relatório equivalente energia e calor

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Universidade Federal da Bahia
Instituto de Física
Departamento de Física Geral
FIS 122 – Física Geral e Experimental II-E / Laboratório
Turma Teórica/Prática: T05 / P09	Data: 17/09/2007
Alunos: Érico Santos, Simon Mazur, Tadeu Oliveira, Thiago José Luz
Equivalente do Calor e da Energia
Índice
Introdução 										 3
Fundamentação Teórica								 4
O que foi feito no Laboratório 							 5
Folha de Dados 									 6
Tratamento de Dados 									 7
Folha de Questões									 8
Conclusão 										 9
Anexos 										10
Introdução
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 denomidado 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
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?
O material utilizado no laboratório para realização do experimento foi:
Aquecedor
Termômetro
Calorímetro – Caixa de alumínio dentro de uma de isopor
Relógio
Béquer
Vaso calibrado ou balança
O sistema utilizado no experimento com o qual foram realizadas as observações tem montagem semelhante ao esquema abaixo:
Pesou-se a caixa (). 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 (). Foi feita a leitura da potência do aquecedor (624 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. Manteve-se o calorímetro fechado, sendo registrada na tabela a temperatura da água por mais 1260 segundos no mesmo intervalo de tempo anterior.
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 () e sua temperatura inicial (), 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
	 
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	60
	29
	
	60
	65
	120
	32
	
	120
	63
	180
	35
	
	180
	63
	240
	38
	
	240
	63
	300
	40
	
	300
	63
	360
	43
	
	360
	63
	420
	46
	
	420
	63
	480
	49
	
	480
	63
	540
	51
	
	540
	63
	600
	53
	
	600
	63
	660
	56
	
	660
	63
	720
	58
	
	720
	63
	780
	61
	
	780
	63
	840
	63
	
	840
	63
	900
	65
	
	900
	63
	960
	67
	
	960
	63
	1020
	70
	
	1020
	63
	1080
	72
	
	1080
	63
	1140
	74
	
	1140
	63
	1200
	76
	
	1200
	63
	1260
	78
	
	1260
	63
 
Tratamento de Dados
	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.
 
 
ºC 
 ºC
ºC
	Determinação de A:
 
 
 
 
 
 
 
Determinação do calor específico do Alumínio:
 
 
 
 
 
 J/gºC 
 
	Determinação da constante A considerando a influência da caixa de alumínio:
	Determinação do calor específico do alumínio considerando a influência da caixa de alumínio.
 
 
 
 
J/gºC 
 
Folha de Questões
Equivalência do Calor e da Energia
Resolução das questões as quais se encontram no verso da Folha de Dados:
	1 – Qual a diferença entre capacidade calorífica e calor específico? Explique exemplificando com os materiais e/ou substâncias utilizadas no experimento?
	R: Em geral, quando um corpo recebe calor, a sua temperatura se eleva. A quantidade de energia térmica Q necessária para elevar a temperatura de um corpo é proporcional à variação de temperatura e a massa do corpo: onde .
	C é a capacidade calorífica, que é a energia térmica necessária para elevar de um grau a temperatura do corpo.
	Calor específico (c) é a razão entre a capacidade calorífica (C) e a massa do corpo: . Calor específicoé a quantidade de calor necessário para elevar de 1ºC a temperatura de 1 g de uma substância. O calor específico é característico de cada substância, no caso do experimento, foi utilizada a água com c = 1 cal/gºC e o alumínio com 0.90 J/gºC. Isso significa que tivemos que dar a água 1 cal para cada grama da mesma para que elevasse sua temperatura em 1ºC. Já no caso do alumínio por ter calor específico muito menor que da água, a quantidade de calor cedido para aumentar sua temperatura em 1ºC para 1 grama do mesmo foi menor. A temperatura do alumínio aumenta mais rapidamente.
	2 – Para a realização desse experimento você utilizou um importante princípio, presente em todas as áreas da Física. No caso em questão esse princípio permitiu correlacionar um processo térmico com um fenômeno elétrico. Enuncie esse princípio e explique a sua utilização nesse experimento.
	R: Princípio da conservação da Energia. Este princípio afirma que a energia existente em um sistema se conserva, de maneira que no caso em questão podemos relacionar que a energia cedida por uma fonte elétrica é igual a energia ganha em um processo térmico (o que acarreta em um aumento de temperatura), desprezando-se a energia dissipada para o meio.
	3 – Que problemas poderiam ter causado a obtenção do valor de A acima do valor correto? E se o valor encontrado for o oposto, isto é, abaixo do valor correto?
	R: Variações na obtenção do valor de A podem ser causadas por perdas energéticas para o meio externo, medições erradas da massa, calor específico e na leitura da variação de temperatura. Caso o A obtido seja maior que o real, alguma das características citadas foi menor que o correspondente a realidade, de maneira que o valor de A seja compensatório. Se A for menor que o real alguma das características citadas foi maior que o real, sendo que o A novamente faz a compensação.
	4 – Por que é importante cerca de 3 minutos após o desligamento do aquecedor para se tomar a medida da temperatura final da água?
	R: É importante esperar cerca de 3 minutos após o desligamento do aquecedor para que o termômetro entre em equilíbrio térmico com o objeto que está sendo medido (a água) registrando assim a verdadeira temperatura do sistema (a medida precisa)
	5 – Por que este intervalo não pode se estender por muito tempo, p.ex. por 10 ou 15 minutos?
	R: Pois se este intervalo for estendido por muito tempo, o sistema (água e termômetro) passará a trocar calor com o meio externo. No experimento o calorímetro não é totalmente isolado, e isto prejudica o processo de leitura do termômetro.
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 = 3.93 J/cal ou A = 0.254 cal/J com um desvio de 6%, sendo um valor bastante aceitável.
Anexos
 
3/12/2007	Página 9