A.L. 0.1 RENDIMENTO NO AQUECIMENTO

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1 A.L. 0.1 RENDIMENTO NO AQUECIMENTO FÍSICA 10.ºANO QUESTÃO-PROBLEMA Como poderemos aumentar o rendimento no aquecimento, quando cozinhamos? Esta actividade laboratorial está integrada no módulo inicial de Física no 10.º ano, Das fontes de energia ao utilizador. Pretende-se com esta actividade a revisão dos conceitos de calor, temperatura, energia interna, potência, energia fornecida por um circuito eléctrico e rendimento num processo de aquecimento. PREPARAÇÃO PRÉVIA De forma a preparar convenientemente a actividade experimental, os alunos devem rever teoricamente os conceitos de: Calor, temperatura e energia interna; Circuito eléctrico simples; Potência fornecida (! =!"); Energia fornecida (!!"#$ =!!) Rendimento (! =! ú!"#!!"#$ 100). 1

2 TRABALHO LABORATORIAL MATERIAL (POR TURNO) Material e equipamento Quantidades Fonte de alimentação de tensão variável Resistência de aquecimento Voltímetro Amperímetro Interruptor Fios de ligação e crocodilos Cronómetro Termómetro ou sensor de temperatura Balança 1 Gobelé Água Agitador 2

3 PROCEDIMENTOS 1 1. De forma a simular um processo de aquecimento e calcular o seu rendimento, usar uma resistência de aquecimento mergulhada em água e faça uma montagem de um circuito semelhante ao da figura. 2. Antes da montagem do circuito, efectuar a medição da massa de água que vai ser aquecida e da sua temperatura. Indicar correctamente as medidas (valor mais provável e incerteza absoluta de leitura). 3. Analisar as escalas de todos os aparelhos de medida que vão ser utilizados de modo a fazer correctamente as leituras e anotar as respectivas incertezas absolutas de leitura.. Montar o circuito e, antes de ligar o interruptor, escolher um valor razoável para a temperatura máxima da água a atingir com o aquecimento. Não deixar a água entrar em ebulição. 5. Ligar o circuito, deixar a água aquecer e uniformizar a temperatura com o agitador. 6. Registar os dados adequadamente. 1 Adaptado de Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 10 F A - Física e Química A - Física - Bloco 1-10.º/11.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda. 3

4 REGISTO E TRATAMENTO DE DADOS CÁLCULO DA POTENCIA! = 0,69 ± 0,01A! = 8,17 ± 0,01V! =!"! = 0,69 8,17 = 5,6W CÁLCULO DA ENERGIA FORNECIDA! = 11!!! = 66s!!"#$ =!!!!"#$ = 5,6 66 = 37,96J CÁLCULO DA ENERGIA ÚTIL! = 70,0 ± 0,1g!ú!"# =! =!"!! =,18 10! J/(kg C)!ú!"# = 70 10!!,18 10! 30,00 17,70!! = 17,70 ± 0,05 C!ú!"# = 3598,98J!! = 30,00 ± 0,05 C CÁLCULO DO RENDIMENTO!=!ú!"# 100!!"#$!= 3598, = 96,1% 37,96 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Realizado o trabalho laboratorial os alunos devem analisar os resultados obtidos. Seguidamente apresentam-se algumas propostas de pontos a reflectir. Interpretação do valor obtido para o rendimento; Obteve-se um valor bastante aceitável. Devido às dissipações de energia é normal que o valor de rendimento não seja 100% no entanto, é um valor bastante próximo.

5 Resposta fundamentada, com base no confronto dos resultados obtidos pelos diversos grupos, às seguintes questões: o Uma panela e um copo, ambos cheios de água a ferver, encontram-se à mesma temperatura? E possuem a mesma energia interna? Ambos estão a 100ºC (considerando a pressão 1 atm), pois ambos estão em ebulição. Relativamente à energia interna, esta depende da temperatura (100º C em ambas), da substância (mesma amostra) e da quantidade de substância. Como na panela existe maior quantidade de substância, esta massa de água terá maior energia interna do que a água do copo. o Será necessária a mesma energia para aquecer uma panela de água e um copo de água? Para produzir o mesmo aumento de temperatura, é necessário fornecer mais energia à maior massa de água, logo será necessária mais energia para aquecer a panela pois tem maior massa de água. Resposta à questão problema colocada na actividade; Neste caso o aquecimento faz-se do exterior para o interior do recipiente, pelo que é conveniente que este tenha uma boa condutividade térmica. Além disso deverá estar tapado para evitar perdas de calor devido à evaporação da água. A fonte da calor deve ter um diâmetro inferir ao do fundo do recipiente, para que praticamente toda a energia seja transferida para este, minimizando-se as transferências para o ar. CONSIDERAÇÕES 1. Na execução deste trabalho, os alunos deverão ter o cuidado de submergir completamente a resistência na água, para que o calor não seja dissipado para o ar. Além disso a resistência não pode ficar ligada sem estar mergulhada em água, caso contrário, deteriora-se rapidamente. 2. A água não pode entrar em ebulição. 5

6 3. Pode ser usada uma resistência de imersão de 12 V, que facilmente se encontra em hipermercados. Podem igualmente usar-se resistências de potência muito mais baixa, associadas aos calorímetros de Joule que têm a vantagem de não exigir um débito de corrente tão alto.. Atenção que os valores de potência inscritos nas resistências são indicativos e não podem ser usados no cálculo do rendimento, correndo-se o risco de obter valores superiores a 100 %. 5. Podem usar-se diferentes massas de água e diferentes tempos de aquecimento. O valor do rendimento melhora para massas pequenas de água ( 150 g) e tempos de aquecimento reduzidos. Quanto maior for a diferença de temperatura entre a água e o ambiente, mais rápida se torna a dissipação de energia. 6. Podem comparar-se recipientes com diferentes isolamentos térmicos. 7. Uma técnica que produz bons resultados é medir a variação da temperatura ao longo de um certo intervalo de tempo e traçar o gráfico! =!!. O declive da recta fornece com mais precisão a variação de temperatura por unidade de tempo, que multiplicada pela massa e pela capacidade térmica mássica da água fornece imediatamente a potência útil. BIBLIOGRAFIA Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 10 F A - Física e Química A - Física - Bloco 1-10.º/11.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda. Martins, I. P. et al., (2001). Programa de Física e Química A, 10º ou 11º anos. Ministério da Educação. 6