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1 defi departamento de física Laboratórios de Física Condutividade térmica de um isolante Instituto uperior de Engenharia do Porto- Departamento de Física Rua Dr. António Bernardino de Almeida, Porto. T F

2 Data: 14/03/008 Estudo da propagação de calor por condução, num isolante; Determinação da condutividade térmica do isolante perspex. Introdução Teórica A quantidade de calor conduzida através de um disco de superfície e espessura e, quando existe uma diferença de temperatura θ 1 - θ entre as duas bases, no tempo t é: Em que k é a condutividade térmica do material de que é feito o disco (neste caso de perspex). MÉTODO DE LEE CHARLTON Q = k ( θ1 θ ) O aparelho de Lees Charlton consta de um ebulidor onde se deita água que aquece. Um tubo conduz o vapor de água do ebulidor para um cilindro metálico (superior) e deste sai um outro tubo que permite o escape do vapor para a banca. Este cilindro é oco e à sua base pode adaptar-se um disco de perspex e um cilindro maciço, também metálico. Aquecendo a água no recipiente de vidro, o vapor aquece o cilindro superior; há um desequilíbrio entre a temperatura do cilindro e o meio ambiente, mas atingir-se-á um equilíbrio térmico quando a quantidade de calor cedida ao exterior pelo cilindro superior igualar a recebida pelo vapor de água. eja θ 1 a temperatura então atingida, esta será a temperatura da face superior do disco de perspex. O fluxo de calor propaga-se por condução através do disco e do cilindro inferior. Este aquecerá relativamente à temperatura ambiente até o equilíbrio térmico entre a quantidade de calor recebida através do disco e a cedida para o exterior, ser estabelecido. eja θ a temperatura então atingida, esta será a temperatura da face inferior do disco. e t Departamento de Física Página /6

3 Data: 14/03/008 Para determinar a quantidade de calor perdida pelo cilindro inferior, por unidade de tempo aquecemo-lo a uma temperatura cerca de 10 o C superior a θ e registamos a sua curva de arrefecimento. Teremos então: θ Q = C t θ Em que C é a capacidade térmica do cilindro. Teremos então: k ( θ θ ) e 1 θ = C t E finalmente poder-se-á calcular a condutividade térmica do perspex, através da expressão: θ k = ec θ ( θ θ1 ) t θ (W / m K) Esquema de Montagem A F B D O C O C θ θ 1 E LEGENDA: A - Cilindro metálico superior oco B - Cilindro metálico inferior maciço C - Disco de perspex (material a ensaiar) D - Termómetro digital E - Lamparina F - Ebulidor Departamento de Física Página 3/6

4 Data: 14/03/008 Material Necessário Aparelho de Lees Charlton; Termómetros (de100 0 C); Ebulidor; Fogão eléctrico; Lamparina de álcool; Disco de cortiça; Disco de perspex; Cronómetro; Palmer; Régua. Procedimento 1. Colocar o disco de perspex entre o cilindro maciço e o cilindro oco.. Após a ligação do fogão eléctrico para aquecer o ebulidor, aguardar a estabilização da temperatura lida no termómetro superior (θ 1 = 98 o C) e a temperatura lida no termómetro inferior (θ 55 o C), o que corresponde um regime de temperatura permanente de condução de calor através do disco de perspex. 3. Quando se estabelecer o regime permanente, desligar o fogão. 4. Afastar para o lado o cilindro superior (oco) do cilindro inferior (maciço) e colocar sobre este último uma placa de cortiça (material isolante). 5. Aquecer com uma lamparina de álcool o cilindro inferior até uma temperatura de cerca de (θ +10), após o que se retira essa fonte de calor. 6. Proceder ao estudo da radiação de calor para o ambiente anotando, com o auxílio de um cronómetro, a variação de temperatura com o tempo na vizinhança de θ (ao fim de quanto tempo varia um grau, desde (θ +10) até (θ -10)). Departamento de Física Página 4/6

5 Data: 14/03/ Esta análise permite obter uma representação gráfica do tipo θ = θ(t), conforme a figura abaixo. É através desta que se obtém o valor θ (valor negativo). t θ (K) θ + 10 θ t θ - 10 t(s) 8. Determinar a condutividade térmica do perspex pela expressão seguinte, sendo k = ec θ ( θ θ1 ) t θ C- capacidade térmica do cilindro maciço; C= 784,3 J / K. e- espessura do disco de perspex - área da superfície do disco de perspex 8. Calcular os erros associados a cada grandeza medida. 9. Após pesquisa do valor teórico da condutividade térmica do perspex, determinar o erro absoluto e relativo associados à determinação experimental que efectuou. ATENÇÃO: Não esquecer anotar a espessura e diâmetro do disco de perspex, com a ajuda de um micrómetro e de um paquímetro, respectivamente. Departamento de Física Página 5/6

6 Data: 14/03/008 Questões 1) Diga o que entende por: - condutividade térmica; - capacidade térmica; - regime permanente de transferência de calor. ) Quais os processos de transferência de calor envolvidos nesta experiência? Explique e descreva cada um deles. 3) De que forma é que a capacidade térmica de um material está relacionada com a condutividade térmica do mesmo? 4) Explique porque se realiza o ponto 4 nesta experiência (colocação de um disco de cortiça sobre o disco de perspex). Referências Bibliográficas Determinação do coeficiente de Condutibilidade Térmica pelo Método de Lees e Charlton Experiência 73 - A Laboratory Manual of Physics de F. Tyler Experiência 3 - Laboratório de Termodinâmica (Departamento de Física - FCUP) Departamento de Física Página 6/6