transferencia de calor

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
 Campus Macaé 
FISICA TEORICA E EXPERIMENTAL II
ANA CAROLINA DE LIMA RODRIGUES
KAYQUE FERNANDES DIAS
 MATEUS LEMOS DE SOUZA 
MARCONI FERREIRA DIAS
EXPERIMENTO 8:
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Relatório apresentado ao Professor Carlos Eduardo Barateiro, da Universidade Estácio de Sá - Campus Macaé/RJ como requisito parcial para avaliação da disciplina de Física teórica e experimental II.
Macaé
18 de abril de 2018
 
	
	
	Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé
	
	
	Disciplina: 
CCE0848 - FÍSICA EXPERIMENTAL II
	Experimento:
08
	
	
	Professor (a): 
CARLOS EDUARDO BARATEIRO
	Data de Realização:
18/04/2018
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Nome do Aluno (a): 
ANA CAROLINA DE LIMA RODRIGUES
KAYQUE FERNANDES DIAS
MATEUS LEMOS DE SOUZA
MARCONI FERREIRA DIAS
	Nº da matrícula: 
201501083261
201601123957
201603247459
201101530987
	Nº da turma: 
3039
3039
3039
3039
	Título do Experimento:
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
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.
. 
INTRODUÇÃO 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 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 perfuração 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 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. 
MATERIAIS UTILIZADOS:
Conjunto Demonstrativo EQ051
Vela de cera comum 
Quatro 
Esferas Metálicas
Cronômetro 
Régua
Termômetro
Lamparina
Imagem 1: Materiais utilizados
ROTEIRO DO EXPERIMENTO
a) Inicie anotando os dados dos instrumentos que serão utilizados no experimento.
Preencha a Tabela 1.
Tabela 1: Dados dos Instrumentos
b) Preparar a montagem mostrada nas figuras 1 e 2: com a vela acesa, pingue gotas de parafina na barra nos pontos já marcados e em cada posição fixe uma esfera em cada ponto. 
Figura 2 - Montagem experimento
c) Anote as distâncias de cada esfera até o ponto de fixação da barra anotando na Tabela 1.
d) Com a barrahorizontalmente no suporte, deixe as esferas voltadas para baixo;
e) Com a lamparina acesa, faça o aquecimento da extremidade livre da barra anotando os tempos que levam para que cada esfera se desprenda da barra, anotando na Tabela 1.
Tabela 2: Experimento de Condução
	
	Posição da Esfera
	Incerteza da Medição da Posição
	Tempo para Desprendimento
	Incerteza da Medição do Tempo
	Posição 1
	40mm
	0,5mm
	18s
	0,005s
	Posição 2
	54mm
	0,5mm
	126s
	0,005s
	Posição 3
	70mm
	0,5mm
	208s
	0,005s
	Posição 4
	85mm
	0,5mm
	344s
	0,005s
f) Preparar a montagem descrita na figura 4 fixando a ventoinha acima da lâmpada e ambas envoltas pelo anteparo.
Figura 3 - Montagem ventoinha
g) Ligue a lâmpada e observe a ventoinha movimentar-se.
h) Faça a montagem mostrada na figura 5 fixando o termômetro no anteparo. 
Figura 4- Montagem termômetro
i) Meça a temperatura inicial indicada pelo termômetro e anote na Tabela 3; 
j) Ligue a lâmpada por cinco minutos (cronometrado), anotando a temperatura final; na Tabela 3.
k) Desligue a lâmpada;
l) Esfrie o termômetro e o envolva com um papel alumínio, fixando-o com elásticos;
m) Repita o experimento anotando a temperatura após cinco minutos na Tabela 3.
n) Desligue a lâmpada;
o) Esfrie o termômetro e o envolva com um papel preto, fixando-o com elásticos
p) Repita o experimento anotando a temperatura após cinco minutos na Tabela 3.
Tabela 3: Experimento de Irradiação
	
	Temperatura Inicial
	Temperatura Após 5 Minutos
	Incerteza na Medição da Temperatura
	Termômetro Livre
	26ºC
	44ºC
	0,5ºC
	Termômetro com Papel
	26ºC
	60ºC
	0,5ºC
	Termômetro com Papel Alumínio
	28ºC
	45ºC
	0,5ºC
	Termômetro com Papel Preto
	28ºC
	69ºC
	0,5ºC
CONCLUSÃO :
Com base nas observações responda aos questionamentos com base nas observações do primeiro experimento:
Como se justifica o fato das esferas se desprenderem sequencialmente?
R: Com o aquecimento da barra de aço o calor da chama propagou-se em toda a sua extensão por condução, ou seja, o calor agita as moléculas na barra que por condução vai deslocando o calor da parte mais quente para a parte fria.
Após o aquecimento da barra a parafina que prende as esferas começa a aquecer-se. A parafina em temperatura ambiente possui estado físico sólido, tendo seu ponto de fusão em torno de 58ºC à 6ºC, logo ao atingir esta temperatura a parafina muda seu estado físico de sólido para liquido, desprendo as esferas da barra.
 
Qual a função da cera e das esferas utilizadas no experimento?
 
R: Função da cera: Prender as esferas.
Função da esfera: Indicar o tempo de propagação do calor na barra de aço.
É possível a esfera colocada na posição 2 se desprender antes da posição 1? Justifique sua resposta.
R: Sim, caso a quantidade de cera (parafina) utilizada para prender a esfera 1 seja muito maior que a quantidade de cera utilizada para prender a esfera 2 é possível que a cera na esfera 2 atinja de forma mais rápida o ponto de fusão.
No entanto este fenômeno só será possível porque além das quantidades de cera as esferas estão em posição muito próximas, apenas 15mm, de uma para outra. Em distancias maiores mesmo colocando mais cera ainda sim a esfera 1 desprenderia mais rapidamente já que o tempo de aquecimento por condução da barra seria maior em um ponto mais distante.
Como é denominada essa forma de transferência de calor e qual sua principal característica?
R: Condução, É a forma de transferência de calor onde a energia é transferida de partícula para partícula, através da agitação atômico-molecular. Logo, só é possível em meios materiais e tende a ser mais acentuada em sólidos, onde a interação entre as partículas é maior. 
Acredita-se que os elétrons livres tenham participação fundamental nesse processo, pois os metais são os materiais que mais eficientemente transmitem a energia por condução, sendo denominados bons condutores ou simplesmente condutores térmicos. Há materiais em que a condução ocorre de modo pouco intenso, sendo denominados maus condutores térmicos ou isolantes térmicos. Estão nesse caso, por exemplo, os líquidos e os gases em geral, o isopor, a madeira, o feltro e a cortiça. Esses materiais têm larga aplicação prática, sempre que se deseja isolamento térmico. Assim, cabos de panela são de madeira ou plástico, geladeiras portáteis são de isopor, calorímetros são isolados com placas de cortiça, etc. 
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias:
R: Sim os resultados foram satisfatórios, foi possível verificar através do experimento que as esferas foram desprendendo-se em sequência, demonstrando assim que quanto maior for a distância entre a parte mais fria e a parte quente maior será o tempo de aquecimento. Esta propagação embora seja sequencial, neste experimento, não ocorreu de forma de linear.
Com base nas observações responda aos questionamentos com base nas observações do segundo experimento
O que acontece com a molécula de ar frio que se encontra próximo da lamparina acesa?
R: É deslocada para baixo porque as moléculas de ar frio encontram-se mais próximas umas das outras, concentrando o peso em um determinado ponto, fazendo com que, esse ponto esteja pesado o suficiente para descer, enquanto que as moléculas de ar quente estão melhor distribuídas, dividindo o peso pelo espaço, fazendo com que ela se eleve.
Com base no princípio de Arquimedes, justifique o movimento de subida da molécula aquecida de ar.
R: O princípio de Arquimedes diz que todo corpo imerso em um fluido sofre ação de uma força (empuxo) verticalmente para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.
 Arquimedes formulou o seu princípio para a água, mas ele funciona para qualquer fluido, até mesmo para o ar. Quando um corpo mais denso que o líquido está totalmente imerso, percebemos que o seu peso é aparentemente menor do que no ar. Este peso aparente é a diferença entre o peso real e o empuxo. As moléculas de ar quente como são menos densas que ar atmosférico elas tendem a subir.
Justifique o movimento da ventoinha. 
R: Com o deslocamento para cima das moléculas de ar quente estas ao passar pela ventoinha fazem que que esta sofra movimentem-se. A ventoinha possui as suas paletas dispostas de tal forma a permitir a passagem do ar deslocado, suas paletas são dispostas de forma que entre duas paletas há um ângulo de ataque fazendo com que o ar ao passar por este ângulo faça a ventoinha girar como uma parafuso sem fim.
Como se denomina a maneira do calor se propagar e qual a sua principal característica?
R: Convecção, É uma forma de transferência de calor que acontece somente em fluidos, isto é, nos líquidos, gases e vapores, uma vez que há movimentação das partículas diferentemente aquecidas no interior do meio, não podendo ocorrer nos sólidos. Sua causa é a mudança de densidade dos fluidos com a temperatura.  
Quando um fluido é aquecido por sua parte inferior, esta região se torna mais quente, menos densa, e o fluido sobe; a região superior do fluido, relativamente mais fria e mais densa, desce. Formam- se então as denominadas correntes de convecção (uma ascendente quente e outra descendente fria), que podem ser visualizadas se colocarmos um pó fino, como serragem, no interior do líquido.
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
R: Sim, os resultados foram satisfatórios, através do experimento foi possível verificar como ocorre o fenômeno de convecção térmica.
 Com base nas observações responda aos questionamentos com base nas observações do terceiro experimento:
De onde veio a energia térmica capaz de provocar a elevação de temperatura indicada no termômetro? 
R: Calor fornecido por uma lâmpada Incandescente.
Caso não houvesse ar (moléculas) entre a lâmpada e o termômetro, poderíamos verificar o mesmo efeito? Justifique! 
R: Sim, porque este tipode propagação de energia ocorre através de ondas eletromagnéticas. Essa forma de transferência de calor difere das demais, pois as ondas eletromagnéticas conseguem se propagar no vácuo, não necessitando de um meio material, o que não acontece na condução e na convecção. Logo, essa é a forma de transmissão de calor do Sol até nós, por exemplo.
Como é denominada a maneira de o calor se propagar e qual sua principal característica?
R: Irradiação: Corpos a qualquer temperatura possuem a propriedade de emitir ondas eletromagnéticas ou radiação. Isso é chamado de irradiação térmica. As características dessa radiação dependem da temperatura que o corpo se encontra, verificando-se que quanto maior a temperatura maior a frequência e maior a intensidade de energia irradiada. 
As ondas eletromagnéticas podem se apresentar sob diversas formas: luz visível, raios X, raios ultravioleta, raios infravermelhos etc. Dessas, as que apresentam efeitos térmicos mais acentuados para o corpo humano são os raios infravermelhos.  
Algumas lâmpadas possuem a parte traseira espelhada. Procure justificar a função da superfície espelhada na parte de trás da lâmpada;
R: A parte espelhada da ampola de vidro é para evitar a condução de calor através da irradiação liberada pelas moléculas que compõem o liquido e o vácuo entre as paredes duplas, é para evitar a transferência de calor por convecção e por condução.
Qual a influência da cor dos papeis utilizados na temperatura do termômetro? Justifique.
R: Os papeis utilizados permitem analisar os efeitos que barreiras podem ocasionar na propagação de calor por radiação.
Quando colocamos o papel branco este reflete parte da energia gerada pela radiação, logo o aquecimento do bulbo do termômetro será menor.
Quando colocamos o papel alumínio, esta reflexão e maior, logo o calor irradiado é refletido em parte para o meio ao qual deu origem e com isso é possível verificar que a temperatura no bulbo do termômetro será menor que a temperatura verificada quando colocado o papel branco ou quando utilizado o termômetro sem papel. Este papel alumínio impede que parte da energia de irradiação transforme-se em transferência de calor por condução e por convecção.
Quando utilizamos o papel preto, vinil, este absorve mais energia proveniente da irradiação, logo proporciona ao bulbo do termômetro uma temperatura elevada, já que o calor irradiado transforma-se em calor por convecção e condução.
Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias.
R: Sim, os resultados foram eficientes, através do experimento foi possível analisar como ocorre o calor propagado por irradiação e foi possível analisar como podemos utilizar barreiras para aumentar, diminuir, dissipar ou isolar temperaturas em um meio.