Experimento - Transferencia de Calor - Física Experimental II

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Experimento 7:Transferência de Calor 
 
1 OBJETIVOS 
 Ao término dessa atividade o aluno deverá ter competência para: a) identificar, comparar e classificar as formas 
de propagação de calor; b) reconhecer que o calor, para se propagar, necessita de uma diferença de temperatura 
entre as regiões de escoamento; c) mencionar que o fluxo térmico sempre se verifica no sentido das temperaturas 
decrescentes. 
 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
No final do século XVIII, existiam duas hipóteses alternativas sobre o calor. A hipótese mais aceita considerava o 
calor como uma substância fluida indestrutível que “preencheria os poros” dos corpos e escoaria de um corpo mais 
quente a um mais frio. Lavoisier chamou esta substância hipotética de “calórico”. A implicação era que o calor pode 
ser transferido de um corpo a outro, mas a quantidade total de “calórico” se conservaria, ou seja, existiria uma lei de 
conservação de calor. A hipótese rival, endossada entre outros por Francis Bacon e Robert Hooke, foi assim expressa 
por Newton em 1704: “O calor consiste num minúsculo movimento de vibração das partículas dos corpos”. A 
principal dificuldade estava na “lei de conservação do calórico”, pois a quantidade de calórico que podia ser 
“espremida para fora” de um corpo por atrito era ilimitada. Com efeito, em 1798, Rumford escreveu: “Foi por acaso 
que me vi levado a realizar as experiências que vou relatar agora...Estando ocupado ultimamente em supervisionar a 
perfurção de canhões nas oficinas do arsenal militar de Munique, chamou-me a atenção o elevado grau de 
aquecimento de um canhão de bronze, atingido em tempos muito curtos, durante o processo de perfuração...A 
fonte de calor gerado por atrito nestas experiências parece ser inesgotável ... e me parece extremamente difícil de 
conceber qualquer coisa capaz de ser produzida ou transmitida da forma como o calor o era nestas experiências, 
exceto o movimento. Rumford foi levado a endossar a teoria alternativa de que “...o calor não passa de um 
movimento vibratório que tem lugar entre as partículas do corpo”. A transferência de calor de um ponto a outro de 
um meio se dá através de três processos diferentes: convecção, radiação e condução. A convecção ocorre 
tipicamente num fluido, e se caracteriza pelo fato de que o calor é transferido pelo movimento do próprio fluido, 
que constitui uma corrente de convecção. Um fluido aquecido localmente em geral diminui de densidade e por 
conseguinte tende a subir sob o efeito gravitacional, sendo substituído por um fluido mais frio, o que gera 
naturalmente correntes de convecção. O borbulhar da água fervente em uma panela é o resultado de correntes de 
convecção. A radiação transfere calor de um ponto a outro através da radiação eletromagnética. A radiação térmica 
é emitida de um corpo aquecido e ao ser absorvida por outro corpo pode aquecê-lo,convertendo-se em calor. O 
aquecimento solar é uma forma de aproveitamento da radiação solar para a produção de calor. Um ferro em brasa 
emite radiação térmica e aquece a região que o rodeia. A condução de calor só pode acontecer através de um meio 
material, sem que haja movimento do próprio meio. Ocorre tanto em fluidos quanto em meios sólidos sob o efeito 
de diferenças de temperatura. A radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. 
Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-
Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço. A condução ocorre dentro de uma substância ou 
entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, 
o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas 
(moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A 
capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra, sólidos são 
melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são 
excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor. Consequentemente, a 
condução só é importante entre a superfície da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio 
de transferência de calor para a atmosfera como um todo a condução é o menos significativo e pode ser omitido na 
maioria dos fenômenos meteorológicos. A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência 
 
 Universidade Estácio de Sá – 
Curso: Engenharias Disciplina: 
FísicaExperimental II 
Código: 
CCE0478 
 
Turma: 
 
Professor (a): Data de Realização: 
 
 
 
de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da 
atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre 
como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente 
quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio 
de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido 
pela superfície e o processo é repetido. Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da 
superfície da Terra para a troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os 
polos. O calor é também transportado horizontalmente na atmosfera, por movimentos convectivos horizontais, 
conhecidos por advecção. O termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera. 
Quando colocamos uma panela com água no fogo, ele começa a aquecer a água. Esse processo inicial de 
aquecimento se dá por condução de calor, e a parte na superfície da água vai sendo aquecida paulatinamente. No 
entanto a taxa de aquecimento da água no fundo da panela é maior do que a taxa de aquecimento da água na 
superfície. A água entre o fundo e a superfície não dá conta da condução do calor que é comunicado através do 
fogo. Começam a se formar no fundo bolsões de água mais quentes que a vizinhança, e esses bolsões começam a 
subir para a superfície. Nesse instante a convecção passa a ser o processo principal de condução de calor na panela. 
E isso acontece por causa da incapacidade da água conduzir calor de maneira adequada nesta panela sobre o fogo. 
 
3 MATERIAIS 
1.1. Conjunto Demonstrativo EQ051 
 
 
1.2. Vela de cera comum 
1.3. Quatro esferas Metálicas 
1.4. Cronômetro 
 
1.5. Régua 
1.6. Termômetro 
 
1.7. Lamparina 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 ROTEIRO DO EXPERIMENTO 
4.1 Preparamos a montagem, com a vela acesa, pingamos gotas de parafina na barra nos pontos já marcados e em 
cada posição fixamos uma esfera em cada ponto; 
4.2 Anotamos as distâncias de cada esfera até o ponto de fixação da barra; 
4.3 Com a barra horizontalmente no suporte, deixamos as esferas voltadas para baixo; 
4.4 Com a lamparina acesa, fizemos o aquecimento da extremidade livre da barra e anotamos os tempos que 
levaram para cada esfera se desprender da barra; 
4.5 Com as medições do tempo x distância respondemos aos seguintes questionamentos: 
Demonstrando o Processo de Condução 
Como se justifica o fato das esferas se desprenderem sequencialmente? 
R: No processo de condução o calor transfere-se partícula por partícula e se propaga em toda a barra até 
alcançar a outra extremidade. 
 Qual a função da cera e das esferas utilizadas no experimento? 
R: Conforme a barra é aquecida, a cera derrete liberando as esferas que outrora estavam fixas na barra. 
É possível a esfera colocada na posição 2 se desprender antes da posição 1? Justifique sua resposta. 
R:Não, porque a esfera 1 se encontra mais próxima à fonte de calor, logo ela se desprenderá primeiro. 
Como é denominada essa forma de transferência de calor e qual sua principal característica? 
R: Condução, sua principal característica é a necessidade de contato direto para que seja realizada a 
transferência de calor. 
 
Demonstrando o processo de Convecção 
4.6 Preparamos a montagem fixando a ventoinha acima da lâmpada e ambas envoltas pelo anteparo. 
4.7 Ligamos a lâmpada e observamos a ventoinha movimentar-se. 
4.8 Com essas observações, respondemos: 
O que acontece com a molécula de ar frio que se encontra próximo da lamparina acesa? 
R: Ela tende a se aquecer. 
Com base no princípio de Arquimedes, justifique o movimento de subida da molécula aquecida de ar. 
R: A molécula aquecida é menos densa que a fria então o ar quente tende a subir enquanto o ar mais frio tende a 
descer. 
Justifique o movimento da ventoinha. 
R: O movimento da ventoinha é provocado pelo ar quente que sobe. 
 Como se denomina esta maneira do calor se propagar e qual a sua principal característica? 
R: Convecção é um processo de transporte de massa caracterizado pelo movimento de um fluido devido à sua 
diferença de densidade, especialmente por meio de calor. 
 
Demonstrando o processo de Radiação 
4.9 Fizemos a montagem fixando o termômetro no anteparo; 
4.10 Medimos a temperatura inicial indicada no termômetro; 
4.11 Ligamos a lâmpada por cinco minutos (cronometrado), anotando a temperatura final; 
 
 
4.12 Desligamos a lâmpada; 
4.13 Esfriamos o termômetro e envolvemos com um papel preto, fixando-o com elásticos; 
4.14 Repetimos o experimento e anotamos a temperatura após cinco minutos; 
4.15 Desligamos a lâmpada; 
4.16 Esfriamos o termômetro e o envolvemos com um papel alumínio, fixando-o com elásticos; 
4.17 Repetimos o experimento e anotamos a temperatura após cinco minutos; 
4.18 Com base nessa verificação, respondemos: 
De onde veio a energia térmica capaz de provocar a elevação de temperatura indicada no termômetro? 
R: A energia térmica que elevou a temperatura do termômetro veio da lâmpada. 
 Caso não houvesse ar (moléculas) entre a lâmpada e o termômetro, poderíamos verificar o mesmo efeito? 
Justifique! 
R: Sim, porque a luz da lâmpada pode se propagar em meios transparentes como: vácuo, ar, vidro, água e etc. 
 Como é denominada esta maneira de o calor se propagar e qual sua principal característica? 
R: Radiação, sua principal característica é ser a única forma de transmissão de calor que pode ocorrer no vácuo. 
 Algumas lâmpadas possuem a parte traseira espelhada. Procure justificar a função da superfície espelhada na 
parte de trás da lâmpada; 
R: As superfícies espelhadas tendem a minimizar a perda de energia térmica por irradiação. 
 Qual a influência da cor dos papeis utilizados na temperatura do termômetro? Justifique, 
R: Ao ser envolvido em um papel de cor preta, após cinco minutos, o termômetro registrou a temperatura bem 
elevada (63ºC). Já com o papel mais claro, que reflete melhor a radiação, após cinco minutos o termômetro 
registrou uma temperatura menor de (48ºC). 
 
 
5 DADOS MEDIDOS 
 Modelo Fabricante Num Série Faixa de Medição Resolução 
Dados do Cronômetro - Miki YP2151/8P - 1/100 s 
Dados do Termômetro 39085 Incoterm L-006/06 -10ºC a 150ºC 0,1 ºC 
Dados do Parquímetro 530-320 Mitotoyo 14819681 0/165 mm 0,05 mm 
 
 
 Posição da Esfera Incerteza da Medição 
de Posição 
Tempo para 
Derretimento 
Incerteza da Medição 
do Tempo 
Posição 1 40 mm 0,025 57s 0,02 s 
Posição 2 53,5 mm 0,025 1min46s 0,02 s 
Posição 3 70 mm 0,025 2min36 0,02 s 
Posição 4 85,5 mm 0,025 4min47s 0,02 s 
 
 Temperatura Inicial Temperatura após 
cinco minutos 
Incerteza da Medição 
da Temperatura 
Termômetro livre 29ºC 50ºC + / - 0,5 
Termômetro com papel alumínio 30ºC 48ºC + / - 0,5 
Termômetro com papel preto 27ºC 63ºC + / - 0,5 
 
 
 
 
 
 
 
6ANÁLISE DOS RESULTADOS E CONCLUSÃO 
 
Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: condução, convecção e radiação. Através deste 
experimento, foi possível observar que na transferência de calor por condução ocorre, por exemplo, em metais 
como o alumínio, cobre e ferro. Quando o metal é aquecido as partículas que o compõe ficam agitadas e transferem 
calor a todas as partículas que constituem o material. A condução ocorre dentro de uma substância ou entre 
substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o 
 
 
calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas 
(moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). 
Observamos através do desprendimento das esferas após a transmissão de calor na proximidade, as esferas mais 
próximas foram as primeiras a se desprenderem. 
A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície 
relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos 
denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais 
frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido. Observamos pelo movimento da ventoinha que se 
movimenta através do ar quente, o ar frio desce e o ar quente sobe e faz com que a ventoinha movimenta-se. 
A transferência de calor por Irradiação acontece com a propagação de energia através do espaço por ondas 
eletromagnéticas. Neste tipo de transferência a energia não necessita de meio material para se propagar, já que as 
ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo, esta transferência ocorre de um corpo emissor para um receptor. 
Em nossa experiência o corpo emissor (lâmpada) fez com que a temperatura do corpo receptor(termômetro) se 
elevasse, demonstrando ainda a influência da cor escura e a clara na absorção de calor, cor escura absorve mais 
calor elevando a temperatura e cor mais clara absorve menor calor, logo a temperatura será menor. 
 
 
6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/cap2-9.html 
http://brasilescola.uol.com.br/quimica/transferencia-calor-um-sistema.htm