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Este Relatório é um experimento prático sobre o Equivalente de calor e da energai. Relatório feito para a disciplina FIS-122 da UFBA.
Tipologia: Notas de estudo
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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 Data:03 de novembro de 2010
2. Introdução
Equivalente do calor e da energia
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 forma de calor e energia mecânica entre sistemas físico- quimicos. A termodinâmica requer, portanto, uma relação quantitativa entre as duas unidades de medida independentes para calor e energia mecânica. A primeira é a caloria, definida como a quantidade de calor necessária para elevar 1 grama de água de 14,5 °C para 15,5°C. A unidade de energia expressa em termos das unidades fundamentais de comprimento [L], massa [M] e tempo[T] baseada na análise dimensional: Energia = [ML2T2] No sistema SI a unidade de energia é o Joule (J). A energia elétrica pode ser medida na mesma unidade da energia mecânica, pois ela pode ser definida em termos da força elétrica de Coulomb entre cargas.
Determinação da constante (a)
Vamos aquecer uma determinada massa de água com um aquecedor elétrico, medindo a energia elétrica fornecida pelo aquecedor (em J) e o aumento da temperatura. Temos: Wfornecida = P.t Onde P é a potencia do aquecedor ( quantidade de energia fornecida por unidade de tempo, medida em Watt) e t o tempo (em segundos) em que o mesmo forneceu energia para a água. Por outro lado, o calor absorvido pela água pode ser expresso (e medido em calorias) por:
Wabsorvido= m cágua ∆ T
Onde m=massa da água; cágua= 1cal/g°C; ∆ T^ =Tf,água-Ti,água. Igualando a energia fornecida à absorvida, e usando a expressão, podemos determinar o valor de A pela relação
Pt [ Joule ]= mcágua ∆ T [ Joule ]= Amcágua ∆ T [ caloria ]
3. Procedimento Experimental 3.1 - Materiais usados: - Aquecedor; - Termômetro; - Calorimetro – Caixa de aluminio dentro de uma caixa de isopor; - Relógio; - Béquer; - Balança;
3.2 – Coleta de dados;
Iniciamos o experimento pesando a caixa de aluminio e inserindo dentro da caixa de isopor. Depois enchemos o béquer com 4 litros de água e despejando toda a água dentro do calorímetro. Utilizamos uma resistencia elétrica de 627 Watts para aquecer a massa de água. Registramos o tempo inicial e ligamos o aquecedor. Dessa forma iniciamos a coleta de dados anotando o aumento de temperatura a cada 1 minuto até a temperatura atingir 80°C. Desligamos o aquecedor, com o calorímetro fechado, registramos a variação de temperatura até a mesma etabilizar. Logo em seguida pesamos uma barra de alumínio, anotamos sua temperatura ( 26 °C ) e inserimos no calorímetro. Posteriormente durante seis minutos acompanhamos a variação de temperatura no interior do calorímetro até observar- mos a estabilização da temperatura.
3.3 – Tratamento dos dados;
Dados coletados; mcaixa 0,447 g mágua 4 Kg mbarra 1,937 Kg
Ti,água 26 °C Tf,água 82 °C Ti,Al 26 °C Tf,Al+água 76 °C
Leituras realizadas tempo x temperatura;
Com os dados da Tabela 1 e Tabela 2 plotamos o gráfico da temperatura em função do tempo do início do aquecimento até a estabilização da tempertura com a barra de alumínio com o auxílio da ferramenta Excell.
Temperatura X Tempo
(^1 2 3 4 5 6 7 8 ) 21,1^25262728293031
min
Tempo Total para aquecer a água 25 min
Variação de temperatura da água;
DTágua = (^) T f,água -T i,água DTágua = (^) (26-82) °C DTDTDTDT água = 56 °°°° C Variação de temperatura sofrida pela barra de alumínio;
DT al = (^) Tf,al-T i,al DT al = (^) (26-76) °C DTDTDTDT al = 50 °°°° C Variação de temperatura sofrida pela água no calorímetro após imersão da barra de alumínio:
Dt água+Al = (^) T f,Al -T f,água Dt água+Al = (^) (76-82) °C DD^ DD t água+Al^ =^ -6 °°°° C
Temperatura de estabilização da água com a barra de alumínio aos 27 minutos
Determinando o valor de A. Sendo a água aquecida com uma resistencia com potencia conhecida temos as seguintes relações: Wfornecida = Potencia x tempo (Eq. 2)
Onde a potencia é a quantidade de energia fornecida pelo aquecedor medida em Watt.
Através da Eq. 1 temos:
WAbsorvida = mcágua DT (Eq. 3)
Onde; m = massa da água Cágua = calor específico da água;
DT = Variação de temperatura da água;
Igualando a Eq 2 com a Eq. 3 obtemos: WAbsorvida = Wfornecida Potencia x tempo = mcágua DT
Para determinarmos o valor de A temos: Potencia x tempo = mcágua DT (joule) = A mcágua DT ( Joule) A = ( Potencia x tempo) / mcágua DT ( caloria) A = (627 watt x 1500s) / 4000 g x 1 cal/g°C x (82-26) °C A = 940500 Joule / 224000 cal A = 4,20 Joule/cal
Verificamos que o valor calculado está bem próximo do valor experimental: 1 cal = 4,19 joule Para determinar o valor do calor especifico do aluminio temos que o calor absorvido pela barra é dado por: Qabs = mAl.cAl.(T f,Al+água – T i,Al ) ( Eq. 4)
Igualando a Eq.7 com a Eq. 4 temos:
mAl. cAl .(T f,Al+água – T i,Al ) = mágua.cágua.(Tf,Al+água – Tf,água) + mcaixa cAl (Tf,Al+água – Tf,água) 1937g. cAl. (76-26)°C = 4000g.1 cal/g°C.(76-82)°C + 447g. cAl. (76-82)°C 96850 g.°C. cAl = -24000cal - 2682 g.°C. cAl 99532 g.°C. cAl = -24000cal cAl = 0,24 cal/g°C cAl = 1,01 J/g °°°° C Valor tab. Calc. Erro ( Calc.-tab.) A(joule) 4,19 4,1 -0, Cal ( J/gC) 0,9 1,01 0,
4. Análise do do experimento;
A capacidade calorífica é a constante de proporcionalidade entre uma quantidade de calor e a variação de temperatura que esta mesma quantidade de calor produz no objeto. O calor específico é a inércia térmica do corpo, ou seja, sua reistencia em alterar a temperatura quando troca calor. No nosso experimento constatamos que o alumínio teve uma inércia térmica menor que a água visto que o tempo para estabilzar o equilibrio térmico foi bem menor.
2. Para a realização desde experimento foi utilizado um importante princípio, presente em todas as áreas da Física. No caso em questão esse principio permitiu correlacionar um processo térmico com um fenomeno elétrico. Enuncie esse princípio e explique a sua utilização nesse experimento.
Principio da energia sob a forma de calor. Neste experimento tivemos a oportunidade de observar a energia elétrica ser transformada em forma de potencia em energia calorífica, onde, através dos principios de transmissão de calor,
verificamos o aumento gradual de temperatura da água que absorvia a energia calorífica cedida pelo aquecedor elétrico.
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?
Os erros sistemáticos inerentes ao experimento como leitura das massas, temperaturas iniciais e finais, tempo de ligação do aquecedor, mal isolamento do calorímetro onde há trocas com o ambiente, a não inclusão da capacidade calorífica da cuba por exemplo. Abaixo do valor tabelado significa que teremos os mesmos erros sistemáticos.
4_. Porque é importante esperar cerca de 3 minutos após o desligamento do aquecedor para se tomar a medida da temperatura final da água?_
Porque o sistema utilizado não é perfeitamento isolado. Por isso devemos esperar o sistema estabilizar com a temperatura afim de minimizar os erros sistemáticos do experimento.
