Equivalente Mecânico do Calor

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL SUDESTE DO PARA´
INSTITUTO DE CIEˆNCIAS EXATAS
FACULDADE DE F´ISICA-FAFIS
Equivalente mecaˆnico da caloria
Maraba´-Para´
2017
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1 Equivalente mecaˆnico do calor
Objetivo
• Determinar o fator que torna equivalente as unidades de energia em caloria [cal]e
joule [J ].
Materiais utilizados
• Calor´ımetro
• Fonte de tensa˜o Vcc
• 2 Multimetros
• Termoˆmetro
• Cronoˆmetro
• Cabos pino banana
• Be´quer
Teoria ba´sica
Em f´ısica a energia e´ uma grandeza que pode se manifestar das mais diferentes formas,
tanto em termodinaˆmica como em mecaˆnica este conceito foi construido de forma inde-
pendente , em termodinaˆmica a unidade de caloria foi definida como sendo a quantidade
de calor nescessa´ria para elevar a temperatura de 14, 5oC para 15, 5oC de 1g de a´gua,
diferentemente dessa definic¸a˜o a energia mecaˆnica dada em Joules e´ expressa em unida-
des fundamentais que e´ expressa em termos de comprimento [L], massa [M ] e tempo [T ]
relacionados da forma [ML2T−2].
O conceito do equivalente mecaˆnico do calor foi estabelecido e comprovado experimen-
talmente por James Prescott Joule em 1868 demonstrando que o calor e´ uma forma de
energia e que uma pode se tranformar em outra, a importaˆncia deste conceito levou ao
desenvovimento e aceitac¸a˜o do princ´ıpio de conservac¸a˜o da energia estabelicida junto a
1o lei da termodinaˆmica.
De forma equivalente a energia ele´trica pode ser expressa na mesma unidade de energia
mecaˆnica pois e´ definida em termos de forc¸a ele´trica. A poteˆncia dissipada por um resistor
e´ pode ser dada por:
P = V.I
onde U e´ a tensa˜o dada em Volts [V ] estabelecida entre os terminais do resistor e I e´
a corrente ele´trica do circuito em Ampe`re [A]. A informac¸a˜o de energia dissipada pela
resiteˆncia pode ser obtida como:
E = U.I.∆t
onde ∆t corresponde ao intervalo de tempo que o resistor permanece ligado.
A constatac¸a˜o de que o calor e´ uma forma de energia levou ao problema de se deter-
minar qual e´ a ”taxa de caˆmbio”entre a caloria e a unidade mecaˆnica de energia expressa
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em Joules, Joule constatou que 4,184 J corresponde a 1 cal, neste experimento queremos
determina´-la, ou seja:
1cal1cal = µJ
Procedimento Experimental
Ao se aquecer uma determinada massa de a´gua com um resitor, mede-se a energia ele´trica
dissipada (em J) e o aumento da temperatura da a´gua. Tem-se que Efornecida = P∆t ,
onde P e´ a poteˆncia do dissipada pelo resistor (medido em Watt) e o tempo ∆t (segundos)
que foi fornecido energia para a a´gua. Por outro lado, o calor absorvido pela a´gua pode ser
expresso (medido em calorias) por Q = mc∆T , onde m e´ a massa da a´gua, c = 1cal/goC
e ∆T = Tf − T0 . Igualando a energia fornecida a` absorvida, e usando a expressa˜o:
Ejoules = µEcal
P∆t = µQ
U.I.∆t = µmc∆T
V
A
R
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• Com auxilio do be´quer, acrecente 200 ml (correspondera´ cerca 200g de massa de
a´gua) no interior do calor´ımetro.
• Monte o experimento conforme ilustrado, dando atenc¸a˜o ao mult´ımetro posto em
se´rie com a fonte para merdir a corrente e outro em paralelo como o resistor do
calor´ımetro.
• Antes de ligar o circuito ajuste a fonte para uma tensa˜o de 15 V.
• Coloque na entrada do calor´ımetro (parte de cima) o termoˆmetro, aguarde um mo-
mento para a correta medic¸a˜o da temperatura inicial da a´gua e anote seu respectivo
valor.
• Com os multimetros ligados, acione a fonte de tensa˜o e o cronoˆmetro simultanea-
mente e anote os valores de corrente e tensa˜o apo´s trancorridos 60s.
• confira rapidamente os valores da temperatura da a´gua em intervalos de 60 s. Busque
preencher as tabelas.
Tensa˜o/ V Corrente/ A
Tempo/s Temperatura/ oC
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
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