Roteiro de Experimento lab 20, 21, 22 e 23

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 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: 
݀݁݊ݏ݅݀ܽ݀݁ = ݉ܽݏݏܽݒ݋݈ݑ݉݁ 
Ou 
ߩ = ܸ݉ 
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 
Inicie o Virtual Physics e selecione Density and Buoyancy na lista de atividades. O programa vai abrir a bancada de estudos sobre densidade (Density). 
 Atividade Prática 
Disciplina: Física Termodinâmica e Ondas 
Professor: Cristiano Cancela da Cruz Curso: Engenharia (Produção, Computação e Elétrica) UTA: 
 
 Solucionar problemas, calcular, aplicar conceitos, fazer previsões, tirar conclusões. 
1 Densidade e Flutuabilidade 
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 Depósito de bolas 
 
1 Você vai medir a densidade de objetos sólidos e de vários fluidos com a intenção de tentar prever se os objetos sólidos afundam ou flutuam. Você também vai calcular o empuxo exercido sobre os sólidos em um dos fluidos. Ache a bola de gelo (Ice), entre as bolas penduradas na parede, e arraste-a para o prato da balança. Anote a massa na Tabela de dados 1. 
2 Use as setas para cima e para baixo no painel de controle para selecionar o fluido. Selecione o Virtual Fluid B. Este é um fluido virtual único usado somente neste laboratório virtual. Clique no botão Full abaixo do painel para ativar a opção de encher completamente o cilindro. Clique no botão Fill para despejar o fluido no cilindro de 250 mL selecionado. Você pode selecionar outros cilindros usando as setas verdes logo acima da “boca de saída” de fluidos. Clique na parte superior do cilindro para ampliar a leitura no nível do fluido (Zoom). Anote o volume do fluido virtual na Tabela de dados 1. 
3 Arraste a bola de gelo e solte-a na “boca” do cilindro preenchido com o fluido virtual. Clique 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. Anote o volume na tabela. 
4 Solucionando problemas A partir de suas medições, como determinar o volume da bola de gelo? 
 5 Repita as etapas 2 a 5 para testar outras duas amostras: alumínio (Aluminium) e madeira de pinheiro (Pine Wood). Anote suas medições na Tabela de dados 1. 
6 Calcule o peso de cada objeto. Lembre-se: peso = massa × força da gravidade (g). Use as massas em quilogramas e g = 9.8 m/s2. 
 
 
 
 
 ordem alfabética 
 o cilindro 
 
Reiniciar o 
Esvaziar o cilindro 
ordem alfabética de materiais 
 
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Densidade de um líquido 
8 Use as setas para cima e para baixo no painel de controle para percorrer as opções de fluido. Selecione etanol (Ethanol ). Clique no botão Full abaixo do painel para ativar a opção de encher o cilindro completamente com o fluido. Clique no botão Fill para despejar no cilindro a quantidade selecionada de fluido. Clique na parte superior do cilindro para ampliar a leitura no nível do fluido (Zoom). Anote o volume na Tabela de dados 2. 
9 Arraste o béquer vazio localizado em cima da bancada até a balança e anote sua massa na Tabela de dados 2. 
10 Pegue o cilindro preenchido com etanol e derrame o conteúdo dentro do béquer vazio. Anote a massa de etanol e do béquer na Tabela de dados 2. 
11 Solucionando problemas: De que maneira podemos determinar a massa do etanol e do béquer? 
 Anote a massa do etanol na Tabela de dados 2. Clique na alavanca azul ao lado do cilindro para esvaziá-lo (Empty). 
12 Repita as etapas 8 a 11 para obter as densidades da água (Water) e do azeite (Olive Oil). Anote seus resultados na Tabela de dados 2. 
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3 
Densidade e Flutuabilidade 
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Análise e conclusão 
1 Calculando: Use a equação da densidade para calcular a densidade de cada amostra sólida. Anote seus resultados na Tabela de dados 1. 
2 Calculando: Use a mesma equação para calcular a densidade dos fluidos. Anote seus resultados na Tabela de dados 2. 
3 Aplicando: O que determina se um objeto flutua ou afunda: o peso ou a densidade do objeto? Explique. 
 
 
 
 Fazendo Previsões: Qual sólido vai flutuar no azeite? Explique. 
 
 Calcule o empuxo exercido sobre cada um dos objetos imersos no azeite. Você já calculou o volume do fluido deslocado por cada objeto imerso no azeite e a densidade do azeite. Use a equação da densidade para calcular a massa do volume de azeite deslocado. Para calcular o empuxo, você necessita do peso do azeite deslocado em cada um dos casos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 amostra (mL) 
 
 
 
 
 
 
 
4 
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Empuxo sobre um objeto = peso do fluido deslocado = massa do fluido deslocado × g 
Anote seus resultados na Tabela de dados 1. Agora você consegue 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. 
 
 
5 Teste suas previsões. Preencha três cilindros com azeite e coloque um objeto em cada cilindro e para observar se eles flutuam ou afundam (você pode soltar as três bolas ao mesmo tempo usando All). 
6 Fazendo previsões O que aconteceria se o cilindro fosse preenchido com água e azeite ao mesmo tempo? 
 
 Preencha um dos cilindros com metade de azeite e metade de água para testar sua previsão. Clique no botão ½ no controle de distribuição antes de clicar em Fill, assim você conseguirá preencher o cilindro pela metade com azeite. Em seguida, selecione a água como fluido e clique em Fill novamente, para preencher a outra metade do cilindro. 
7 Tirando conclusões 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Densidade e Flutuabilidade 85 5 
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 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 relaçãoentre a pressão e o volume de um gás e resumiu seus resultados no que hoje são as chamadas de leis 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 
1 Inicie o Virtual Physics e selecione Pressure and Volume of a Gas na lista de atividades. O programa vai abrir 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 7436 cm3. 
 
2 Fazendo previsões: Você irá aumentar a pressão do balão. O que você imagina que acontecerá com o volume do balão? 
 Atividade Prática 
Disciplina: Física Termodinâmica e Ondas 
Professor: Cristiano Cancela da Cruz Curso: Engenharia (Produção, Computação e Elétrica) UTA: 
 
 Desenhar gráfi cos, tirar conclusões, interpretar dados, fazer previsões. 
Alavanca para 
1 Pressão e Volume de Gases 
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3 Observe a pressão e o volume inicial do gás e anote-os na tabela abaixo. Agora clique no número 1 da janela de pressão (Pressure). O dígito deve ficar verde. Digite “2” para alterar a pressão para 200 kPa. Anote a pressão e o novo volume na tabela. Repita esse passo, agora aumentando pressão para 300 kPa. Continue aumentando a pressão de 100 em 100 kPa até atingir a pressão de 700 kPa, sempre preenchendo a tabela. 
4 
Pressão (kPa) Volume (cm3) 
 
 
 
 
 
 
 
Análise e conclusão 
 
2 Pressão e Volume de Gases 
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Diminua a pressão do balão para testar sua previsão. Arraste a alavanca do controlador de pressão para baixo até que o dígito das dezenas fique azul; segure a alavanca nessa posição. Isso vai diminuir a pressão. O que acontece com o volume do balão? Qual a relação entre volume e pressão? 
 
 
 
 
 
 
Pressão e Volume de Gases 89 
 
 
 
 
 
3 
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 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 
1 Inicie o Virtual Physics e selecione Specifi c Heat of Metals na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de calorimetria (Calorimetry). 
 
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 Atividade Prática 
Disciplina: Física Termodinâmica e Ondas 
Professor: Cristiano Cancela da Cruz Curso: Engenharia (Produção, Computação e Elétrica) UTA: 
 
 Efetuar medições, calcular, aplicar conceitos, analisar, fazer previsões, planejar experimentos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
mostrador de 
do calorímetro 
 
Almoxarifado 
1 Calor Específico de Metais 
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2 Meça o calor específico do alumínio (Al) e de aço inoxidável, dois metais comuns. Para que não haja confusão sobre a amostra que é testada, anote seus resultados na tabela. Clique no Lab book para abri-lo. Anote a massa, em gramas, da amostra de alumínio (Aluminum) que está na balança. Se não conseguir visualizar o valor, clique na balança (Balance) para ampliar e, depois, clique em Zoom out para retornar à bancada. 
3 Arraste a amostra de alumínio da balança para o forno (Oven). O forno está programado para aquecer até 200 °C (não se esqueça de clicar na porta para fechá-lo). 
4 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. Determine a massa da água utilizando os dados de densidade e volume. Anote os dados na tabela a seguir. 
Certifique-se de que o agitador está ligado (você deve ver a haste rodando). Clique na janela do termômetro para trazê-la à frente e, em seguida, clique em Save para registrar seus dados. Deixe o termômetro na água de 20 a 30 segundos para obter uma temperatura base para a água. 
 Você pode clicar no relógio na parede identificado como Accelerate, para acelerar o tempo de laboratório. 
 
5 Efetuando medições: Clique no forno para abri-lo. Arraste a amostra de alumínio do forno até que seja colocada acima da tampa preta do calorímetro e, então, solte-a. Clique nas janelas do termômetro e do gráfico para trazê-las para frente e observe a mudança de temperatura até que um valor constante seja atingido. Espere mais 20-30 segundos e aperte Stop na janela do termômetro. Um link de dados vai aparecer em seu Lab book. Clique no link e anote na tabela os dados de temperatura antes de adicionar o alumínio e a temperatura máxima atingida depois de o ter adicionado. (Lembre-se de que a água começará a esfriar após atingir a temperatura de equilíbrio). 
6 Repita o experimento com a amostra de aço inoxidável. Clique na lixeira vermelha no canto esquerdo da tela para limpar a bancada (Cleanup Lab Bench). Clique no almoxarifado (Stockroom) parar entrar. Clique duas vezes no calorímetro de Dewar para movê-lo para o balcão. Clique no armário de amostras metálicas (Metals) e abra a última gaveta clicando nela; as amostras estão organizadas alfabeticamente. Clique duas vezes na amostra de aço (Steel) para selecioná-la e então clique em Zoom Out. Clique duas vezes na placa de Petri com a amostra selecionada (Stainless Steel) para levá-la ao balcão. Retorne ao laboratório (Return to Lab). 
7 Mova a placa de Petri com a amostra até a região realçada ao lado da balança. Clique na balança (Balance) para aproximar e, em seguida, clique em Tare para zerar a balança. Coloque a amostra de metal no prato da balança e anote a massa na tabela a seguir. Retorne à bancada (Zoom Out). 
8 Clique duas vezes no calorímetro para posicioná-lo adequadamente na bancada. Clique na porta do forno para abri-lo e arraste a amostra de aço para dentro dele. Clique novamente na porta do forno para fechá-la. Mude a temperatura do forno para 200 °C clicando diversas vezes no botão acima do dígito da dezena. Encha a proveta com 100 mL de água segurando-a embaixo da torneira até que ela retorne à bancada. Coloque a água no calorímetro. Ligue o agitador (Stir) e o termômetro. Clique no botão Graph e, em seguida, em Save. Mova a amostra do forno e coloque-a no calorímetro. Siga os mesmos procedimentos realizados com a amostra de alumínio para obter o valor da temperatura de equilíbrio. Anote suas observações na tabela abaixo. 
 
 
 
 
 
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 Alumínio Aço 
Massa de metal (g) 
Volume de água (mL) 
Massa de água (g) 
Temperatura inicial da água (°C) 
Temperatura inicial do metal (°C) 
Temperatura máxima da água + amostra (°C) 
Calor específico (J/[g · °C]) 
Análise e conclusão 
 
Qágua = mágua ⋅ cáguaTágua 
 
Dado: cágua = 4.184 J/(g °C)
 é negativo) , calcule o calor específico do alumínio. Note que: 
Qágua = – QAl = mAl ⋅ cAl . TAl Resolvendo a equação acima para o calor específico, temos: 
஺ܿ௟ = − ܳ஺௟݉஺௟ . ∆ ஺ܶ௟ 
Anote seus resultados na tabela. 
Calor Específico de Metais 
  
 Q adquirido pela água utilizando a seguinteequação: 
 
 
  
 Sabendo que o calor adquirido pela água é igual ao calor perdido pelo metal (e, por isso, o Q 
 
 
3 
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5 Calculando: Calcule o calor específico para o aço e anote-o na tabela. 
6 Aplicando conceitos O calor específico é 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. 
 
 
 
 7 
 
 
 
 
 
maneira. 
Prevendo: 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Analisando: Muitas panelas são feitas de aço ou alumínio. Discuta qual tipo de panela seria melhor. 
calor de outra 
 
7 
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 9 Planejando experimentos: 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. 
 
 
 
 
 
 Calor Específico de Metais 95 5 
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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. 
 
1 Inicie o Virtual Physics e selecione Phase Changes na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de calorimetria (Calorimetry). 
 
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 Atividade Prática 
Disciplina: Física Termodinâmica e Ondas 
Professor: Cristiano Cancela da Cruz Curso: Engenharia (Produção, Computação e Elétrica) UTA: 
 
 
Desenhar gráfi cos, interpretar dados, aplicar conceitos, tirar conclusões, relacionar causa e 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
mostrador de 
 
do calorímetro Barômetro 
1 Mudança de Estado Físico 
 
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2 O experimento está montado com um calorímetro simples preenchido com 65 mL de água à temperatura ambiente. Há um béquer ao lado da balança. Clique na balança e arraste o béquer colocando-o sobre ela. Aperte o botão Tare para tarar a balança. Arraste o béquer novamente para a mesa e clique em Zoom out. Clique no balde verde de gelo (Ice) para abri-lo. Clique com o pegador de gelo dentro do balde, arraste até o béquer e solte o gelo. Clique no botão Save da janela do termômetro para registrar os dados de temperatura. Clique na balança para aproximar e, em seguida, arraste o béquer sobre ela. Anote, no espaço abaixo, a massa de gelo. Observe a variação na temperatura enquanto o gelo resfria a água e derrete. 
3 Retorne à bancada (Zoom out), leve o béquer até o calorímetro para colocar o gelo no copo. Clique no relógio identificado como Accelerate, na parede do laboratório, para acelerar o tempo. Clique em Lab book para abri-lo e então clique na janela do gráfico para trazê-la para a frente. 
4 Observe o gráfico de temperatura da mistura gelo com água em função do tempo até o momento em que a temperatura começa a aumentar devido ao aquecimento da água (depois de uns 4 minutos). 
5 Agora você irá aquecer a água e observar a variação de temperatura enquanto a água se torna vapor. Ligue o aquecedor (Heat) clicando no interruptor verde/vermelho (On/Off ) no painel de controle. Observe os gráficos de temperatura da água em função do tempo na janela no gráfico até que comece a sair vapor do calorímetro. Anote essa temperatura, que é da água fervendo, na tabela a seguir. Continue observando o gráfico por mais 2 minutos e clique Stop na janela do termômetro. 
6 Clique no barômetro (Barometer) — localizado na parede, à esquerda da placa verde Exit — para visualizar a pressão atmosférica. Anote 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) 
 
7 Deve ter surgido um link azul em seu Lab book. Clique nele para visualizar os dados de temperatura. 
8 Análise e conclusão 
1 Desenhando gráficos: No espaço indicado, faça o gráfico da temperatura da água em função do tempo. Use os dados do link em seu Lab book. Não é preciso utilizar todos os pontos; escolha alguns pontos críticos do gráfico. Identifique 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 
 
 
2 Mudança de Estado Físico 
 
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havia apenas água líquida. Também identifique 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. Lembre-se de usar uma escala adequada. 
 
3 Aplicando conceitos O que aconteceu com a temperatura enquanto ainda havia gelo na água? 
Por quê? 
 
4 Tirando conclusões: O que aconteceu com a temperatura depois que o gelo derreteu? Por quê? 
 
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3 
3 Mudança de Estado Físico 
 
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5 Aplicando conceitos O aquecedor continuou ligado após a água atingir seu ponto de evaporação. O que aconteceu com a temperatura da água nesse momento? 
 
 
 
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? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 Mudança de Estado Físico 
 
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100 
 
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