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Universidade de São Paulo Relatório de Física Experimental II Termodinâmica Ana Luiza Duarte da Mota Nº USP 9403472 Matthews de Almeida Santos Nº USP 8922094 Natalia Fiorini da Silva Nº USP 6552737 Docente: Ana Carolina de Magalhães Novembro/2017 1. Resumo O objetivo do experimento é estudar conceitos da termodinâmica com leis e instrumentos adequados para cada arranjo experimental. Através do dados foi possível gerar gráficos que, por meio deles, foram feitas análises para verificar a adequação de suas bases teóricas utilizadas. Com dois arranjos experimentais, foram determinados calor específico da água, capacidades térmicas total do sistema e do calorímetro e com esses valores foram feitos teste-z para analisar a compatibilidade e adequação dos modelos utilizados. 2. Introdução Termodinâmica é o ramo da ciência que estuda as relações entre calor, trabalho outras formas de energia. Estuda as causas e efeitos das mudanças, em geral, na temperatura, volume e pressão de um sistema. Para este experimento foi necessário definir os conceitos de temperatura, calor, capacidade térmica e calor específico [1]. A temperatura é uma grandeza física que mede o grau de agitação das moléculas de um corpo, quanto menor a temperatura de um corpo menor são seus movimentos, seja esse movimento de translação, rotação ou vibração, isso vale para o inverso também, quanto maior a temperatura, as moléculas possuem maior rapidez. A grande importância da temperatura é que podemos relacioná-la com várias outras grandezas de interesse. Calor está relacionado à transferência de energia térmica entre dois sistemas. Calor específico é a quantidade de calor necessária para que cada grama de uma substância sofra uma variação de temperatura correspondente a 1°C. Já a capacidade térmica é uma grandeza física que relaciona a quantidade de calor fornecido a um corpo com a variação de temperatura observada [2]. O instrumento de medida de temperatura utilizado no experimento foi o termopar metálico que apresenta o efeito termoelétrico pelo qual é produzida uma diferença de potencial elétrico na junção de dois materiais distintos (força eletromotriz) que é dependente da temperatura. Dois corpos inicialmente em temperaturas diferentes, quando colocados em contato, depois de certo tempo atingem um estado final em que suas temperaturas são iguais. O tempo necessário para que as temperaturas dos corpos em contato se igualem varia muito nas diferentes situações. Sistema é definido como sendo a parte do universo que está sob consideração. O conjunto formado por uma amostra de glicerina dentro de um tubo de ensaio no qual está inserido um termopar para a medição de temperatura pode ser definido como um sistema. O sistema (glicerina + termopar) é colocado dentro de um cilindro no qual há um fluxo de ar comprimido, representando o reservatório. O tubo de ensaio é aquecido até o termopar marcar um valor em torno de 110ºC e observa-se a variação de temperatura até o sistema atingir a temperatura ambiente. É desejado saber qual é a função matemática que descreve o resfriamento da glicerina. A fim de explicar a lei do resfriamento da glicerina do ponto de vista teórico, considerou-se um modelo que leva em conta considerações geométricas sobre o reservatório térmico e a capacidade térmica dos materiais que compõem a glicerina. A partir deste modelo, prevê-se que a temperatura da solução de glicerina decai exponencialmente com uma constante de decaimento τ de acordo com a equação 1 [3]: T T T )e Δ = − T r = ( 0 − T r (−t/τ) (1) onde e são a temperatura inicial e a temperatura do reservatório, respectivamente. T 0 T r Como a temperatura do sistema e as medidas de tempo são conhecidas, é possível determinar o tempo característico τ. Em um sistema termicamente isolado temos [3]: E ΔT△ = C (2) onde, C é a capacidade térmica total do sistema, é toda a energia fornecida que é EΔ convertida em energia interna, resultando em um aumento de temperatura .TΔ Efeito Joule relaciona o calor gerado e a corrente elétrica , que percorre um i condutor em determinado tempo. Se uma fonte de energia dissipa, por efeito Joule, uma potência P durante durante um intervalo de tempo t, a energia fornecida é dada pela equação 3 [3]: E tΔ = P (3) onde, i.P = V Combinando as equações (2) e (3), temos [3]: ΔT t T tC = P ⇔ = T P + T 0 (4) onde, é a temperatura inicial do sistema.T 0 Desse modo, é possível concluir que quando um sistema termicamente isolado recebe energia a uma taxa constante é esperado que a relação entre temperatura e tempo seja linear. 3. Descrição Experimental A fim de verificar o modelo descrito pela equação 1, montou-se um arranjo experimental utilizando um tubo de ensaio preenchido com glicerina, na qual está imerso um termopar para a medição da temperatura. Este sistema é colocado dentro de um dispositivo no qual há fluxo de ar, gerado por uma ventoinha de resfriamento, similar àquelas utilizadas para amenizar o aquecimento dos componentes dos computadores. Inicialmente o termopar foi colocado no dispositivo de resfriamento para a medição da temperatura do reservatório, TR . O sistema, tubo de ensaio com a glicerina, foi lentamente aquecido a partir de sua temperatura ambiente. O processo de aquecimento foi feito com o auxílio de uma chama, aproximando e afastando a chama do tubo de ensaio. Quando o sistema atingiu a temperatura de 115 ºC o tubo de ensaio foi inserido no dispositivo de resfriamento, com cuidado de não encostar o tubo de ensaio nas laterais e no fundo do cilindro. Foi observado a diminuição de temperatura e quando o termopar registrou 110 ºC, o cronômetro foi iniciado para a tomada de dados. A fim de tomar medidas mais precisas, foi decidido pela convenção de anotar intervalos regulares de temperatura, por exemplo, marcando variações de 5 ºC na temperatura da glicerina. A tomada de dados prosseguiu até a temperatura da glicerina atingir os 30°C, quando a temperatura da glicerina já se encontrava próxima à temperatura da sala onde estava montado o arranjo. Para se verificar o modelo descrito pela equação 4, utilizou-se outro arranjo experimental. Para este segundo arranjo foi medido cuidadosamente (571,2 0,1)g de água,± utilizando uma balança digital. A quantidade medida de água foi colocada no calorímetro, com a temperatura inicial do sistema de (25,0 1,0)ºC. Foi aplicada uma potência elétrica ± de (15,10 0,06)W para aquecimento do sistema. Durante o experimento, o ajuste fino da ± fonte de alimentação foi continuamente ajustado para garantir que a potência aplicada ao resistor seja constante. Foi medido a temperatura da água em função do tempo desde a temperatura inicial até 50ºC. As temperaturas foram medidas em intervalos irregulares de tempo e a água foi continuamente agitada para evitar grandes gradientes de temperatura no interior do calorímetro. 4. Resultados de medições, cálculos e análise de dados A seguir são apresentados os valores obtidos nos dois arranjos experimentais descritos anteriormente. 4.1. Arranjo experimental 1 Tabela 1 - Valores de temperatura (T) e tempo (t) e suas respectivas incertezas ( e ), σT σt obtidos no primeiro arranjo experimental. A incerteza da temperatura foi determinada de acordo com o manual do termopar (precisão é de 0,1% + 1°C). A incerteza do tempo foi estimada como sendo a metade da menor medida fornecida pelo cronômetro. T (°C) t (s) (°C)σT (s)σt 110,0 0,000 1,1 0,005 105,0 12,220 1,1 0,005 100,0 24,510 1,1 0,005 95,0 39,690 1,1 0,005 90,0 54,200 1,1 0,005 85,0 71,800 1,1 0,005 80,0 89,950 1,1 0,005 75,0 111,000 1,1 0,005 70,0 133,700 1,1 0,005 65,0 158,830 1,1 0,005 60,0 186,490 1,1 0,005 55,0 218,720 1,1 0,005 50,0 258,380 1,1 0,005 45,0 305,700 1,0 0,005 40,0 368,000 1,0 0,005 35,0 457,090 1,0 0,005 30,0 621,230 1,0 0,005 Tabela 2 - Valores das temperaturas inicial (T0 ) e do reservatório (TR ) e suas respectivas incertezas. A incerteza de T0 foi calculada de acordo com o manual do termopar e a incerteza de TR foi calculada pela menor divisão do termômetro da sala. T0 TR 110,0 22,90 Incertezas 1,1 0,05 Figura 1 - Gráfico de Temperatura x tempo dos valores obtidos no primeiro arranjo experimental. O ajuste foi feito no webroot, que utiliza o método dos mínimos quadrados. Pode-se observar que os resíduos absolutos estão aleatoriamente ao redor do zero, o que mostra que o ajuste feito é aceitável, validando o modelo teórico descrito na equação 1. Com isso foi obtido o valor para o parâmetro A de (109,6 ± 0,6)°C , para o parâmetro B de (25,8 ± 1,2)°C e para o parâmetro K de (0,00482 ± 0,00017) s-1. Utilizando o teste-Z, comparou-se o valor da temperatura inicial com o valor obtido para o parâmetro A (ZT0-A ) e o valor da temperatura do reservatório com o valor obtido para o parâmetro B (ZTr-B ). ● ZT0-A = = 0,28 110,0 − 109,6 √(1,1)² + (0,6)² ● ZTr-B = = -2,50 22,90 − 25,88 √(0,05)² + (1,2)² De acordo com os valores obtidos de ZT0-A e ZTr-B, podemos dizer que em um nível de significância de 3σ, os valores são compatíveis entre si. 4.2. Arranjo experimental 2 Tabela 3 - Valores de temperatura (T) e tempo (t) e suas respectivas incertezas ( e ), σT σt obtidos no segundo arranjo experimental. A incerteza da temperatura foi determinada de acordo com o manual do termopar (precisão é de 0,1% + 1°C). A incerteza do tempo foi estimada como sendo a menor divisão aparente no cronômetro utilizado. T (°C) t (s) (°C)σT (s)σt 25,0 0,25 1,0 0,01 25,6 98,30 1,0 0,01 27,1 380,12 1,0 0,01 30,7 953,27 1,0 0,01 33,2 1423,62 1,0 0,01 35,5 1767,80 1,0 0,01 36,8 2018,0 1,0 1,0 37,7 2183,0 1,0 1,0 38,6 2330,0 1,0 1,0 40,0 2571,0 1,0 1,0 42,1 2921,0 1,0 1,0 43,7 3200,0 1,0 1,0 44,8 3410,0 1,0 1,0 45,9 3617,0 1,0 1,0 48,0 3947,0 1,0 1,0 48,8 4078,0 1,0 1,0 49,4 4236,0 1,0 1,0 50,0 4314,0 1,1 1,0 Figura 2 - Gráfico de Temperatura x tempo dos valores obtidos no primeiro arranjo experimental. O gráfico da Figura 2 foi feito no webroot. Os resíduos estão aleatoriamente em volta do zero, validando o ajuste. Foi utilizada a equação (4) para o ajuste, e os parâmetros e T0 C P que são representados por [0] e [1], respectivamente, estão apresentados na Tabela 4. Tabela 4 - Valores utilizados na montagem do arranjo experimental 2 e valores obtidos com o experimento e análise dos dados, com suas respectivas incertezas. No arranjo foi utilizado o calorímetro de número 6. Valores Incertezas Massa inicial de água (g) 571,2 0,1 Massa final de água (g) 571,0 0,1 Potência (W) 15,10 0,06 Temperatura Inicial (°C) 25,0 1,0 Tensão (V) 20,5000 0,0020 Corrente (A) 0,750 0,003 Capacidade térmica (J/°C) 2604 76 [0] (°C/s) 0,00580 0,00017 [1] (°C) 25,05 0,05 A incerteza da massa é dada pelo manual da balança e sua incerteza é de 0,1 g, a incerteza da potência e a da capacidade térmica são dadas, respectivamente, por: P ² ∂P / ∂V ∗σV )² ∂P /∂I∗σI)²σ = ( + ( (5) e C² ∂C/ ∂P∗σ[P ])² ∂C /∂[0]∗σ[0])²σ = ( + ( (6) Dada tabela acima, o coeficiente angular ([0]) vale 0,00580 ± 0,00017 °C/s e o coeficiente linear ([1]) vale 25,05 ± 0,05 °C. A capacidade térmica do sistema é obtida através da expressão [0] = P/C, dando um valor de 2604 ± 76 J/°C. Se o ajuste for feito de forma ideal, temos uma função ajustada verossímil, incertezas corretas e resíduos sem tendências. Nessas condições o valor de chi-quadrado se aproxima do número de graus de liberdade do conjunto de dados. O número de graus de liberdade ou ngl é um estimador do número de grandezas independentes. Tabela 5 - Valores antes do ajuste de Chi² Número de parâmetros 2 Chi2 0,19871 Número de graus de liberdade 16 parâmetro Valor Incerteza 0 0,00580 0,00017 1 25,1 0,5 Capacidade térmica do Sistema 2604 76 Tabela 6 - Valores depois do ajuste de Chi² Número de parâmetros 2 Chi2 16,4655 Número de graus de liberdade 16 parâmetro Valor Incerteza 0 0,005798 0,000019 1 25,05 0,05 Capacidade Térmica do Sistema 2604 13 O Chi² foi ajustado de modo que ele ficasse próximo do número de graus de liberdade(NGL), como o Chi² primeiramente foi 0,19871 e o NGL é 16, o Chi² precisaria ser aproximadamente dez vezes maior. Para isso acontecer, o grupo diminuiu a incerteza num fator de 10 para que ficasse próximo do NGL. O Chi² é inversamente proporcional à incerteza, como mostra a equação 7. ² ( )²χ = ∑ σ yi−axi−b (7) Como o grupo calculou a capacidade térmica total do sistema, foi possível calcular a capacidade térmica do calorímetro e ocalor específico da água através da equação 8: cC total = mágua água + Ccalorímetro (8) Para um valor com maior precisão foi feito um gráfico com os dados de toda a turma, como pode-se verificar na figura 3. A massa utilizada no gráfico foi uma média feita com as massas inicial e final. Figura 3 - Capacidade térmica total do sistema x massa média. Tabela 7 - Capacidade térmica do calorímetro e valor obtido para o calor específico da água. Incertezas Capacidade Térmica do calorímetro (J/°C) 154 20 Calor específico da água (J/g°C) 4,02 0,04 Teste-Z entre o valor do calor específico da água obtido e o valor tabelado: Z = = 4,15 √ (0,04)² 4,186− 4,02 Ou seja, considerando um nível de significância de três sigmas, pode-se concluir que os valores não são compatíveis. 5. Conclusão Observando a Tabela 2, a Figura 1 e os testes-z apresentados para os dados utilizando o arranjo experimental 1, constatamos que o modelo teórico descrito pela equação (1) é compatível com nosso conjunto de dados. Isso porque os resíduos estão distribuídos de forma aleatória perto do zero e os testes Z deram entre 3 e -3. Ou seja, podemos confirmar a compatibilidade com o cálculo dos testes-z para T0 e Tr em um nível de significância de ~99,9%. No arranjo experimental 2, a massa inicial do sistema era de (571,2 ± 0,1)g, e a massa final era de (571,0 ± 0,1)g, portanto houve uma pequena evaporação da água no decorrer do experimento. Olhando a Figura 2, observamos que os resíduos concluímos que o ajuste é linear para todos os pontos, portanto o modelo utilizado é adequado. A capacidade térmica total do sistema é de (2604 ± 76) J/°C. O valor médio encontrado da capacidade térmica do calorímetro foi de 154 ± 20 J/°C e o valor do calor específico da água encontrado foi 4,02 ± 0,04 J/g°C .Pelo teste-z verifica-se que o valor calculado do calor específico da água não é compatível com o valor esperado, 4,186 J/g°C. Essa incompatibilidade pode ter ocorrido por vários fatores, como por exemplo, o ajuste e as incertezas não serem adequados. 6. Referências Bibliográficas [1] Young, H. D. Física II: Termodinâmica e Ondas, 12ª edição, São Paulo, Addison Wesley, 2008. [2] Nussenzveig, H. M.; Curso de Física Básica. vol. 2, 4ª edição, São Paulo, Edgard Blücher, 2002. [3] Notas de aula.
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