ACTIVIDADE LABORATORIAL I RENDIMENTO NO AQUECIMENTO

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1 ACTIVIDAD LABORATORIAL I RNDIMNTO NO AQUCIMNTO Trabalho realizado no âmbito da formação: Actividades Laboratoriais do 10º e 11º anos do nsino Secundário Trabalho realizado por: Ana Margarida Vaz Cortesão e Silva Maira Alejandra Catarino Gomes Lopes Márcia sménia Moura Rodrigues 21 de Julho de 2010

2 CONTXTUALIZAÇÃO DA ACTIVIDAD A Actividade Laboratorial AL I: Rendimento no Aquecimento insere-se nos conteúdos programáticos do 10º ano, componente de Física, mais precisamente no Módulo Inicial intitulado Das Fontes de nergia ao Utilizador. Com esta actividade, os alunos poderão adquirir competências processuais, conceptuais e atitudinais, tais como: Seleccionar material de laboratório adequado a uma actividade experimental; Identificar material e equipamento de laboratório e explicar a sua utilização/função; Manipular com correcção e respeito por normas de segurança, material e equipamento; Recolher, registar e organizar dados de observações (quantitativos e qualitativos) de fontes diversas, nomeadamente em forma gráfica; xecutar, com correcção, técnicas previamente ilustradas ou demonstradas; Planear uma experiência para dar resposta a uma questão problema; Interpretar os resultados obtidos e confrontá-los com as hipóteses de partida e/ou com outros de referência; Discutir os limites de validade dos resultados obtidos respeitantes ao observador, aos instrumentos e à técnica usados; Reformular o planeamento de uma experiência a partir dos resultados obtidos; Identificar parâmetros que poderão afectar um dado fenómeno e planificar modo(s) de os controlar; laborar um relatório da actividade experimental por si realizada; Desenvolver o respeito pelo cumprimento de normas de segurança: gerais, de protecção pessoal e do ambiente; Reflectir sobre pontos de vista contrários aos seus; Adequar ritmos de trabalho aos objectivos das actividades. Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 2

3 QUSTÃO-PROBLMA Como poderemos aumentar o rendimento no aquecimento quando cozinhamos? Objectivos da actividade ste trabalho tem como objectivos determinar o rendimento num processo de aquecimento e identificar alguns dos factores dos quais este rendimento pode depender. Objecto de ensino: - Radiação, temperatura e energia interna - Quantidade de energia necessária para fazer variar a temperatura de um corpo = m c ΔT - Capacidade térmica mássica de uma substância - Potência fornecida e energia fornecida ( = P Δt) - Rendimento do processo de aquecimento Objectivos de aprendizagem: - Distinguir radiação de temperatura e de energia interna. - Determinar a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de uma certa massa de uma substância. - stabelecer balanços energéticos em sistemas termodinâmicos, identificando as parcelas que correspondem à energia útil e à energia dissipada no processo. - Determinar o rendimento do processo. Questões pré-laboratoriais Prevês que o rendimento (η) no processo de aquecimento de uma dada massa de água seja diferente variando a potência no forno de microondas? Porquê? Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 3

4 Prevês que o rendimento (η) no processo de aquecimento de diferentes massas de água seja diferente? Porquê? Material por grupo - Forno microondas; - Termómetro/sensor de temperatura; - Cronómetro; - Gobelés; - Proveta; - Água. - Vareta de vidro Procedimento xperimental Identificar e registar a menor divisão de escala e o erro de medição associado a todos os instrumentos de medida utilizados. A Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa de água, utilizando o forno microondas. 1 Colocar 200 ml de água num gobelé; 2 Medir a temperatura inicial da água; 3 Seleccionar a potência de 50 W no selector do forno de microondas Aquecer a água no forno de microondas durante 60 s. 5 Registar a temperatura final da água após a homogeneização. 6 Repetir duas vezes todo o procedimento. B Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento. 1 Colocar 200 ml de água num gobelé; 2 Medir a temperatura inicial da água; 3 Seleccionar a potência de 50 W no selector do forno de microondas; Aquecer a água no forno de microondas durante 20 s; 5 Registar a temperatura final da água após a homogeneização; 6 Repetir todo procedimento para 0s e 60s. Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página

5 C Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento. 1 Colocar 200 ml de água num gobelé; 2 Medir a temperatura inicial da água; 3 Seleccionar a potência de 50 W no selector do forno de microondas; Aquecer a água no forno de microondas durante 60 s; 5 Registar a temperatura final da água após a homogeneização; 6 Repetir todo o procedimento para as potências de 150 W e 300 W. D Influência da massa de água num processo de aquecimento. 1 Colocar 150 ml de água num gobelé; 2 Medir a temperatura inicial da água; 3 Seleccionar a potência de 50 W no selector do forno de microondas; Aquecer a água no forno de microondas durante 60 s; 5 Registar a temperatura final da água após a homogeneização; 6 Repetir todo o procedimento para os volumes de água de 250 ml e 300 ml. Registo dos resultados Menor divisão da escala Incerteza associada à medição Proveta 10mL 5mL Termómetro digital 0,1ºC 0,1ºC A Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa de água, utilizando o forno microondas. Volume de água = 200 ml t = 60 s P = 50 W Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 5

6 nsaio Ti (ºC) Tf (ºC) T (ºC) 1 2,8 2,3 17,5 2 2,9 2,1 17,2 3 2,8 2,0 17,2 B Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento. Volume de água = 200 ml P = 50 W Δt (s) Ti (ºC) Tf (ºC) T (ºC) 20 2,8 3,0 9,2 0 2,8 39,1 1,3 60 2,9 2,1 17,2 C Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento. Volume de água = 200 ml t = 60 s P (W) Ti (ºC) Tf (ºC) T (ºC) 150 2,8 29,6, ,9 3,7 9,8 50 2,9 2,1 17,2 Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 6

7 D Influência da massa de água num processo de aquecimento. P = 50 W t = 60 s V (ml) Massa (g)* Ti (ºC) Tf (ºC) T (ºC) ,9 0,2 15, ,8 37,9 13, ,8 36,3 11,5 *Nota: sendo a densidade da água a 25ºC igual a 1gcm -3, a massa de água poderá ser calculada através da expressão m V Tratamento dos resultados A Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa de água, utilizando o forno microondas. 1 Cálculo da energia útil e da energia fornecida. 17,5 17,2 17,2 T médio 17,3ºC 3 útil mc T médio util 0, ,3 util 1,5 10 J fornecida P t fornecida ,7 10 J 2 Determinação do rendimento (η) no processo de aquecimento. util fornecida 1, , ,7% Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 7

8 Variação da temperatura /ºC Variação da temperatura / ºC B Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento. Variação da temperatura da água em função do tempo Tempo / s C Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento. Variação da temperatura da água em função da Potência Potência /W Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 8

9 Variação de temperatura / ºC D Influência da massa de água num processo de aquecimento. Variação da temperatura da água em função da massa Massa / g Análise de resultados A Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa de água, utilizando o forno microondas. Neste processo de aquecimento ocorreu a transferência de energia sob a forma de radiação, do forno microondas para a água, provocando um aumento da temperatura desta. Como em qualquer processo de transferência de energia, há sempre energia que se degrada (nem toda a energia que é transferida para um sistema é utilizada da melhor forma, há muita energia que não é aproveitada com o fim à vista energia dissipada ou energia degradada), daí o rendimento associado a qualquer máquina é sempre inferior a 100%. Para o processo em questão, o valor do rendimento obtido foi de 53,7%. B Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento. Só é possível comparar os tempos de aquecimento se este for feito nas mesmas condições, ou seja, utilizar o mesmo recipiente (mesmo tamanho e material), o recipiente e a água têm de estar inicialmente à mesma temperatura e a potência Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 9

10 seleccionada no microondas tem que ser a mesma. Se não forem controladas estas variáveis não se podem fazer comparações. Para a amostra de água em estudo, e fixando a potência do microondas (50 W), verificou-se que à medida que o intervalo de tempo de aquecimento aumentava, a variação de temperatura registada era superior, uma vez que a energia interna da água era maior. C Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento. A potência é um dos parâmetros que afecta o rendimento de um processo de aquecimento. Para a amostra de água em estudo, e fixando o intervalo de tempo de aquecimento em 60 s, verificou-se que à medida que a potência do microondas aumentava, a variação de temperatura registada era superior. Para um mesmo intervalo de tempo, quanto maior a energia fornecida, maior irá ser a temperatura da água. D Influência da massa de água num processo de aquecimento. A massa do sistema é outro dos parâmetros que afecta o rendimento de um processo de aquecimento. Fixando a potência do microondas em 50 W, e para intervalos de tempo de 60 s, verificou-se que à medida que a massa de água aumentava, a variação de temperatura registada diminui. Para o mesmo intervalo de tempo, e mantendo constante a energia fornecida, quanto maior a massa de água, menor será a variação de temperatura. Questões pós-laboratoriais Comente a seguinte afirmação: Durante esta experiência a energia interna da água aumentou sem que esta recebesse calor da sua vizinhança. Do ponto de vista da racionalização da energia, o que será mais vantajoso: aquecer a água durante mais tempo a uma menor potência ou aquecer a água durante menos tempo a uma maior potência? Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 10

11 Conclusão sta actividade permite uma melhor compreensão do processo de aquecimento no forno microondas, que é um equipamento utilizado pelos alunos no seu dia-adia. Deste modo, é possível despertar o seu interesse, associando a Física a procedimentos que têm fora da sala de aula. Com esta actividade também se pretende que os alunos associem a radiação como um modo de transferir energia para um sistema, aumentando a sua temperatura, sendo uma alternativa à transferência de energia sob a forma de calor, que inicialmente os alunos a consideram como única! Na realização desta actividade laboratorial poderá decidir-se sobre as condições de trabalho dos diferentes grupos de alunos, de modo a que os resultados sejam comparáveis e os alunos possam tirar conclusões. Logo, sugere-se que cada grupo estude a influência de uma variável, mantendo todas as outras constantes, de modo a poderem comparar resultados. As variáveis possíveis de estudo são: - massa de água que vai ser aquecida; - potência seleccionada no forno microondas; - recipiente do mesmo material, mas de tamanhos diferentes; - recipiente do mesmo tamanho, mas de materiais diferentes. Sugere-se, também, que cada grupo, após a realização da actividade, faça uma apresentação à turma, com registo da variável em estudo e do rendimento calculado, de modo a promover uma discussão que responda às questões levantadas. Com esta actividade laboratorial é possível: - uma clarificação das principais ideias e conceitos, nomeadamente a distinção entre calor e temperatura. - estruturação da actividade laboratorial a partir da questão-problema; - explorar aspectos pré e pós-laboratoriais necessários à compreensão do trabalho proposto. Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 11

12 Bibliografia VNTURA, G. et al. (2003).10 F Ciências Físico-Químicas Física 10º ano (1ª ed.). Lisboa: Texto ditora. CALDIRA, H. et al. (2007). Ontem e hoje Física e Química A- Física 10º ou 11º (ano 1). Porto: Porto ditora. ALMIDA, M. J. B. M. (200). Preparação de professores de Física Uma contribuição científico-pedagógica e didáctica. Coimbra: Livraria Almedina df Actividade Laboratorial I Rendimento no Aquecimento Página 12