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Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé Curso: Engenharias Disciplina: CCE084 - FÍSICA EXPERIMENTAL II Código: Turma: 3083 Professor (a): CARLOS EDUARDO BARATEIRO Data de Realização: 04/05/2017 Nome do Aluno (a): Felipe Henrique Ferreira Nome do Aluno (a): Mariana Oliveira Vieira Nome do Aluno (a): Paula Oliveira Miranda Nome do Aluno (a): Rafael Barros Mothé Nome do Aluno (a): Raquel de Oliveira Ferreira Nome do Aluno (a): Victor De Almeida Santos Nome do Aluno (a): Wesley Pereira Pinto Nº da matrícula: 2016026093-57 Nº da matrícula: 2016025028-62 Nº da matrícula: 2016024440-05 Nº da matrícula: 2016031374-16 Nº da matrícula: 2016027100-23 Nº da matrícula: 2016024458-69 Nº da matrícula: 2016024439-71 Nome do Experimento: Equilíbrio Térmico e Curva de Aquecimento Objetivos: -Reconhecer que ao colocar em contato dois corpos a temperaturas diferentes, o calor fluirá do corpo com temperatura maior para o corpo de temperatura menor. -Reconhecer, identificar e descrever as mudanças de estado físicos; -Construir gráficos da temperatura versus tempo utilizando dados coletados durante as mudanças de fase. Introdução Teórica: Chamamos de Termologia a parte da física que estuda os fenômenos relativos ao calor, aquecimento, resfriamento, mudanças de estado físico, mudanças de temperatura, etc.. Temperatura é a grandeza que caracteriza o estado térmico de um corpo ou sistema. Fisicamente o conceito dado a quente e frio é um pouco diferente do que costumamos usar no nosso cotidiano. Podemos definir como quente um corpo que tem suas moléculas agitando-se muito, ou seja, com alta energia cinética. Analogamente, um corpo frio, é aquele que tem baixa agitação das suas moléculas. Ao aumentar a temperatura de um corpo ou sistema pode-se dizer que está se aumentando o estado de agitação de suas moléculas. Ao tirarmos uma garrafa de água mineral da geladeira ou ao retirar um bolo de um forno, percebemos que após algum tempo, ambas tendem a chegar à temperatura do ambiente. Ou seja, a água "esquenta" e o bolo "esfria". Quando dois corpos ou sistemas atingem a mesma temperatura, dizemos que estes corpos ou sistemas estão em equilíbrio térmico. Para que seja possível medir a temperatura de um corpo, foi desenvolvido um aparelho chamado termômetro. O termômetro mais comum é o de mercúrio, que consiste em um vidro graduado com um bulbo de paredes finas que é ligado a um tubo muito fino, chamado tubo capilar. Quando a temperatura do termômetro aumenta, as moléculas de mercúrio aumentam sua agitação fazendo com que este se dilate, preenchendo o tubo capilar. Para cada altura atingida pelo mercúrio está associada uma temperatura. A escala de cada termômetro corresponde a este valor de altura atingida. A escala Celsius é a mais usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0 °C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100 °C). A escala Fahrenheit é utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0 °F) e a temperatura do corpo humano (100 °F). A escala Kelvin é também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula (0 K) e é calculada a partir da escala Celsius. Por convenção, não se usa "grau" para esta escala, ou seja 0 K, lê-se zero kelvin e não zero grau kelvin. Em comparação com a escala Celsius: A conversões entre escalas pode ser estabelecida por uma convenção geométrica de semelhança. Por exemplo, convertendo uma temperatura qualquer dada em escala Fahrenheit para escala Celsius: Pelo princípio de semelhança geométrica: Da mesma forma, pode-se estabelecer uma conversão Celsius-Fahrenheit: E para escala Kelvin: Alguns exemplos de temperaturas: Escala Celsius (°C) Escala Fahrenheit (°F) Escala Kelvin (K) Ar liquefeito -39 -38,2 243 Maior Temperatura na superfície da Terra 58 136 331 Menor Temperatura na superfície da Terra -89 -128 184 Ponto de combustão da madeira 250 482 523 Ponto de combustão do papel 184 363 257 Ponto de fusão do chumbo 327 620 600 Ponto de fusão do ferro 1535 2795 1808 Ponto do gelo 0 32 273,15 Ponto de solidificação do mercúrio -39 -38,2 234 Ponto do vapor 100 212 373,15 Temperatura na chama do gás natural 660 1220 933 Temperatura na superfície do Sol 5530 10000 5800 Zero absoluto -273,15 -459,67 0 Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor. Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes. A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5 °C para 15,5 °C. A relação entre a caloria e o joule é dada por: 1 cal = 4,186J Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples. Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a quilocaloria. 1 kcal = 10³cal É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo. Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico. Assim: Onde: Q = quantidade de calor sensível (cal ou J). c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C). m = massa do corpo (g ou kg). Δθ = variação de temperatura (°C). É interessante conhecer alguns valores de calores específicos: Substância c (cal/g°C) Alumínio 0,219 Água 1,000 Álcool 0,590 Cobre 0,093 Chumbo 0,031 Estanho 0,055 Ferro 0,119 Gelo 0,550 Mercúrio 0,033 Ouro 0,031 Prata 0,056 Vapor d'água 0,480 Zinco 0,093 Quando Q>0: o corpo ganha calor e quando Q<0: o corpo perde calor. Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente. A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L). Assim: A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1 g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra. Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico. Por exemplo, para a água: Calor latente de fusão 80cal/g Calor latente de vaporização 540cal/g Calor latente de solidificação -80cal/g Calor latente de condensação -540cal/g Quando Q>0: o corpo funde ou vaporiza e quando Q<0: o corpo solidifica ou condensa. Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variaçãode temperatura. Assim podemos elaborar um gráfico de temperatura em função da quantidade de calor absorvida. Chamamos este gráfico de Curva de Aquecimento: Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente e com seu interior. Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontram, toda a energia térmica passa de um corpo ao outro. Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja: ΣQ=0 (lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero) Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente. Capacidade térmica é a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade. Então, pode-se expressar esta relação por: Sua unidade usual é cal/°C. A capacidade térmica de 1g de água é de 1cal/°C já que seu calor específico é 1cal/g.°C. MATERIAIS UTILIZADOS Tripé delta com sapatas niveladoras amortecedoras Haste metálica Mufas duplas de 90 graus Pinças com cabo Agitador Termômetros de -10ºC a 110ºC Becker Tubo de ensaio Proveta Gelo picado Água a temperatura ambiente Água fervente Lamparina ou bico de Bunsen Cronometro Calorímetro Roteiro do Experimento: Instrumentos de Medição Inicie anotando os dados dos instrumentos de medição que serão utilizados no experimento. Equilíbrio Instrumentos de Medição Coloque 50 ml de água na temperatura ambiente dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras. Meça o valor da temperatura dessa água com a respectiva incerteza – faça três leituras. Coloque esse água dentro do Calorímetro e o feche. Coloque 50 ml de água fervente dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras. Meça o valor da temperatura dessa água fervente com a respectiva incerteza – faça três leituras. Misture os 50 ml dessa agua fervente no calorímetro que já continha a água na temperatura ambiente, aguarde um minuto, agite e verifique a temperatura do conjunto – faça três leituras; Coloque 50 ml de gelo picado dentro do Becker, anotando seu volume na escala graduada e com a respectiva incerteza – faça três leituras. Meça o valor da temperatura desse gelo picado com a respectiva incerteza – faça três leituras. Coloque 50 ml desse gelo picado dentro do calorímetro que já continha a mistura de agua ambiente + água fervente, aguarde um minuto, agite e verifique a temperatura do conjunto – faça três leituras. Curva de aquecimento e mudanças de estados física da água Anote o valor da temperatura ambiente – faça três leituras; Coloque gelo picado dentro de um tubo de ensaio; Aguarde cerca de dois minutos observando por fora do tubo; Prenda o termômetro na haste com auxílio das mufas; Leia a temperatura do gelo no interior do tubo de ensaio; Aguarde dois minutos e verifique a temperatura novamente; Aqueça o tubo de ensaio com a lamparina, verificando a temperatura no interior do tudo a cada 20 segundos enquanto houver gelo no interior do tubo, usando sempre o agitador; Ao derreter todo o gelo verifique a temperatura e anote o tempo em que esse gelo levou para derreter; Continue observando e anotando a temperatura e o tempo, a cada 20 segundos e anotando os resultados; Ao começar a levantar fervura, verifique e anote a temperatura e o tempo transcorrido; Deixe certo tempo essa água ferver, anotando a temperatura e o tempo e anotando os resultados. Dados Coletados: Modelo Fabricante Num Série Faixa de Medição Resolução Termômetro de Vidro #1 INCOTERM INCOTERM L 006/06 110°C 1°C Termômetro de Vidro #2 INCOTERM INCOTERM L 75997/10 110°C 1°C Cronômetro SWTWTFS SWTWTFS PC396 1/100 0,01s Parte 1: Medição de 50 ml de água na temperatura ambiente Temperatura no termômetro Incerteza da medição de temperatura Medição do Volume: Incerteza da medição do volume Medida 1 24°C 0,5°C 50ml 25 ml Medida 2 24°C 0,5°C 50ml 25 ml Medida 3 24°C 0,5°C 50ml 25 ml Parte 1: Medição de 50 ml de Agua fervente Temperatura no termômetro Incerteza da medição de temperatura Medição do Volume: Incerteza da medição do volume Medida 1 60°C 0,5°C 50ml 25 ml Medida 2 58°C 0,5°C 50ml 25 ml Medida 3 55°C 0,5°C 50ml 25 ml Parte1: Medição da mistura em temperatura ambiente e agua fervente Temperatura no termômetro Incerteza da medição de temperatura Medida 1 36°C 0,5°C Medida 2 36°C 0,5°C Medida 3 36°C 0,5°C Parte 1: Medição de 50 ml de gelo picado Temperatura no termômetro Incerteza da medição de temperatura Medição do Volume: Incerteza da medição do volume Medida 1 1°C 0,5°C 50ml 25 ml Medida 2 3°C 0,5°C 50ml 25 ml Medida 3 1°C 0,5°C 50ml 25 ml Parte1: Medição da mistura Agua em temperatura Ambiente, Agua fervente e gelo picado. Temperatura no termômetro Incerteza da medição de temperatura Medida 1 17ºC 0,5ºC Medida 2 17ºC 0,5ºC Medida 3 18ºC 0,5ºC Temperatura no termômetro Incerteza da medição de temperatura Medida 1 30°C 0,5°C Medida 2 24°C 0,5°C Medida 3 26°C 0,5°C PARTE II: Curva de Aquecimento Temperatura no termômetro Incerteza da medição de temperatura Medição do Tempo Incerteza da medição de tempo Med 1 0 °C 0,5° C 20s 0,005 s Med 2 0 °C 0,5° C 60s 0,005 s Med 3 0 °C 0,5° C 80s 0,005 s Med 4 9°C 0,5° C 120s 0,005 s Med 5 47°C 0,5° C 160s 0,005 s Med 6 80°C 0,5° C 200s 0,005 s Med 7 100°C 0,5° C 220s 0,005 s Med 8 100°C 0,5° C 240s 0,005 s Med 9 100°C 0,5° C 260s 0,005 s Conclusões: a)Calcule a temperatura média da água que estava na temperatura ambiente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. R: tm: 24+24+24/3= tm = 24º Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC b)Calcule o volume médio da água que estava na temperatura ambiente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. R: vm: 50+50+50/3 = 50 ml Incerteza: √25²+25²+25²/2= 30,6 ml C) Calcule a temperatura média da água que estava fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. R: Tm: 60+58_55/3 = tm= 57,67 ºC Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC D)Calcule o volume médio da água que estava fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. R: vm=50+50+50/3= tm= 50ml Incerteza: √25²+25²+25²/2= 30,6 ml E) Calcule a temperatura média da mistura da água que estava na temperatura ambiente com a fervente na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. R: Tm: 36+36+36/3= tm: 36º C Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC F) Com base no observado explique quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema. R: Água Fervente: Ganhou Calor Temperatura Ambiente: Perdeu Calor Qual seria a temperatura teórica de equilíbrio para essa mistura de água que estava na temperatura ambiente com a fervente? Justifique sua resposta. R: A temperatura teórica seria a média entre temperatura ambiente e temperatura da água fervente, que seria igual a 42 ºC, próximo aos 36º C da temperatura média experimentalmente.Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias. R:Sim, os resultados foram satisfatórios e as discrepâncias se dá , devido a incerteza das medidas. I)Calcule a temperatura média do gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. Tm: 1+3+1/3= Tm= 1,67 Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC J)Calcule o volume médio do gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. R: vm: 50+50+50/3 = tm= 50 Incerteza: √25²+25²+25²/2= 30,6 ml K)Calcule a temperatura média da mistura da água ambiente, fervente e com o gelo picado na primeira parte do experimento informando a incerteza do valor. Tm= 17+17+18/3 = Tm= 17,3 Incerteza: √0,5²+0,5²+0,5²/2 = 0,61 ºC L)Com base no observado explique quem ganhou e quem perdeu calor neste sistema. R: Água quente: Perdeu calor para água ambiente Água ambiente: Perdeu calor para o gelo. O gelo: Ganhou Calor. Qual seria a temperatura teórica de equilíbrio para essa mistura da água ambiente, fervente e com o gelo pica? Justifique sua resposta. R: A temperatura ambiente aproximadamente 24º C a 30 º C quando há mistura de dois fluídos de temperaturas diferentes , a temperatura de equilíbrio é a media entre elas. n) Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias. R:Sim, os resultados foram satisfatórios e as discrepâncias se dá , devido a incerteza das medidas. O)Para a segunda parte do experimento (curva de aquecimento) construa um gráfico (temperatura versus tempo) do fenômeno observado. Explique porque em certos pontos desse gráfico não há aumento de temperatura (platô). R= Entre o instantes 0s e 20s a temperatura permanece constante e este intervalo corresponde ao ponto de fusão. Os sólidos fundem-se gradativamente, absorvendo calor de fusão. A temperatura permanece constante porque não há aumento na energia cinética média das moléculas. O calor fornecido aumenta a energia potencial destas. A partir de 4 minutos há uma segunda zona de temperatura constante. Agora, temos o ponto de ebulição. O fornecimento contínuo de calor propicia a energia necessária para que as moléculas vençam as forças de atração intermoleculares do líquido e escapem para forma gasosa. Como se chama cada mudança de estado físico observado nessa segunda parte do experimento? R: Descrita na P. Caso você repetisse essa segunda parte do experimento (curva de aquecimento) em outro lugar (ou em outro dia, com pressão atmosférica diferente), seriam mantidos os valores da temperatura de descongelamento do gelo e de ebulição da água? Justifique a sua resposta. R: Não, a ebulição da água não ocorre, necessariamente, a 100ºC. A temperatura que a água tem de atingir para entrar em ebulição, isto é, para ferver, depende da pressão atmosférica. Como a pressão diminui à medida que a altitude se eleva nos lugares altos a ebulição ocorre a temperaturas inferiores a 100ºC. De onde veio a água líquida quando o gelo picado derreteu? R: Do gelo derretido devido ao aquecimento da temperatura. Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias. R: R:Sim, os resultados foram satisfatórios e as discrepâncias se dá , devido a incerteza das medidas. Ao se retirar do freezer uma vasilha de alumínio, cria-se ao redor dela uma fina camada de gelo (como neve), explique porque isso ocorre. R: Isso ocorre porque o alumínio possui capacidade superior de transmitir calor para o ambiente externo.
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