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ESTEVÃO SPAGNOL LUCIAN LETÍCIA KOCH LUIZA SALVADOR POLYANA MIGUELÃO SUÉLEN SAMPAIO PROPAGAÇÃO DE CALOR Relatório de Física II Experimental, curso de Engenharia Química, Área das Ciências Exatas, da Universidade do Oeste de Santa Catarina, Campus de Joaçaba JOAÇABA 2014 SUMÁRIO Sumário .................................................................................................................................02 Introdução ..............................................................................................................................03 Objetivos ................................................................................................................................04 Fundamentação teórica .........................................................................................................05 Propagação de calor ..................................................................................................05 Condução ...................................................................................................................05 Convecção .................................................................................................................06 Irradiação ...................................................................................................................06 Desenvolvimento ...................................................................................................................07 Conclusão ..............................................................................................................................10 Referências bibliográficas ......................................................................................................11 INTRODUÇÃO No presente experimento, objetivamos estudar o trânsito da energia térmica nos corpos, entre os corpos e no espaço. Iremos abordar as três diferentes formas possíveis para que haja a propagação do calor, realizando atividades para demonstrar e visualizar a ocorrência de cada uma delas. OBJETIVOS Identificar, comparar e classificar as formas de propagação de calor; Concluir que o calor, para se propagar, necessita de uma diferença de temperatura entre as regiões de escoamento; Concluir que o fluxo de calor sempre se verifica no sentido das temperaturas decrescentes; FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA TRANSMISSÃO DE CALOR A transmissão de calor estuda o fluxo de energia térmica através dos corpos em função do tempo, motivado por uma diferença de temperatura entre as partes. Essa passagem da energia pode se dar de três formas diferentes: 1) CONDUÇÃO É o processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um local para o outro através das partículas do meio que os separa. Pode ser observado com facilidade nos sólidos. Esse trânsito de energia se deve ao fato de que, na região de maior temperatura, as partículas (átomos e moléculas) estão mais energizadas e, portanto, vibrando com mais intensidade; assim, essa energia é transmitida à moléculas vizinhas através de colisões a nível atômico, moléculas estas que passam a vibrar com mais intensidade e, como as primeiras, transmitem energia térmica para as seguintes. Esse processo ocorre de forma sucessiva enquanto houver uma diferença de temperatura. Como exige a presença de um meio material para que possa ocorrer, esse tipo de transmissão de calor não ocorre no vácuo. O que determina se um material será bom ou mau condutor térmico são as ligações em sua estrutura atômica ou molecular. Assim, os metais são excelentes condutores de calor devido ao fato de possuírem os elétrons mais externos "fracamente" ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal. Por outro lado, materiais como lã, madeira, vidro, papel e isopor são maus condutores de calor (isolantes térmicos), pois os elétrons mais externos de seus átomos estão firmemente ligados. Líquidos e gases são, em geral, são maus condutores (por convecção). 1) CONVECÇÃO É o processo de transmissão de calor que se dá através do movimento de massas fluidas (líquidos e gases), que trocam de posição entre si por terem suas densidades alteradas em função da temperatura à que estão expostos. Cabe, aqui, ressaltar que não há passagem de energia de um corpo para o outro, eles apenas mudam de posição. Ao entrar em contato com a energia e se aquecer, o fluido (em geral) torna-se menos denso que o restante - no local do aquecimento - e, dessa forma, troca de posição com o fluido frio pela influência da força da gravidade. A diminuição sucessiva da densidade do fluido no local do aquecimento cria uma corrente ascendente. Ao subir, a massa fluida menos densa dá lugar ao restante do fluido (mais denso - frio) e, dessa forma, uma corrente descendente - em direção ao local de aquecimento - pode ser observada simultaneamente. Mais uma vez, não há sentido falar de convecção no vácuo. 1) IRRADIAÇÃO É a transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas. A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro através do espaço que os separa. Segundo a ótica da irradiação, podemos dividir os materiais em duas categorias: Materiais diatérmicos: são meios que permitem a propagação das ondas de calor através deles (meios transparentes às ondas de calor). Um exemplo é o ar atmosférico. Materiais atérmicos: são meios que não permitem a propagação das ondas de calor através deles (meios opacos às ondas de calor). Toda a energia radiante transportada por ondas de rádio, ondas infravermelhas, ultravioletas, luz visível, raios X, raios gama, etc., pode ser convertida em energia térmica por absorção. Entretanto, apenas as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor ou radiações caloríficas. DESENVOLVIMENTO Para a realização do primeiro experimento, os procedimentos iniciais consistiram na montagem dos equipamentos necessários. Após montarmos o tripé com o manípulo e o fixador, preparamos a haste de alumínio - prendendo a ela, à distâncias diferentes da extremidade que posteriormente seria aquecida, pinos de mesmo tamanho, utilizando parafina como "cola". Quando os pinos já se apresentavam suficientemente fixos pela parafina à haste, esta foi presa ao fixador de modo que os pinos ficassem virados para baixo. Ligamos o bico de bunsen e colocamos a extremidade livre da haste de alumínio em contato direto com a chama, que começou imediatamente a aquecer o metal. Após alguns segundos, o primeiro pino se desprendeu da haste metálica, e os outros três se desprenderam também, de forma sucessiva, sendo os intervalos de tempo entre as quedas, similares. Como os pinos caíram em sequência - sendo o primeiro a cair o que estava mais perto da região aquecida, e o último, o que estava mais distante - constatamos que a energia térmica fornecida à haste em sua extremidade se propagou gradualmente ao longo de toda a sua extensão, o que causou a fusão da parafina que fixava os pinos ao metal e, consequentemente, o desprendimento destes. Em materiais sólidos, especialmente nos metais - em função das suas estruturas a nível molecular - quando motivada por uma diferença de temperatura, a energia térmica se propaga gradativamente de átomo a átomo, por toda a estrutura, indo da região mais quente para a mais fria. Dessa forma seria impossível, por exemplo, que os pinos não se desprendessem necessariamente na sequência que isso se deu, independentemente do metal que estivesse sendo utilizado. Esse fenômeno de propagação gradual do calor é conhecido como condução térmica, e sua existência foi constatada por nossa equipe no experimento. Utilizamos, ainda, hastes metálicas de cobre e de latão (liga de cobre e zinco), repetindo os procedimentos acima, e verificamosexatamente o mesmo fenômeno de propagação de calor. Uma diferença interessante que percebemos utilizando diferentes metais para o mesmo experimento, no entanto, e que vale ser aqui comentada, é que os pinos começaram a se desprender de forma mais rápida no cobre, seguido do alumínio e do latão, respectivamente. Isso evidencia a capacidade de condução térmica - condutibilidade - de cada um dos metais citados. A título de curiosidade: na haste de cobre, os quatro pinos levaram apenas um minuto para cair; no alumínio, dois minutos; e, finalmente, no latão, cerca de três minutos foram necessários para que a haste toda estivesse suficientemente aquecida a ponto de derreter a parafina fixa no ponto mais distante da chama. Na segunda etapa da aula prática, montamos os equipamentos necessários para, então, proceder com a realização do segundo experimento. O tripé com o manípulo, a haste, o fixador e uma extensão com ventoinha de alumínio foram preparados. Posicionamos, então, o bico de bunsen abaixo da ventoinha, de forma que ela distasse de aproximadamente 10cm da chama. Ligamos o fogo e, então, após alguns segundos, percebemos que de repente a ventoinha começou a se movimentar. Os resíduos da combustão do gás na chama do bico de bunsen estão a uma temperatura muito elevada em comparação com a temperatura dos gases atmosféricos. Além disso, a própria chama está a uma temperatura altíssima (1.500ºC), e isso aquece de forma bastante intensa as moléculas de ar circundantes. Como sabemos, ao elevar a temperatura de um fluido qualquer, geralmente a sua densidade diminui (em função do volume maior que a mesma quantidade de matéria ocupa). As moléculas de ar próximas à chama se aquecem de modo que a sua densidade diminui abruptamente, fazendo com que este ar quente e de menor densidade suba, originando uma corrente ascendente de ar. Quando sobem, essas moléculas de ar deixam vagos os lugares próximos à chama, que são ocupados por outras (mais frias). Ao serem aquecidas, sobem, e assim sucessivamente. As correntes ascendente e descendente da massa fluida com diferentes temperaturas (densidades) em trânsito são chamadas de correntes de convecção, e são a principal característica desta forma de propagação de calor. No caso do presente experimento, a corrente ascendente de ar é a responsável - durante a sua passagem pelas hélices - por exercer uma força que, em virtude da configuração mecânica da ventoinha, permite o movimento de rotação. Na terceira e última parte do experimento de propagação de calor, novamente montamos e dispusemos adequadamente os equipamentos: dois corpos de prova metálicos - um preto e um branco - contendo termômetros em seu interior foram colocados lado a lado, frente à uma lâmpada, à distância de 40cm. Preenchemos uma tabela da temperatura desses corpos em função do tempo de exposição à fonte de energia térmica (aquecimento), e outra da temperatura dos corpos em função do tempo após desligarmos a fonte de energia (resfriamento). Tempo (min) 0 2 4 6 8 10 12 Temperatura (Branco) 20 ºC 23 ºC 24 ºC 25 ºC 26 ºC 26 ºC 26 ºC Temperatura (Preto) 20 ºC 24 ºC 26 ºC 26 ºC 28 ºC 29 ºC 30 ºC Tabela 1: aquecimento dos corpos de prova em função do tempo Tempo (min) 0 2 4 6 8 10 12 Temperatura (Branco) 26 ºC 25 ºC 24 ºC 23 ºC 22 ºC 22 ºC 21 ºC Temperatura (Preto) 30 ºC 28 ºC 26 ºC 24 ºC 23 ºC 23 ºC 22 ºC Tabela 2: resfriamento dos corpos de prova em função do tempo A partir dessas informações podemos inferir que, apesar de as temperaturas dos corpos antes do aquecimento pela exposição à lâmpada serem iguais, apesar de suas distâncias à fonte de energia serem iguais e apesar de serem constituídos do mesmo material e providos da mesma massa, os corpos apresentaram curvas de aquecimento e resfriamento diferentes entre si: o aquecimento do corpo de prova preto se deu de forma mais rápida e intensa - e ele chegou a uma temperatura superior à do corpo branco ao final dos 12 minutos de observação. De maneira análoga, o corpo de prova preto apresentou uma curva de resfriamento tão acentuada quanto à de aquecimento, perdendo energia térmica com maior intensidade e facilidade do que o corpo branco. Essa capacidade do calor se propagar através de radiações eletromagnéticas - luminosas ou não - e de ser convertido em energia térmica recebe o nome de irradiação. Um exemplo clássico de irradiação são as ondas eletromagnéticas emitidas pelo Sol, que, quando chegam aqui na Terra, em parte se transformam em energia térmica. CONCLUSÃO Constatamos que, de modo geral, o trânsito da energia térmica - a propagação do calor - se dá quando motivada por uma diferença de temperatura, fluindo da área de maior energia para a área mais fria; seja por condução, convecção ou irradiação, o gradiente de calor sempre será na direção da área menos energética. No caso específico do último experimento, embora a energia térmica tenha fluído e os corpos tenham se comportado da maneira como esperávamos pela compreensão teórica, não houve uma diferença muito grande em função das cores dos corpos de prova porque a temperatura ambiente do laboratório, no dia, era consideravelmente baixa, o que afetou o acúmulo do calor que estaria sendo irradiado pela fonte aos corpos, já que estes perdiam calor para o meio com velocidade significativa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/fte04.htm http://www.infoescola.com/termodinamica/propagacao-de-calor/ http://pt.wikipedia.org/wiki/Propagação_térmica http://www.brasilescola.com/fisica/processo-propagacao-calor.htm http://www.if.ufrgs.br/~leila/propaga.htm http://educacao.globo.com/fisica/assunto/termica/propagacao-do-calor.html http://www.infoescola.com/materiais-de-laboratorio/bico-de-bunsen/ http://penta3.ufrgs.br/CESTA/fisica/calor/condutoreseisolantes.html http://www.sobiologia.com.br/conteudos/oitava_serie/Calor4.php http://www.dicio.com.br Todas os endereços eletrônicos foram acessados em Maio de 2014.
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