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Física Geral e Experimental II ROTEIRO DE PROCEDIMENTOS LABORATORIAIS DANIEL MARINHO FEIJÓ GASPAR – RA 3269400 FERNANDA PASCO FRANÇA – RA 3637859 GABRIELA MARIHÁ DE ALMEIDA LARA – RA 3588645 MATHEUS BATISTA GUILHERMINO – RA 3578941 PAULO CÉZAR RIBEIRO – RA 3590364 Polo de Registro -Engenharia Civil | 09 de abril de 2018 2 Sumário INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................... 3 PROPOSITO E ALCANCE DO RELATORIO ................................................................................................. 3 TERMOMETRIA: .................................................................................................................................. 3 DILATAÇÃO TERMICA: ......................................................................................................................... 3 CALORIMETRIA: ................................................................................................................................... 3 IMPORTANCIA DO ESTUDO DA TERMOLOGIA PARA UM ENGENHEIRO CIVIL ........................................ 4 ESTRUTURA DO RELATORIO: ................................................................................................................... 6 OBJETIVO ................................................................................................................................................. 6 MATERIAIS UTILIZADOS: ......................................................................................................................... 7 Laboratório 1:...................................................................................................................................... 7 Laboratório 2:...................................................................................................................................... 8 Laboratório 3:...................................................................................................................................... 8 Laboratório 4:...................................................................................................................................... 8 LABORATORIO 1 - Dilatação Linear dos Sólidos. ..................................................................................... 9 LABORATÓRIO 2 - Propagação do Calor ............................................................................................... 14 LABORATÓRIO 3 – Escalas Termométricas ........................................................................................... 22 LABORATÓRIO 4: Calorimetria .............................................................................................................. 26 Conclusão .............................................................................................................................................. 32 Referencias: .......................................................................................................................................... 33 Nosso Grupo: Daniel Matheus Paulo Fernanda Gabriela 3 INTRODUÇÃO A primeira noção de temperatura, são nossas sensações táteis de “quente ou frio”, normalmente entendemos que quanto maior a temperatura de um corpo mais calor ele possui, ou se a temperatura é o que mede a quantidade de calor! Na verdade, ao observamos os corpos microscopicamente veremos que estes termos e ideias que usamos habitualmente estão erradas. www.fisicacomjofrenildo.blogspot.com/2012/06/temperatura-e-seus-efeitos.html. PROPOSITO E ALCANCE DO RELATORIO Para melhor compreensão dos assuntos que envolvem a termologia, estudamos: TERMOMETRIA: O que mede a temperatura. Todos os corpos são constituídos por partículas (átomos e moléculas). A temperatura é a ordem de grandeza do estado da agitação destas partículas, o aparelho utilizado para esta medição é o termômetro, que consegue registro se baseando no equilíbrio químico, os mesmos são representados por escalas termométrica, tendo como mais utilizadas a escala Celsius, Fahrenheite e Kelvin, ao qual temos como proposito entendemos como funciona a relação entre as escalas. DILATAÇÃO TERMICA: São as variações das dimensões dos corpos causado pela temperatura, isso ocorre porque quando o corpo está em maior temperatura as partículas vibram com maior intensidade se afastando uma partícula da outra. Ao diminuir a temperatura acontece o inverso. Dentro da Dilação Térmica temos: Dilatação Literal: Quando se dilata em apenas uma das direções. Dilatação Superficial: Quando ocorre aumento da área da superfície do corpo. Dilatação Volumétrica: Quando ocorre o aumento do volume do Corpo. Ao diminuir a temperatura, o corpo sofrerá o processo contrário, ao qual dominamos de contração. CALORIMETRIA: Troca de energia Térmica que ocorre pela diferença de temperatura dos corpos. As sensações que sentimos de frio ou quente, é devido transporte de energia (temperatura) que é transmitida do corpo de maior temperante para com o de 4 menor. Essa transação ocorre até o ponto de equilíbrio, quando ambos atingem uma mesma temperatura. É através deste fenômeno que é possível o uso do termômetro. IMPORTANCIA DO ESTUDO DA TERMOLOGIA PARA UM ENGENHEIRO CIVIL A exposição aos raios solares, transmite calor aos corpos, que com o aumento de sua temperatura causam dilatações. Na construção civil esse cuidado é muito importante, o engenheiro civil, sempre tem de levar em conta essas intemperes, para que não ocorra patologias na obra, podendo causar grandes prejuízos e até mesmo desmoronamentos. Os corpos ficam em completa variação tendo em vista que na sequência dos dias e da noite a temperatura esquenta e esfria. Um exemplo prático em que o engenheiro utiliza esse conhecimento é numa laje representada a seguir: Aqui temos uma laje, de comprimento L, com apoio de forma engastado do lado esquerdo e do outro articulado. http://www.ebanataw.com.br/infiltracoes/caso24.7i.jpg Esta laje é exposta durante o dia a raios solares, ao qual eleva a sua temperatura. O concreto não é bom na condução de calor, então a parte exposta chega a temperaturas altas, enquanto a parte de baixo não aumenta muito. Esta diferença faz com que a laje se envergue, ficando ligeiramente abaulada para cima. 5 http://www.ebanataw.com.br/infiltracoes/caso24.7j.jpg Isto causaria trincas nas paredes, e até mesmo na laje. Levando em conta este fenômeno os profissionais da engenharia civil, calculam o coeficiente de dilatação, antes de construir e preparam uma junta de junção, quanto mais comprida a laje, mas juntas se coloca. Isto faz com que a laje fique mais à vontade para dilatar e contrair. http://www.ebanataw.com.br/infiltracoes/caso24.7a.jpg Muitas patologias na construção civil, são devido a falta de preparo do profissional, é de extrema importância levar em considerações as características físicas dos materiais. O Engenheiro Civil é o responsável pelas construções de edifícios, pontes, asfalto, estradas, etc. Para tal é indispensável o conhecimento de termologia de cada material usado em construções, como futuros profissionais, sabemos da imensa importância do estudo desta matéria e o conhecimento do efeito da temperatura nos corpos, ao qual não levados a sério, podem causar sérios prejuízos financeiros. 6 ESTRUTURA DO RELATORIO: O presente Relatório visa: 1. Apresentar os experimentos laboratoriais com clareza através de registro fotográficos; 2. Apresentar os resultados juntos com os conhecimentosteóricos; 3. Especificar possíveis erros ocorridos na execução dos experimentos; 4. Comprovação dos fenômenos relacionados a termologia. Ao todo são 4 (quatro) experimentos laboratoriais, sendo eles: Estudo da Dilatação Linear, Propagação de Calor, Escalas Termométricas e Calorimetria. Separados por Capítulos cada laboratório, iniciará com uma breve discrição do conceito envolvido. A apresentação dos matérias será no decorrer do registro do experimento, cada vez que um material diferente for utilizado, será apresentado. As fotografias de cada experimento, estarão inseridas para melhor compreensão do experimento e para facilitar com melhor clareza os dados, tabelamos os resultados que utilizamos as grandezas de medidas por determinado tempo. OBJETIVO Nossos objetivos foram: 1. estudar a dilatação linear de tubo metálico, determinando o coeficiente de dilatação do material; 2. a propagação do calor através de convecção, irradiação e condução; 3. Estudarmos as equações fundamentais tais como quantidade de calor, capacidade térmica, princípio das trocas de calor, envolvendo a Calorimetria. Apresentamos o que aprendemos em Física II, através de experimentos práticos com objetivo a constatação dos conceitos de temperatura e calor. Os objetivos principais nos experimentos foram mostrar o cálculo da dilatação linear de sólido. determinando a dilatação e o coeficiente de dilatação Linear. Perceber que o calor pode ser transferido de um corpo para o outro, através da: condução, convecção e irradiação. O terceiro trata-se das escalas termométricas, conhecer instrumentos uti lizados para medir a temperatura dos corpos, bem como sua precisão, valores limites de escala, suas aplicações e características. O quarto experimento trata-se da calorimetria 7 através das trocas de energia entre corpos na forma de calor, utilizando a equação fundamental da calorimetria.) MATERIAIS UTILIZADOS: Laboratório 1: Kit Dilatometro Linear Azheb https://azeheb.com.br/todos-os-produtos/fisica/termodinamica/dilatometro-linear-514.html a. Base de sustentação com régua milimetrada; b. Três corpos de prova de metais diferentes (ferro, latão, alumínio); c. Um termômetro de -10°C a +110°C; d. Um balão de destilação de 250ml; e. Fogo a base de querosene; f. Rolha com furo para termômetro; g. Um Relógio comparador com precisão de 0,01mm h. Uma garra com mufa para fixação i. Um tubo de látex, com 40cm j. Uma conexão para o Corpo de Prova k. Duas hastes fixas para suporte do Corpo de Prova 8 Laboratório 2: a. Tripé com manípulo; b. Haste; c. Haste com fixador; d. Lamparina; e. Quatro pinos; f. Parafina da vela acesa para fixar os pinos; g. Fixador com extensão e ventoinha; h. Dois termômetros de –10 a +110°C; i. Um corpo de prova preto; j. Um corpo de prova branco; k. Lâmpada; l. Soquete para lâmpada com fixador. Laboratório 3: a. Um termômetro de –10°C a +110°C; b. Um termômetro clínico; c. Um termômetro de máxima e mínima. Laboratório 4: l. Um calorímetro com capacidade de 230 ml; m. Uma proveta de 150 ml; n. Um termômetro de –10°C a +110°C; o. Uma lamparina; p. Uma caixa de fósforos; q. Um tripé para lamparina; r. Uma tela de amianto de 10 cm x 10 cm; s. Um béquer de 250 ml; t. Balança de precisão. 9 LABORATORIO 1 - Dilatação Linear dos Sólidos. Quando aquecemos um sólido, espera-se ocorrer uma dilatação térmica, em que suas dimensões aumentam. Ao aumentarmos a temperatura, aumentamos o estado de agitação das partículas que constituem o corpo, ou seja, causa maior separação entre elas. Você deve observar que ao Quanto ao fenômeno inverso denominamos contração térmica, ao baixarmos a temperatura do solido as dimensões do corpo diminuem, devido a agitação das partículas ficarem mais agrupadas. Estudamos a dilatação dos sólidos através das dimensões, sendo a dilatação linear, dilatação superficial e dilatação volumétrica. Você já se perguntou porque os fios da rede elétrica são deixados com folga entre um poste e outro, ficando uma barriga? Bem é justamente para que em dias frios ele não se contraia a ponto de romper. Em dias quentes a tendência é desta curvatura aumentar. https://www.educabras.com/enem/materia/fisica/termologia/aulas/dilatacao_linear No experimento a seguir, vamos analisar a Dilatação Linear dos Corpo de Prova, onde se estuda através da variação do comprimento do sólido, pela temperatura. Utilizamos um kit Dilatômetro linear Azheb, usando como corpo de experiencia tubos de metais (1 Ferro, 1 Latão e 1 Alumínio) 10 • Procedimentos Iniciais: A. Montagem do Kit, verificando se as conexões estão corretas e desentupidas. i. Fixamos o tubo metálico rosqueando o engate, sem usar muita pressão, encostamos a ponta do engate no tubo. ii. A outra extremidade do tubo encostamos na ponta do relógio comparador, de tal modo que o ponteiro deu uma volta completa. B. Zeramos o relógio comparador. C. Colocamos 50cm³ de água no balão. D. Registramos o comprimento inicial L° do tubo entre o relógio e a extremidade fixa. dos metais que será utilizado no experimento. METAL: L° Ferro 520mm Latão 520mm Alumínio 520mm Tabela A – Comprimento Inicial L° 11 E. Registramos também a temperatura inicial Q°. Q° = 25°C F. Acendemos a fonte térmica, para a água entrar em ebulição: G. Registro da temperatura da água em ebulição Qe: 12 Qe = 98°C H. Tampamos o recipiente e esperamos o vapor percorrer o tubo. 13 I. Esperamos os corpos entrarem em equilíbrio, Qf: Qf Ferro: 63°C Qf Latão: 63°C Qf Aluminio: 63°C J. Calculamos a variação de temperatura sofrida no tubo Q. A variação Q é dada por: Qf - Q° METAL: Q Ferro 38°C Latão 38°C Alumínio 38°C Tabela B - Variação Temperatura K. Anotamos também a variação de dilatação do Corpo de Prova R. (indicado no relógio). O comprimento final é dado por: L° + R, logo R é a variação; METAL: R Ferro 0,45mm Latão 0,71mm Alumínio 0,86mm Tabela C – Variação do Comprimento (R) L. Cálculo de Coeficiente da Dilatação Linear A. Formula fornecida: R = A * L° * Q, ou seja, A = R / (L° - Q) Resultado Metal R L° Q A (10^-5°C^-1) Ferro 0,45mm 513mm 73°C -1,20064 Latão 0,71mm 514mm 73°C -1,79838 Alumínio 0,86mm 513mm 73°C -2,29456 Tabela D – Coeficiente de Dilatação (A) M. Comparação com o Valor Tabelado: 14 Metal Valor A (10^-5°C^-1) Ferro 1,2 Latão 2,0 Alumínio 2,2 Tabela E – Coeficiente de Dilatação Tabelado Em comparação com os valores tabelados, não houve muita variação, a possível divergência que ocorreu entre o coeficiente do Latão e do Alumínio, basicamente deve ser pelo material não ser 100% do metal constituinte do corpo, ou seja, é possível que haja um elemento diferente presente no corpo. Também há possibilidades de erro de precisão, na hora de coletarmos os dados, podemos ter coletado medidas erradas, e temperaturas antes do tempo correto. Não entendemos porque deu resultados negativos, buscamos auxilio em literatura disponível na biblioteca do nosso polo, com em sites e periódicos e não encontramos referência para tal. LABORATÓRIO 2 - Propagação do Calor calor se propagar por: Condução, convecção e irradiação.https://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/Image119.jpg A condução é quando o calor é transmitido ao longo das partículas do material, pelo efeito da transmissão de vibração entre elas. As partículas com mais energéticas transmitem energia para com as que estão em menor temperatura. Um dos materiais que são bons condutores de energia são os metais, chamados de bons condutores. Assim também existem os materiais em que o calor 15 se propaga de maneira lenta chamados de isolantes. Um excelente exemplo são os fios da rede elétrica: https://4.imimg.com/data4/MI/GP/MY-13075630/electric-wiring-cables-250x250.jpg Que são feitos de cobre por dentro, pois este é um bom condutor elétrico. Já por fora são feitos de plástico pois é um isolante, o intuito é que impeça o super aquecimento do fio e um possivel curto-circuito. Convecção É a propagação que acontece no interior dos fluídos, sendo assim com os líquidos e gases pela diferença da densidade das diferentes partes do fluido. http://4.bp.blogspot.com/bAWSIIisY6A/TakLRTow5lI/AAAAAAAAADA/9xrOJQ8LvXc/s1600/convecc%25CC%25A7a%25CC%2583o.jpg consideremos a imagem ilustrada acima, há um bule com um pouco de água, colocado ao fogo, com isto ocorre o aquecimento e a parte inferior da água se dilata ficando com uma densidade menor que a parte superior. Assim mais leve, fazendo uma corrente ascendente e outra descendente. E são estas correntes que denominamos de convecção. 16 Irradiação Tudo que existe tem eletromagnetismo, a formação da energia esta na agitação dos átomos, presente em todos os corpos, e o magnetismo surge na movimentação da carga elétrica dos átomos cuja intensidade aumenta com a temperatura. Propagam-se no vácuo e assim que a luz solar chega até nós. https://www.thebbqcleaner.com/media/barbecue-party.jpg Ao contrário que muitos pensam, o calor que sentimos ao chegarmos perto de uma fogueira, ou uma lâmpada não vem do ar (pois é péssimo condutor, por isso conduz pequena parcela) e sim pelo vácuo através do eletromagnetismo. A carne de Churrasco é assada através desta propagação, a carne não está em contato com o fogo, mas sim com as ondas de calor imitidas. 17 PROCEDIMENTOS: I. Condução Térmica A. Montagem dos equipamentos: a. Fixamos a base através do manípulo b. Prendemos com o mínimo possível de parafina da vela acesa os pinos na parte de cima da haste. (experimento feito com prata, latão e cobre) c. Colocamos a haste com os pinos virados para baixo no manipulo, conforme foto a seguir.: B. Após ligarmos a fonte termica, como demonstrado acima, notamos: A ponta da haste começa a esquentar e o calor é conduzido aos poucos pela haste, a parafina derrete soltando os pinos. Registramos o tempo dos pino se soltar em cada haste, obtendo os seguintes dados: Tabela F – Tempo de queda dos pino em segundos. O material de maior condução foi a Prata, e em seguida vem o Cobre, enquanto o Latão demorou bastante tempo para conduzir o calor até a outra extremidade. Haste Pino 1 Pino 2 Pino 3 Pino 4 Latão 45 136 280 570 Prata 30 45 75 115 Cobre 27 60 103 150 18 C. Explicação fisica dos fatos: A fonte termica produziu energia na ponta da haste, agitando as moleculas dela, que ia conduzindo esta energia para as moleculas mais frias, a fim de chegar a um ponto de equilibrio. Como a parafina é um material com pontos de fusão baixo, um aumento de temperatura, já começa a alterar seu estado. Assim que temperatura maior chegava na parafina, ela começava a se derreter, derrubando os pinos. A função da parafina era de conferir aderencia dos pinos à haste, notamos que o pino que caiu, não estava quente, ou seja, não recebeu condução de energia pela naftalida. E de tal forma os pinos não poderiam cair fora da sequencia, devido o fato da condução seguir a sequencia da ordem. Quanto mais perto do ponto gerador, mais rapido vai ser atingido pelo calor. Na fisica isto é a condução termica, onde o calor se propoga no corpo pela agitação entre as moleculas. Sua principal característica é ser uniforme e graduada, a velocidade depende do tipo da caracteristicas dos atomos que no caso dos metais, os eletrons mais externos é livre para se movimentar pelo material, existindo assim muito eletrons de condução. A condução termica na vida de um profissional de engenharia é de imprescendivel relevancia, para o entendimento de diversas areas, como a escolha ideal de materiais para um abiente que envolve rede eletrica, ou ambientes exposto a fontes de calor extremos. 19 II. Convecção Termica A. Montamos conforme imagem a Seguir: B. Ligamos a fonte termica. Ao acendermos a lamparina, depois de alguns segundos a hélice começou a girar, comprovando que a propagação por convecção existe! Como o ar que está proximo a lamparina ganha temperatura, suas moleculas se expande, perdendo sua densidade e ficando mais leva, começa a subir, como o ar mais distante está com temperatura normal, sua densidade se mantém, e por isto se torna mais pesado que o outro, e começa a cair, este processo é continuo já que o ar mais frio desce, logo esquenta e sobe e vice-versa. Conforme a lei de Arquimedes, ao ar menos denso subir vai ocupar o espaço do ar mais denso que se deslocara para baixo. Este ciclo fazendo a ventuinha girar. A caracteristica fundamental da convecção é a corrente gerada não só do ar, mais de outros fluidos através da variação de temperatura. 20 III. IRRADIAÇÃO A. Montamos os equipamentos da seguinte forma: B. Eramos para usar uma lâmpada com foco direcionado, com os teste de prova a uma distancia de 40cm, devido não possuirmos esta lâmpada disponivel, usamos a incandescente comum, por tal razão, aproximamos os corpo de prova a 15cm da lâmpada. A temperatura inicial dos corpos foi de 24ºC corpo preto e 22,5ºC corpo branco. 21 C. Ligamos a lampada e registramos nos tempos pré definido no quadro a seguir: Tempo (minuto) > 0 2 4 6 8 10 12 Temperatura do corpo branco em °C 22,5 25 26 26,5 27,5 28,5 28,5 Temperatura do corpo preto em ºC 24 27 28 29 30 31 32 Tabela G – Aquecendo os corpos por irradiação. D. Agora com a lampada apagada, fizemos o processo inverso, e registramos o resfriamento com o tempo pré-determinado a seguir. Tempo (m) > 0 2 4 6 8 10 12 Temperatura do corpo branco em °C 28,5 28 26 25 25 24,5 24,5 Temperatura do corpo preto em ºC 32 31 28,5 27 26,5 26 26 Tabela H – Corpos esfriando 22 E. Após estes registros, chegamos as seguintes conclusões: Na primeira etapa do experimento, esperávamos que as temperaturas iniciais dos corpos fossem iguais, pois os mesmos estavam no mesmo ambiente, porém o corpo preto estava mais quente que o branco. Provavelmente deve ter captado alguma fonte de calor, como a luz das lâmpadas da sala, ou própria temperatura do nosso corpo que o branco não captou. Os primeiros 12 minutos, a temperatura com o corpo preto subiu mais que do corpo branco, provando que a propagação de temperatura pelas ondas existe, agora tentando entender porque o preto conseguiu absorver mais energia? Através de pesquisas no site da Infoescola, encontramos a matéria do Professor Lucas Martins, com título “Absorção (fenômeno ondulatório)” que explica que quanto mais clara a cor, mais irá refletir as ondas de luz, absorvendo pouca quantidade de energia, ao contrario doescuro, que reflete menos e absorve mais. (https://www.infoescola.com/fisica/absorcao-fenomeno-ondulatorio/). No resfriamento, sem a fonte de energia, o preto é o que mais perde energia em comparado com a temperatura final do primeiro experimento, percebendo assim que a cor que mais absorve, é a que menos retém, já o que menos absorve, é o corpo que mais reterá energia. LABORATÓRIO 3 – Escalas Termométricas A. Identificamos a escala termométrica de cada um. Termômetro Térmico: Escala dada em graus Celsius, no caso o valor mínimo é o inicial que é de +10°C e o máximo de +100°C, suas marcações é de 0,1°C. O método para registro é parecido com o da régua escolar, possui um tubo no centro ao qual tem um liquido de cor mais chamativa, não soubemos informar que o nosso termômetro era de álcool ou magnésio, esse liquido vai subindo e 23 parando na temperatura desejada. Seu uso geralmente é para experimento em laboratórios. Termômetro Clinico, o liquido dentro do tubo é mercúrio, o termômetro observado tinha uma escala de 35°C a 42°C, geralmente usado para medição da temperatura de seres humanos, sempre ao utilizar observar se a temperatura está no ponto inicial, geralmente as pessoas antes do uso balançam para cima e para baixo. Sua ponta, ao qual entra em contato com a pele é de metal e conforme a temperatura humana é bem gelado. Termômetro de máxima e mínima, o nosso termômetro também utiliza mercúrio pelo aspecto do liquido dentro do tubo, nunca tínhamos vistos, e é bem interessante, pelo fato que ele tem duas marcações separadas, seriam dois termômetros em um. O lado de máxima começa do 50°C e vai até 0°C, depois continua até 40°C, o de mínima é inverso, começa no 40°C e vai até 0°C, e continua crescendo de 0°C até 50°C. Bem isto é porque ele marca 3 temperaturas, ambos marcam a temperatura ambiente, porém de um lado marca a temperatura máxima alcançada, e do outro a temperatura mínima, ao qual se você quiser saber todo dia qual é a máxima e qual é a mínima, tem um botão que zera a marcação, começando de novo. Muito utilizado para registro do clima, para quem precisa fazer uma média da temperatura ambiente, já que o clima no decorrer do dia pode variar. Também em congeladores de frigoríficos que utilizam geladeiras movidas a combustível ou eletricidade, você pode perceber se houve alguma falha no motor em algum momento no decorrer de determinado período se o nível máximo ou mínimo registrado for além do programado. B. Conceitos: O termômetro é um aparelho com graduações para identificação de unidades de medidas da temperatura, ao qual a mais utilizada é o grau Celsius, a palavra termômetro é derivada do grego, de “thermo” que significa quente e do “metro” que significa medida. O primeiro termômetro foi criado por Galileu em 1602, era baseado na dilatação das substâncias, onde as variações de temperatura são indicadas pela 24 dilatação ou contração da massa de ar que empurra o liquido na coluna. Baseado nisto o médico Jean Rey cria o primeiro termômetro liquido em 1637 e no decorrer dos anos foi se evoluindo cada vez mais. Hoje o mais utilizamos é o mercúrio como liquido dentro de um tubo de vidro. (Adaptado da matéria do Físico Domiciano Marques, https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/termome tros.htm) Este liquido utilizado dentro dos tubos de termômetros são substâncias termométricas, que possuem propriedades físicas que variam conforme a temperatura, de tal modo que se expanda ou contraia com facilidade linearmente. Estas substancias possuem uma dada grandeza, que varia conforme a temperatura, ou seja, a grandeza é à medida que vai variar, os registros das diferentes grandezas da substancia conforme a temperatura permite a graduação. O mercúrio é um bom material utilizado para registro de temperatura, pelo fato dele ser liquido e sua mudança de estado físico serem bem grandes, o metal é um bom condutor de calor, logo chega ao ponto de equilíbrio em seu corpo e por consequência mais rápida a sua dilatação. A desvantagem é o perigo, o mercúrio é um material toxico para o homem, por sorte a quantidade de mercúrio exposta a nós é bem pequena e é apresentado de forma não toxica. Porém ao manusear, todo cuidado é pouco, pois pode levar um ser humano a óbito. Outro ponto bem degradante é o fato de o mercúrio ser despejado na natureza de qualquer forma, pois assim como é toxico para nós seres vivos, é para animais e plantas, pode poluir rios, vegetação e alimentos. (Adaptado da matéria de Júlio C. de Carvalho, https://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/mercurio-metal-perigoso- para-o-homem-e-para-o-ambiente.htm) Existem outras unidades de medidas fora a Celsius, o sistema internacional de medidas, confere a Kelvin como oficial unidade da temperatura, podemos distinguir em duas categorias as unidades de medidas de temperatura, a absoluta e as relativas. As absolutas, partem do zero, que é a temperatura teórica mais baixa possível, que é quando os átomos e moléculas do sistema possuem a mínima energia possível, que é o caso do Kelvin, representado pela letra K, não 25 utiliza o símbolo de grau “°” como os relativos, foi criada sob a base do grau Celsius por William Thomson, ele estabeleceu a partir do ponto zero ° Celsius o zero absoluto (-273,15°C), conservando a mesma dimensão para os graus. As relativas por sua vez são através da comparação de processos que se repete na mesma temperatura. O grau Celsius, é representado pela letra C, a sua unidade é definida pelo ponto de congelação da água a 0° e o de ebulição a 100°, ambas a 1atm, dividindo essa escala normalmente em 100 partes iguais, onde cada um corresponde a 1 grau, escala criada por Anders Celsius em 1742. O grau Fahrenheit, representado pela letra F, também é um dos mais conhecidos pelo mundo, pois é utilizado pela maior potência conhecida, os Estados Unidos, sua divisão é tomada entre os pontos de evaporação e congelação da dissolução do cloreto de amônio (NH4CI), foi proposto por Gabriel Fahrenheit em 1724, e o zero e o cem são estabelecidos nas temperaturas de congelação e evaporação do NH4CL em água. Após vários experimentos e criações, Gabriel usando como base a escala termométrica de outro físico, e possíveis marcações indesejáveis nos seus experimentos chega ao ponto inicial de 32° F e ponto máximo de 212°F. Basicamente, todos os termômetros foram desenvolvidos através de pontos fixos, da menor temperatura possível para a maior de um determinado elemento. Nos por exemplo utilizamos o Celsius, então temos como referência de temperatura com base na água, ela é nossa âncora, os pontos fixos são 0° para água congelada e 100° para ebulição da água, a base para 1atm, pois se estivermos em um atm diferente, não teríamos mais os mesmos pontos fixos, criando assim outra unidade de medida. https://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/unidades-temperatura.htm Então basicamente temos as seguintes atribuições dos pontos fixos (fusão e ebulição): 26 https://www.colegioweb.com.br/wp-content/uploads/8880.jpg Quanto maior for o bulbo (espaço onde fica confinado o liquido do termômetro) menor é a sensibilidade desejada. Por exemplo, o clinico tem um bulbo pequeno, pois a sensibilidade desejada para com a do corpo humano, assim não precisa de um bulbo grande. Se eu estiver usando um bulbo grande para medir a temperatura de uma gota de água, não funcionária corretamente, pois a quantidade de energia fornecida, não é suficiente para a massa presente no bulbo, sendoassim o liquido não sofrerá dilatação. Quanto maior o bulbo, maior a quantidade de massa do liquido, que vai demorar mais tempo para dilatar e haver o equilíbrio térmico. LABORATÓRIO 4: Calorimetria Todo brasileiro tem a famosa “jarra de café” em casa, para manter o café quente por um bom tempo. Nos laboratórios de física, existe um equipamento com mesmo princípio da garrafa do café, chamado de calorímetro, seu interior é isolado termicamente do meio ambiente muito usado para fazer estudos sobre a quantidade de calor trocado entre dois ou mais corpos de temperaturas diferentes. Existem vários formatos de calorímetro, mas basicamente é um recipiente, com uma tampa, onde o interior dele é de paredes finas que é envolvido por outro recipiente fechado de paredes mais grossas e isolantes. Ao fecharmos o recipiente, Ele evitará a entrada ou saída de calor. 1. Com uma balança e uma proveta, colocamos um pouco de água retirada diretamente da torneira na proveta, medimos o recipiente vazio, e em seguida colocamos água. 27 m1 = 50,02g 2. Colocamos esta água no calorímetro, agitamos e aguardamos o equilíbrio térmico. Com o termômetro, medimos esta temperatura (temperatura inicial da água no calorímetro). 0i = 23°C 28 3. Utilizando uma balança e uma proveta, colocamos 80g de água retirada diretamente da torneira. m2 = 80,01 g 5. Colocamos a água coletada da torneira no béquer e aquecemos até 60°C: θ2 = 60°C 6. Antes de colocarmos a água quente no calorímetro. a. Medir a massa de água em uma balança e sua temperatura. Esse procedimento é necessário, pois parte do líquido evapora durante o aquecimento 29 b. Em seguida, colocamos o líquido no calorímetro, tampamos e colocamos o termômetro. Observamos seguidamente o comportamento da temperatura indicada no termômetro a cada um segundo. c. Agitamos suavemente o calorímetro, após tampá-lo para facilitar a troca de calor entre as quantidades de água e o copo do calorímetro. d. Esperamos aproximadamente 3 min até que a temperatura se estabiliza. e. Essa temperatura é a de equilíbrio térmico. θE = 41°C 30 7. Com os dados coletados determinamos o valor da capacidade térmica do calorímetro em cada caso a partir da equação abaixo. 8. Repetimos a experiência variando a quantidade de água quente e ou fira inseridas, completando a tabela a seguir: Experiencia m1 (g) m2(g) 01 (°C) 02 (°C) Oe (°C) C (CAL/°C) 1 50,02 80,01 23 60 41 34,435 2 60,07 89,69 23 60 46 14,021 3 70,01 80,33 24 60 42 10,875 Tabela I - Calometria C1= (-80,01 (41-60)) – (50,02(41 – 23)) / (41-23) = (1520,19 – 900,36) / 18 = 34,435 C2= (-89,69 (46-60)) – (60,07(46-23)) / (46-23) = (1255,66 – 1381,61) / 23 = -5,476 C3= (-80,33 (42-60)) – (70,01(42-24)) / (42-24) = (1455,94 – 1260,18) / 18 = 10,875 Media: 34,435 + (-5,476) + 10,875 = 39,834/3 = 13,278 cal/60g°C 13. Comentando sobre as principais fontes de erro nessa experiência Como o calor especifico varia pela quantidade de massa, sabíamos que não chegaríamos aos 1cal/°C, porém tivemos dificuldades ao efetuarmos os cálculos, experimentamos colocar a formula em calculadoras diferentes e os resultados variavam de uma para outra, por falta de pratica do uso da formula. Outro ponto em questão é os dados coletados não serem 100%, pois ao abrirmos o calorímetro para adicionarmos mais água, ele tem contato com o 31 meio ambiente, perdendo assim temperatura. As medidas de pesagens estavam corretas pelo fato da calculadora ser digital, agora as de temperaturas, podem ter pequenas variações ao coletarmos os dados. 32 Conclusão A realização das experiencias no laboratório pode conferir a nós, alunos, de forma prática aquilo que a doutrina e as aulas teóricas dispunham sobre os conceitos de temperatura e calor. Neste prisma, foi possível experienciar e ampliar o conhecimento com relação aos conceitos envolvendo calorimetria. Desta forma, foi possível a compreensão de conceitos basilares, tais como o conceito do calor, que se resulta da temperatura atingida através da transferência de energia entre corpos, que por sua vez acontece através da agitação térmica dos corpos. Tal conhecimento também pode se estender às práticas em laboratório que envolveu experimentos com relação à dilatação linear, propagação do calor através de convecção, irradiação e condução, quantidade de calor, capacidade térmica, princípio das trocas de calor. Desta forma, houve maior compreensão sobre a interferência da condição da temperatura para fatos cotidianos e também relevantes, sobretudo na vida profissional de um engenheiro, que em sua prática aplica os conceitos envolvendo troca de calor para a boa execução de um projeto ou construção. Um exemplo simples para tal compreensão acontece na diferenciação de elementos iguais que se tornam tão distintos quando em temperaturas diferentes, como foi realizado em experiência no laboratório. Ou seja, dependendo de sua condição, a água pode fornecer o calor ou perder calor, tudo isso devido ao seu grau de agitação de moléculas. Sendo assim, é possível constatar que as experiências no laboratório além de conferirem conhecimentos novos, demonstraram-se primordiais para a compreensão de fenômenos ligados à realização de trocas de energia, o que pode impactar tanto em fatos ordinários como interferirem em resultados práticos, como pôde ser vislumbrado nos laboratórios os quais foram explorados. 33 Referencias: http://www.ebanataw.com.br/infiltracoes/caso24 https://www.educabras.com/enem/materia/fisica/termologia/aulas/dilatacao_linear https://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2 https://www.educabras.com/vestibular/materia/fisica/termologia/aulas/transmissao_de_calor_con ducao_conveccao_e_irradiacao https://www.infoescola.com/fisica/absorcao-fenomeno-ondulatorio/ https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/termometros.htm https://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/mercurio-metal-perigoso-para-o-homem-e-para-o- ambiente.htm