Relatório Física II - Equivalente Calor e Energia

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Universidade Federal da Bahia 
Instituto de Física 
Departamento de Física Geral 
FIS 122 – Física Geral e Experimental II-E / Laboratório 
Data: 20/08/2017 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Equivalente 
do Calor e da 
Energia 
 
 
 
Índice 
Física Geral e Experimental II-E – Equivalente do Calor e da Energia 
 
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Introdução 3 
Fundamentação Teórica 4 
O que foi feito no Laboratório 5 
Folha de Dados 6 
Tratamento de Dados 7 
Conclusão 7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Introdução 
Física Geral e Experimental II-E – Equivalente do Calor e da Energia 
 
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A energia é uma grandeza que foi definida de maneira independente na mecânica e na 
calorimetria, onde são respectivamente denominadas energia mecânica e calor. Com a 
descoberta que estas duas definições independentes se referem a um mesmo ente físico, 
surge uma nova teoria, a termodinâmica, que trata das relações de troca de energia sob a 
forma de calor e energia mecânica (ou química) entre sistemas físico-químicos. 
A termodinâmica requer, portanto, uma relação quantitativa entre as duas unidades de 
medida independentes para o calor e a energia mecânica. A primeira unidade é a caloria, 
definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de águia de 
14,5ºC para 15,5ºC. 
A unidade da energia mecânica é expressa em termos das unidades fundamentais de 
comprimento , massa e tempo baseados na análise dimensional: energia , 
sendo no SI a unidade da energia denominado Joule (J), e no sistema CGS o Erg. A energia 
elétrica pode ser medida na mesma unidade de energia mecânica, pois ela pode ser definida 
em termos de força elétrica de Coulomb entre cargas, notando-se que . 
O objetivo deste experimento consiste na determinação do equivalente entre a caloria e 
o joule, isto é, a determinação de valor da constante A, definida por: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fundamentação teórica 
 
Física Geral e Experimental II-E – Equivalente do Calor e da Energia 
 
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1. Calor Específico 
 
Ao se fornecer calor um corpo material este tem sua temperatura aumentada. Este 
aumento depende da massa do corpo, da quantidade de calor fornecida e do calor específico 
que é uma propriedade que mede a "inércia térmica" do material, isto é, a sua resistência em 
alterar a temperatura quando troca calor, sendo quantitativamente medido a partir da relação 
básica da calorimetria: . Usualmente este é medido em unidades de cal/gºC. No caso 
da água, que é um material utilizado para a definição da caloria, temos que: . 
Neste experimento será medido o calor específico do alumínio. 
 
2. Determinação da constante A 
 
Ao se aquecer uma determinada massa de água com um aquecedor elétrico, mede-se 
a energia elétrica fornecida pelo aquecedor (em J) e o aumento da temperatura. Tem-se que 
, onde P é a potência do aquecedor (medido em Watt) e o tempo ΔT 
(segundos) que foi fornecido energia para a água. Por outro lado, o calor absorvido pela água 
pode ser expresso (medido em calorias) por , onde m é a massa da 
água, e . Igualando a energia fornecida à absorvida, e usando a 
expressão: 
 
 
 
3. O processo de medida de temperatura 
 
Em medidas de temperatura, é indispensável que o aparelho de medida (o termômetro) 
entre em equilíbrio térmico com o objeto que está sendo medido. Se isto não ocorre, a leitura 
do termômetro não registra a verdadeira temperatura do objeto. O tempo necessário para que 
o equilíbrio térmico ocorra depende do aparelho, do objeto, e das temperaturas em que estes 
se encontram antes do processo de medida ser iniciado. no entanto, o termômetro e o objeto 
podem trocar calor também com outros objetos. No nosso experimento o calorímetro não é 
totalmente isolado e há sempre perdas para o meio externo. 
Por isso é importante que o processo de leitura do termômetro seja a intervalos curtos, 
para que possamos detectar rapidamente o processo de equilíbrio entre o termômetro e a água 
e separá-los da diminuição de temperatura devido as perdas de calor para o meio externo, 
reduzindo assim as perdas significativas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O que foi feito no Laboratório? 
 
Física Geral e Experimental II-E – Equivalente do Calor e da Energia 
 
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O material utilizado no laboratório para realização do experimento foi: 
 Aquecedor 
 Termômetro 
 Calorímetro – Caixa de alumínio dentro de uma de isopor 
 Relógio 
 Béquer 
 Balança 
 
 
Pesou-se a caixa (mcaixa= 488 g). Pesou-se também uma massa de cerca de 4000 g de 
água (4 litros). Foi colocada a água dentro do calorímetro, tampando-se logo em seguida. Foi 
medida a temperatura inicial da água (Tágua = 25°C). Foi feita a leitura da potência do 
aquecedor (626 W de potência). Registraram-se os dados na folha de dados. O uso da caixa 
de isopor deve-se ao fato de este ser isolante térmico, impedindo, assim, a perda de calor para 
o meio (até certo ponto). O uso da caixa de alumínio é para evitar o escoamento da água. 
Anotou-se o tempo inicial e o aquecedor foi ligado (zero segundo). O aumento da 
temperatura foi controlado registrando-se na tabela da Folha de Dados o valor da temperatura 
em intervalos de 60 segundos, até que a temperatura atingisse 80ºC. Desligou-se o aquecedor 
e foi registrado o instante em que este foi desligado. 
Para ser determinado o calor específico do alumínio usou-se o calorímetro e a água 
quente em seu interior. Pesou-se uma barra de alumínio (mbarra = 1684 g) e sua temperatura 
inicial (Tbarra = 26°C), sendo ambos registrados na tabela. Abriu-se o calorímetro (rapidamente) 
e foi mergulhada a barra de alumínio, sendo novamente tampado após isto. Continuou-se a 
medir a temperatura da água no interior do calorímetro em intervalos de 60 segundos. 
Registrou-se as dados na tabela, observando que a temperatura cai um pouco, pois a água 
quente perde calor para aquecer o alumínio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Folha de Dados 
Equivalente do Calor e da Energia 
 
Física Geral e Experimental II-E – Equivalente do Calor e da Energia 
 
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mcaixa = 488 g mágua = 4000 g mbarra = 1684 g Potência = 626 W tinicial = 0 s 
Ti.água = 25°C Tf.água = 80,4°C Ti.Al = 26°C Tf.Al+água = 77,2°C 
 
 
 
 
 
0 25,0 1260 73,4 
60 27,8 1320 75,5 
120 30,1 1380 77,4 
180 32,5 1440 78,5 
240 34,7 1500* 80,1 
300 36,9 1560 81,0 
360 39,4 1620 81,0 
420 42,0 1680 80,8 
480 44,5 1740 80,6 
540 46,6 1800 80,4 
600 47,9 1860* 78,3 
660 50,0 1920 78,0 
720 52,5 1980 77,9 
780 54,6 2040 77,6 
840 57,3 2100 77,2 
900 59,7 
960 62,3 
1020 64,5 
1080 66,7 
1140 69,0 
1200 71,2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tratamento de Dados 
 
Física Geral e Experimental II-E – Equivalente do Calor e da Energia 
 
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 Construiu-se o gráfico da temperatura em função do tempo até o momento em que a 
temperatura da água com a barra de alumínio estabilizou-se. 
 
Potência = 626 W 
t = 1500 s 
∆Tágua = Tf.água − Ti.água = 80,4 − 25 = 55,4ºC 
∆TAl = Tf.Al − Ti.Al = 77,2 − 26 = 51,2 ºC 
∆TAl+água = Tf.Al − Tf.água = 77,2 − 80,4 = −3,2ºC 
 
 Determinação de A:Wfornecido = Pt 
Wfornecido = 626 × 1500 = 939.000 J 
Wabsorvido = máguacágua∆Tágua = 4000 × 1 × 55,4 = 221.600 cal 
Pt = A máguacágua∆Tágua → 939.000 = A × 221.600 → A = 4,24 J 
1 J = 0,236 cal ou 1 cal = 4,24 J 
 
 
Determinação do calor específico do Alumínio: 
 
Qabs = mAlcAl(Tf.Al+água − Ti.Al) 
Qabs = 1684 × cAl × (77,2 − 26) = 86.220,8 cAl 
Qágua = máguacágua(Tf.Al+água − Tf.água) 
|Qágua| = 4000 × 1 × (77,2 - 80,4) = 12.800 
Qabs + |Qágua| = 0 
 
 
 
 
Conclusão 
 
 O objetivo do experimento que é a determinação do equivalente calor e energia foi 
alcançado, pois com os cálculos alcançou-se um valor de A = 4,24 J/cal ou A = 0,236 cal/J com 
um desvio de 1,19%, sendo um valor bastante aceitável.