Física I LEC+LET Guias de Laboratório 2ª Parte

Transcrição

1 Físca I LEC+LET Guas de Laboratóro 2ª Parte 2002/2003

2 Experênca 3 Expansão lnear de sóldos. Determnação de coefcentes de expansão térmca de dferentes substâncas Resumo Grupo: Turno: ª Fera h Curso: Nome nº

3 3. Expansão lnear de sóldos. Determnação de coefcentes de expansão térmca de dferentes substâncas 3.1 Concetos: Temperatura; expansão térmca; termómetros. 3.2 Objectvo: Determnação do coefcente de dlatação lnear de sóldos. Construção de um termómetro. 3.3 Materal: Aparelho dlatómetro com suporte e extensímetro, termómetro, gerador de vapor, tubos de latão, ferro, cobre, alumíno e vdro. 3.4 Procedmento expermental: Identfque o materal. IMPORTANTE: Não lgue os aparelhos sem verfcação préva do docente do laboratóro. Coloque um tubo de borracha na saída do tubo A (tubo consttuído pelo materal do qual pretende determnar o coefcente de dlatação lnear) mas próxma do extensímetro, de forma a fazer de escape para o vapor e conduzr a água condensada para um recpente. Lgue o tubo do gerador de forma a fazer crcular o vapor dentro do tubo A. Lea no termómetro a temperatura ambente. Ao manusear os tubos e o dlatómetro faça-o de forma a que a temperatura destes se mantenha o mas próxma possível da temperatura ambente. Meça o comprmento do tubo A a partr da ranhura de fxação até à extremdade oposta. Coloque o tubo A no corpo do dlatómetro, fxando-o à ranhura com o parafuso. Fxe o aparelho de medda no seu suporte, encostando a ponta à extremdade lvre do tubo. Coloque o pontero no valor zero, rodando a escala. Verfque se o gerador de vapor está preenchdo pelo menos a 2/3 da sua capacdade. Lgue o gerador à rede eléctrca. Ao fm de alguns mnutos o vapor de água deve sar lvremente pela extremdade do tubo de borracha.

4 ATENÇÃO! O vapor de água que sa do gerador está a cerca de 100ºC e pode provocar quemaduras graves. Verfque contnuamente o vapor. Caso dexe de sar, deslgue medatamente o gerador. É snal que a água do gerador se esgotou. Espere até que os valores da temperatura e da extensão do tubo A establzem. Regste os valores da temperatura e da extensão máxma. Esta extensão corresponde a uma temperatura do tubo A dêntca à temperatura do vapor. Deslgue o gerador de vapor e retre os tubos. Dexe arrefecer o tubo e repta a experênca com outros dos tubos. Mude a posção do parafuso de suporte dos tubos e repta a experênca para os três tubos. 3.5 Resultados expermentas e cálculos: Os resultados expermentas relatvos a temperaturas, θ, comprmento, L, e dlatação, L, são apresentados na tabela 1: Materal θ 1 ε θ1 θ 2 ε θ2 θ ε θ L ε L L Tabela 1: Resultados expermentas relatvos a temperaturas ncas e fnas θ e θ f, respectvas dferenças θ, e dlatação correspondente L para tubos comprmento L. Quando a dlatação, L, é pequena comparada com o comprmento, L, o coefcente de dlatação α pode ser dado pela aproxmação: α = 1 L 0 L θ (1) Os resultados expermentas relatvos a meddas de coefcente de dlatação para tubos de dferentes materas são apresentados na tabela 2.

5 Materal α 1 ε α1 α 2 ε α2 α 3 ε α3 α ε α Tabela 2: Resultados expermentas relatvos a coefcentes de dlatação, α, para tubos de dferentes materas. Nota: Indque as undades, os erros expermentas e apresente os resultados somente com os algarsmos sgnfcatvos. 3.6 Conclusões: Comente os resultados obtdos e os erros respectvos. Compare os resultados em função dos materas estudados e das condções expermentas. 3.7 Questões: Supondo que uma ponte é feta de ferro e tem um tabulero com uma extensão de 2 km (como a ponte 25 de Abrl), calcule a espessura mínma das juntas de dlatação em cada uma das extremdades de forma a suportar as varações de temperatura expectáves no local (Lsboa). A partr da equação dos gases perfetos (2) obtenha o coefcente de expansão volumétrca β (expressão 3) de um gás deal. Calcule o seu valor para θ = 0ºC PV = nrt (2) 1 V β = V T (3)

6 Experênca 4 Determnação de calores específcos de dferentes substâncas Resumo Grupo: Turno: ª Fera h Curso: Nome nº

7 4. Determnação de calores específcos de dferentes substâncas 4.1 Concetos: Calor, Trabalho e Energa, 1º Prncípo da Termodnâmca, Temperatura da mstura, Capacdade Calorífca e Calor Específco. 4.2 Objectvo: Medção do calor específco de sóldos pelo método da mstura. 4.3 Materal: Calorímetro de paredes duplas. Termómetro dgtal, balança, gerador de vapor, copos de prex, grãos de cobre, chumbo e vdro. Blocos de metas. 4.4 Procedmento expermental: Identfque o materal. IMPORTANTE: Não lgue os aparelhos sem verfcação préva do docente do laboratóro Lgue o gerador de vapor segundo as ndcações e precauções descrtas no gua da experênca Coloque o materal escolhdo no recpente aquecedor, com a tampa nferor fechada, enchendo o seu nteror. Lgue o gerador de vapor a uma das entradas do recpente aquecedor através de um tubo de borracha. Na outra extremdade coloque um tubo para escape do vapor e da água condensada. Feche o recpente com a tampa respectva Entretanto, lmpe o frasco nteror do calorímetro com água e dexe-o arrefecer. Pese o calorímetro. Coloque cerca de 150 ml de água fra (da tornera) no seu nteror. Pesando de novo o conjunto, regste a massa exacta desta água Regste a temperatura da água depos de establzar Com o termómetro dgtal verfque se a temperatura do materal se aproxma dos 100ºC, (tempo mínmo de aquecmento: 10 mnutos) No fm deste ntervalo de tempo, abra a tampa nferor do recpente aquecedor e dexe car todo o materal no calorímetro. Feche o calorímetro com a tampa respectva e observe a temperatura até esta establzar, agtando regularmente. Regste o ntervalo de tempo necessáro para a temperatura establzar Pesando de novo o calorímetro, determne a quantdade de materal Repta os pontos a para dferentes materas.

8 4.5 Resultados expermentas: Materal massa água massa sól θ água θ sól. θ fnal θ sól. θ água tempo Tabela 1: Resultados expermentas relatvos a massas, temperaturas, dferenças de temperatura e tempo de establzação da temperatura para dferentes materas. θ fnal representa a temperatura fnal do conjunto da água com os grãos de materal prevamente aquecdos. θ sól. = θ fnal θ sóldo ; θ água. = θ fnal θ água. Note-se que, neste caso θ sól. é negatvo. Nota: Indque as undades, os erros expermentas e apresente os resultados somente com os algarsmos sgnfcatvos. 4.6 Cálculo do calor específco: Admtndo que o sstema está solado termcamente e não exstem trocas de trabalho, durante a mstura de corpos a dferentes temperaturas, o calor ceddo pelos corpos que arrefecem é o mesmo que o calor recebdo pelos que aquecem. As trocas de calor ocorrem até que se estabeleça a temperatura de equlíbro. Q = 0 ; (1) Equlíbro θ 1 = θ 2 =... = θ n O calor absorvdo por um corpo de massa m, sem mudança de estado, sujeto a uma mudança de temperatura θ, admtndo um calor específco c constante nesse ntervalo de temperatura, é dado por: Q = c. m. θ (2) Ao produto c.m dá-se o nome de capacdade calorífca. Nesta experênca o calor ceddo pelo sóldo de massa m ( Q sól. < 0) é absorvdo pela água e pelo calorímetro. Tendo em conta o calor que o corpo do calorímetro recebe quando a respectva

9 temperatura aumenta, a capacdade calorífca deste é equvalente à de 23g de água. Teremos assm: Q + Q = Q (3) cal água sól c água.( m + 23g). θ = c. m θ (4) água água sól sól Sendo conhecdo o calor específco da água, c água, e tendo sdo determnados expermentalmente os valores das massas da água e do sóldo, m água e m sól respectvamente, e as correspondentes dferenças de temperatura, θ água. (= θ fnal θ água ) e θ sól. (= θ fnal θ sóldo ), resta-nos, como únca ncógnta, o valor do calor específco do sóldo c, que será dado por: c ( mágua + 23g) θágua = cágua.. (5) m θ sól sól Utlzando a defnção de calora e o seu equvalente em Joule: c água 1 cal g 1 ºC 1 = J g 1 ºC 1. podemos então, a partr dos valores apresentados na tabela 1, construr a tabela 2 com os valores pretenddos: Materal c (J g 1 ºC 1 ) ε(c ) (J g 1 ºC 1 ) Tabela 2: Valores do calor específco c para dferentes materas e respectvos erros. Estes valores são obtdos a partr dos dados expermentas apresentados na tabela 1, utlzando a expressão (5). 4.7 Conclusões: Comente os resultados fnas e os erros respectvos. Compare os tempos de establzação e nterprete as dferenças observadas. Identfque as causas de erro que consdere mas mportantes e sugra possíves formas de as mnorar.

10 O calor específco dos metas pode ser aproxmado por 3 c = R v µ (le de Dulong e Pett) em que µ é a massa molar. Calcule c v para os dferentes metas usados e compare os resultados com os valores obtdos expermentalmente. Qual o sgnfcado do índce v? Dados: R = J mol 1 K 1 ; µ (cobre) = g.mol 1 ; µ (chumbo) = g.mol 1 ; µ (alumíno) = g.mol 1 ; 4.8 Questão: Obtenha uma estmatva da potênca do gerador de vapor, em Watt, consderando que em cerca de 20 mnutos toda a água contda é consumda. Dado: calor de vaporzação da água = 540 cal g 1.