Relatório4 resfriamento

Prévia do material em texto

Resfriamento da água em contato com o ar e com água
Caroline Rodrigues Prock¹, Rafael Alves Nascimento²
¹ Turma 19A do curso de Engenharia Ambiental e Sanitária
² Turma 19ª do curso de Engenharia de Controle e Automação
26 de junho de 2017
Resumo
 Este relatório visa proporcionar o aprendizado sobre resfriamento e a validade da lei de resfriamento de Newton. O resfriamento permite prever diversos aspectos de seu uso em aplicações do nosso cotidiano. Neste trabalho, foi possível observar a variação da temperatura da água, e ela em contanto com o ar e água aplicando conceitos que determinam a validade de tal lei. O método e procedimentos aqui descritos possibilitaram a determinação da curva de resfriamento de um termômetro através da linearização de curvas.
1 Introdução 
No estudo de termodinâmica, um conceito útil para quantificar certa quantidade de calor transferida a um sistema é o conceito de calor específico caracterizado pela quantidade de calor que deve ser transferida a 1g de uma substância para que a sua temperatura seja elevada em 10C. Conforme se sabe, essa quantidade de calor varia de substância para substância sendo, portanto, um parâmetro que caracteriza uma dada substância. [1]
Além disso, calor é a transferência de energia devido a uma diferença de temperatura. Esta transferência de posição para outra acontece através de três processos distintos: condução, convecção e radiação. [2]. 
Durante todos os processos de transferências de calor, a taxa de resfriamento de um corpo é aproximadamente proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e sua vizinhança. Esse resultado é conhecido como lei de Newton para o resfriamento. [2]
Neste trabalho, foi determinada a validade da lei de resfriamento de Newton através da medição de diferentes temperaturas em duas substancias diferentes –água e ar- em intervalos de tempos iguais a 10 segundos até que fosse atingida a temperatura de equilíbrio de tais substancias. Desta forma, a partir dos resultados obtidos foi possível determinar a curva de resfriamento de um termômetro
2 Teoria
A lei de resfriamento de Newton nos diz que a taxa de transferência de calor é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre os corpos (a e b) ou seja, (dQ/dt) α (Tb – Ta).
Em se tratando de corpos (à temperatura T) que se resfriam em contato com o meio ambiente (à temperatura Ta - um reservatório infinito que não varia sua temperatura)
	(dQ/dt) = hA.(T – Ta) (1)
A é a área de contato do corpo com o ambiente e h uma constante característica do sistema. De igual maneira, o calor trocado (fornecido) por um corpo pode ser escrito: 
	dQ = - mcdT = - CdT (2)
m= massa do corpo; c= calor específico da substância; C= capacidade térmica (mais útil em muitos problemas quando corpo é feito de mais de uma substância).
Para obter a expressão da Temperatura em função do tempo, assuma que o corpo aquecido parte de uma temperatura T0, leve a equação (2) em (1), separe as variáveis em cada lado da igualdade e chegue à expressão:
		T = Ta + (T0 – Ta).e-kt (3)
Nosso objetivo será tentar verificar o decaimento exponencial da Temperatura como função do tempo e determinar o valor de k.
A Eq. (3) descreve a forma como um reservatório finito de calor (sistema) é resfriado perdendo calor para um reservatório infinito (meio ambiente), ao longo do tempo .[1]
3 Métodos Experimentais
Materiais utilizados: 
Termômetro de Mercúrio;
Cronômetro;
Béqueres com Água;
Ebulidor elétrico;
Procedimentos:
 1 - Colocou-se aproximadamente 300 ml de água dentro do Béquer juntamente com um ebulidor elétrico. Mediu-se o valor da temperatura da água e do ambiente e anotaram-se os respectivos valores. Ligou-se o ebulidor, deixando que a temperatura da água atingisse 96º C, atingida tal temperatura, retirou-o da água e mediu-se a queda de temperatura (em intervalos de 5 segundos) até atingir 120 segundos, e os resultados foram anotados na tabela 1 e plotado no respectivo gráfico.
2 - Colocou-se aproximadamente 500 ml de água dentro do béquer juntamente com um ebulidor elétrico. Mediu-se o valor da temperatura da água e de outro béquer com água a 22,5°C. Ligou-se o aquecedor, deixando que a temperatura da água atingisse 96º C, após atingir essa temperatura, retirou-o da água e o termômetro foi colocado em outro béquer com água para sofrer o resfriamento. Mediu-se a queda de temperatura em intervalos de 5 segundos até atingir 50 segundos. Os resultados obtidos foram anotados na tabela 2 e plotado no respectivo gráfico.
4 Resultados e Discussão
Os resultados obtidos do experimento foram anotados nas tabelas 1 e 2, e os gráficos obtidos pelas tabelas estão em anexo logo em seguida.
	T (ºC) ± 0,5
	t (s) ± 0,05
	96
	0
	79
	5
	71
	10
	67
	15
	63
	20
	60
	25
	57
	30
	55
	35
	52,5
	40
	50
	45
	48,5
	50
	46
	55
	44,5
	60
	43
	65
	41
	70
	40
	75
	39,5
	80
	39
	85
	38,5
	90
	36,5
	95
	36,5
	100
	35,5
	105
	35
	110
	34,5
	115
Tabela1: Resultados obtidos na primeira etapa, depois da água entrar em transferência de calor com o ar.
	T (ºC) ± 0,5
	t (s) ± 0,05
	96
	0
	68
	5
	45
	10
	33
	15
	28
	20
	25
	25
	24
	30
	23,5
	35
	23
	40
	22,5
	45
	22,5
	50
Tabela1: Resultados obtidos na primeira etapa, depois da água entrar em transferência de calor com o ar.
Os resultados obtidos foram próximos do esperado, notando pelo gráfico, e percebe-se que em contato com a água a transferência de calor é muito mais rápido do que com o ar, devido a diversos fatores como capacidade de calor específico.
5 Conclusão
O método e procedimentos aqui descritos também podem ser estendidos para a realização do experimento com um calorímetro. Desta forma, realizando o experimento, foi possível observar e concluir que o equilíbrio térmico é alcançado quando a diferença entre a temperatura do corpo analisado e a temperatura ambiente vai se tornando cada vez menor, até que se torne desprezível. Assim sendo, observou-se que a taxa de resfriamento depende de fatores, tais como: a diferença de temperatura do sistema; o calor específico da substância que o constitui e etc. Portanto, a taxa de variação da temperatura varia de acordo com o sistema analisado, bem como o tempo necessário para que o equilíbrio seja alcançado. 
As poucas variações podem ser devido a possíveis erros de paralaxe ou precisão, erros humanos e erros devido ao ambiente.
Levando em consideração todo o experimento e possíveis erros, conclui-se que o experimento foi bem conduzido e chego ao esperado.	
6 Referências
[01] Medida de calor específico e lei de resfriamento de Newton: um refinamento na análise dos dados experimentais. <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172003000400010>.
Acesso em: 23 de junho de 2017.
[02] Livro :Tipler vol. 1, 6ª edição, capítulo 20 – Propriedades térmicas e processos térmicos.
[03] Júlio C. Ugucioni e Jefferson Tsuchida. Apostila de Laboratório de Fisica II. Lavras-MG
Anexos
Gráfico1: Referente aos dados obtidos na tabela1.
Imagem1: Fórmulas obtidas através do gráfico1.
Gráfico2: Referente aos dados obtidos na tabela2.
Imagem2: Fórmulas obtidas através do gráfico2.