 20-30 segundos e apertei Stop na janela do termômetro. Um link de dados apareceu em seu Lab book. Cliquei no link e anotei na tabela os dados de temperatura antes de adicionar o alumínio e a temperatura máxima atingida depois de ter adicionado. (Lembrando que a água começa a esfriar após atingir a temperatura de equilíbrio).
Foi repetido o experimento com a amostra do aço inoxidável. Foi clicado na lixeira vermelha no canto esquerdo da tela para limpar a bancada (Cleanup Lab Bench). Foi clicado no almoxarifado (Stockroom) parar entrar. Foram clicados duas vezes no calorímetro de Dewar para movê-lo para o balcão. Foi clicado no armário de amostras metálicas (Metals) e aberta a última gaveta clicando nela; as amostras estão organizadas alfabeticamente. Foi clicado duas vezes na amostra de aço (Steel) para selecioná-la e então foi clicado em Zoom Out. Foi clicado duas vezes na placa de Petri com a amostra selecionada (Stainless Steel) para levá-la ao balcão. Foi retornado ao laboratório (Return to Lab). Foi movida a placa de Petri com a amostra até a região realçada ao lado da balança. Foi clicado na balança (Balance) para aproximar e, em seguida, clicado em Tare para zerar a balança. Foi colocada a amostra de metal no prato da balança e anotado a massa na tabela. Foi retornado à bancada (Zoom Out). Foi clicado duas vezes no calorímetro para posicioná-lo adequadamente na bancada. Foi clicado na porta do forno para abri-lo e arraste a amostra de aço para dentro dele. Foi clicado novamente na porta do forno para fechá-la. Então foi mudada a temperatura do forno para 200 °C clicando diversas vezes no botão acima do dígito da dezena. Foi preenchida a proveta com 100 mL de água segurando-a embaixo da torneira até que ela retornasse à bancada. Foi colocada a água no calorímetro. E ligado o agitador (Stir) e o termômetro. Foi clicado no botão Graph e, em seguida, em Save. Foi movida a amostra do forno e colocada no calorímetro. Foi seguido os mesmos procedimentos com a amostra de alumínio para obter o valor da temperatura de equilíbrio. E foi anotado as observações na tabela abaixo.
	
	Alumínio
	Aço
	Massa de Metal (g)
	7,3547
	23,3373
	Volume de Água (mL)
	100
	100
	Massa de Água (g)
	99,8
	99,8
	Temperatura Inicial da Água (ºC)
	25
	25
	Temperatura Inicial do Metal (ºC)
	200
	200
	Temperatura Máxima da Água + amostra (ºC)
	27,39
	29,20
	Calor Específico (J/[g · °C])
	0,786
	0,44
Análise e Conclusão
Determine a variação de temperatura da água (Delta T água).
R: 27,39 – 25 = 2,39 Para o Alumínio
 29,20 – 25 = 4,20 Para o Aço
Calcule o calor (Q) adquirido pela água utilizando a seguinte equação: 
Q água = m água ⋅ Delta T água ⋅ c água, dado c água = 4.184 J/(g °C)
R: Para o Alumínio
 Q = 99,8 x 2,39 x 4,184 = 997,98
 Para o Aço
 Q = 99,8 x 4,2 x 4,184 = 1753, 76
Determine a variação de temperatura do alumínio (Delta T Al) e o Aço.
R: 200 – 27,39 = 172,61 Para o Alumínio
 200 – 29,20 = 170,80 Para o Aço
Sabendo que o calor adquirido pela água é igual ao calor perdido pelo metal (e, por isso, o Q é negativo), calcule o calor específico do alumínio e do aço. 
Note que: 
Q água = –Q Al = m Al ⋅ Delta T Al ⋅ c Al
Resolvendo a equação acima para o calor específico, temos:
c Al = Q metal / (m metal) (Delta T metal)
c Al = 997,98 / 7,3546 . 172,61 = 0,786 J
c Aço = 1753,76 / 23,3374 x 170,80 = 0,44 J
Anote seus resultados na tabela.
Foi calculado o calor específico para o aço e anotado na tabela.
O calor específicoé uma maneira numérica de expressar a quantidade de calor necessário para aquecer uma substância por 1 °C. O calor necessário para aquecer uma substância com calor específico baixo é menor do que o calor necessário para aquecer uma substância com calor específico alto. Descreva o que aconteceria com a temperatura de uma lata de aço e de uma lata de alumínio ao retirá-las do congelador. Inclua o conceito de calor específico na sua discussão.
R: As latas de alumínio e de aço que são retiradas do congelador, perdem calor para o ambiente, tendendo ao equilíbrio. O aço inox é mais rápido que a lata de alumínio.
Muitas panelas são feitas de aço ou alumínio. Discuta qual tipo de panela seria melhor.
R: As panelas de aço esquentam mais rápido, pois seu calor especifico é mais baixo que do alumínio e por tanto serão mais rápidas gerando economia de tempo e energia para o preparo dos alimentos sendo mais eficientes. Já as panelas de alumínio precisam de mais calor, porque seu calor especifico é mais alto perdendo calor para o meio com mais facilidade.
A mesma quantidade de calor é aplicada à determinada massa de água e à mesma massa total de água e aço. Qual amostra atingirá uma temperatura mais alta? Explique.
R: Se Q = m x Delta T x c , que é mesmo que Delta T = Q / m x c
Sendo assim a variação de temperatura é inversamente proporcional à massa.
Então, quem possuir menor massa, terá maior temperatura.
 
Desenhe e execute um experimento para testar sua hipótese. Resuma seu experimento e informe seus resultados. Observe também o resfriamento da água pura e da amostra de água com aço. Descreva as diferenças no resfriamento dessas duas amostras.
R: 
	
	Água
	Água + Açp
	Temperatura
	4,184 ºC
	4,184 ºC
	Massa
	99,8 g
	99,8 + 23,3373 = 123,1373 g
	Delta T
	29,19 – 25 = 4,19 ºC
	4,19
	Q
	1749,59 J
	2158,72 J
A diferença entre as amostras é de Q = 409,13 J.
23 – Mudanças de Estado Físico
Objetivo
Estudar as mudanças do estado físico da água: do estado sólido ao estado líquido e ao estado gasoso.
Introdução
Muitas substâncias podem existir tanto no estado sólido quanto no estado líquido. Uma substância no estado líquido tem energia térmica maior em relação ao estado sólido. O ponto de fusão designa a temperatura na qual uma substância passa do estado sólido ao estado líquido. As moléculas que constituem um gás contêm mais energia térmica do que as moléculas da mesma substância no estado líquido. As moléculas de um gás estão mais espaçadas umas das outras em relação às moléculas de um líquido. A transição da forma líquida para a gasosa é chamada de evaporação e ocorre quando fervemos um líquido. O ponto de fusão e o ponto de evaporação são propriedades específicas de uma substância. Químicos frequentemente utilizam o ponto de fusão e o ponto de evaporação para identificar as substâncias.
Procedimento
Ao Iniciar o Virtual Physics foi selecionado Phase Changes na lista de experimentos. O programa abriu a bancada de calorimetria (Calorimetry).
O experimento está montado com um calorímetro simples preenchido com 65 mL de água à temperatura ambiente. Há um béquer ao lado da balança. Foi clicado na balança e arrastado o béquer colocando-o sobre ela. Foi apertado o botão Tare para tarar a balança. Foi arrastado o béquer novamente para a mesa e clicado em Zoom out. Foi clicado no balde verde de gelo (Ice) para abri-lo. Foi clicado com o pegador de gelo dentro do balde, arrastando-o até o béquer e soltando o gelo. Foi clicado no botão Save da janela do termômetro para registrar os dados de temperatura. Foi clicado na balança para aproximar e, em seguida, arraste o béquer sobre ela. Foi anotado, no espaço abaixo, a massa de gelo. E foi observado a variação na temperatura enquanto o gelo resfria a água e derrete.
Massa do gelo – 26,6238g
Foi retornado à bancada (Zoom out), e foi levado o béquer até o calorímetro para colocar o gelo no copo. Foi clicado no relógio identificado como Accelerate, na parede do laboratório, para acelerar o tempo. Foi clicado em Lab book para abri-lo e então clicado na janela do gráfico para trazê-la para a frente. Foi observado o gráfico de temperatura da mistura gelo + água em função do tempo até o momento em que a temperatura começa aumentar devido ao aquecimento da água (depois de uns 4 minutos). Então foi aquecida a água e observado a variação de temperatura enquanto a água se tornava vapor. Foi ligado o aquecedor (Heat) clicando no interruptor verde/vermelho (On/Off ) no painel de controle. Foi observado os gráficos de temperatura da água em função do tempo na janela no gráfico até que começasse a sair vapor do calorímetro. Foi anotada essa temperatura, que é da água fervendo, na tabela a seguir. Foi observado o gráfico por mais 2 minutos e clicado Stop na janela do termômetro. 
Foi clicado no barômetro (Barometer) — localizado na parede, à esquerda da placa verde Exit — para visualizar a pressão atmosférica. Foi anotado o valor na Tabela de dados. A pressão é dada em Torr, que é uma das unidades de pressão usada por cientistas. (760 Torr = 101.3 kPa).
	Tabela de Dados
	Ponto de Evaporação
	Pressão ao Evaporar
	99,67
	751
Análise e Conclusão
Abaixo segue o gráfico da temperatura da água em função do tempo. Usando os dados do link no Lab book. Foi escolhido alguns pontos críticos do gráfico. Foi identificado os eixos e o momento em que o gelo foi adicionado, separando a parte em que a mistura era composta por água e gelo daquela em que havia apenas água líquida. Também foi identificado o momento em que o aquecedor foi ligado e o momento em que a água começou a passar do estado líquido para o estado gasoso.
Vapor
Água
Quais estados físicos existem dentro do calorímetro a 0 °C?
R: Sólido e líquido.
O que aconteceu com a temperatura enquanto ainda havia gelo na água? Por quê?
R: A temperatura diminuiu porque ocorreu troca de calor entre o gelo e a água, até atingir a temperatura mínima da água, antes de se tornar sólido, depois a temperatura subiu até a temperatura ambiente do líquido (ponto de fusão).
O que aconteceu com a temperatura depois que o gelo derreteu? Por quê?
R: Começou a aumentar a temperatura.
O aquecedor continuou ligado após a água atingir seu ponto de evaporação. O que aconteceu com a temperatura da água nesse momento?
R: A temperatura permaneceu constante variando de 99,9 9 ºC até 101,00 ºC no máximo.
A pressão típica, normal, do ar no nível do mar é 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 água com pressão normal é de 100 °C. A partir de suas observações sobre o ponto de evaporação e a pressão do ar, o que você conclui?
R: Quanto maior a altitude mais baixa a temperatura que a água precisa para evaporar, pois tem um menor esforço das moléculas, devido ser mais baixa a pressão atmosférica.
Qual mudança de estado físico necessitou de mais energia? Explique. 
R: Na vaporização, porque acontecem as quebras intermoleculares, sendo que no estado gasoso as moléculas estão mais afastadas umas das outras que no estado líquido.