Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas Plano de Aula 24 De Março 2009 Sumário: Actividade Laboratorial 1.3: Capacidade Térmica Mássica. A aula iniciar-se á com uma breve revisão sobre o conceito de capacidade térmica mássica de uma substância. Irão ser colocadas algumas questões pré-laboratoriais do manual, sobre o conceito: Questões pré-laboratoriais: 1.Que significa dizer que a capacidade térmica mássica do alumínio é 900 J kg 1 K 1? Significa que são necessários 900 joules para que um quilograma de alumínio se eleve em um kelvin. 2.Se fornecermos a mesma quantidade de energia a dois blocos com a mesma massa, um de alumínio e outro de cobre (c (Al) = 900 J kg 1 K 1, c(cu)= 385 J kg 1 K 1 ), qual deles sofrerá maior elevação de temperatura? Justifique. O que sofrerá uma maior elevação de temperatura será o cobre, pois é o que tem uma menor capacidade térmica mássica, necessita de menor energia para elevar 1kg em 1K. 3.Se os blocos anteriores forem aquecidos com a mesma fonte de energia até sofrerem a mesma elevação de temperatura, qual deles demorará mais tempo a aquecer? Justifique. O que demorará mais tempo a aquecer será o alumínio, tem uma maior capacidade térmica mássica. 4.Se aquecermos uma massa igual de água e azeite fornecendo a mesma quantidade de energia, verificaremos que o azeite atinge uma temperatura superior à da água. Qual destas substâncias tem maior capacidade térmica mássica? Justifique. A água, porque a sua variação de temperatura foi menor para a mesma energia recebida. 5.Como se pode calcular a capacidade térmica mássica de uma substância constituinte de um corpo a partir da quantidade de energia por ele recebida? Que outras grandezas são necessárias? Como Q = m c ΔT, sabendo a energia transferida por calor, basta medir a massa do corpo e a variação da sua temperatura. Tem-se 1
Procede-se à realização da actividade experimental 1.3. Nesta actividade, pretende-se compreender as transferências de energia ocorridas entre sistemas a diferentes temperaturas e as grandezas físicas relacionadas com os valores de energia transferidos. Pretende-se igualmente efectuar um balanço energético das referidas transferências energéticas com base na Lei da Conservação da Energia. Parte A: Objectivos: Determinação da capacidade térmica do calorímetro. Determinação da capacidade térmica mássica da substância de que é feito um corpo metálico. Procedimento: Dentro de um copo de vidro, deite aproximadamente 250 cm 3 de água. Aqueça a água e agite-a periodicamente até que a temperatura atinja o valor de 85 C. 1.Coloque o calorímetro (copo + tampa + termómetro) em cima do prato da balança. Considere m cal o valor indicado na balança. 2.Dentro do calorímetro deite, aproximadamente, 120 cm 3 de água. Pese o conjunto, determine a massa da água contida no calorímetro, que vamos considerar m 2, e meça a temperatura da água (θ 2 ). 3.Meça a temperatura da água que foi aquecida no bico de gás (θ 1 ). 4.Vaze aproximadamente 150 cm 3 de água quente no calorímetro (mantenha o copo em cima do prato da balança). Meça a temperatura e a massa do conjunto (m 1 + m cal + m 2 ) 5.A partir das medições realizadas, determine a capacidade térmica do calorímetro (C cal ). Houve transferência de energia da água quente, que se encontrava no copo de vidro, para a água fria e para o calorímetro: m 1 c ág (θ 1 - θ f ) = m 2 c ág (θ f - θ 2 ) + C cal (θ f - θ 2 ) Substituindo na expressão os valores obtidos na experiência e considerando que c ág = 4,18 x 10 3 J kg -1 K -1, podemos determinar a capacidade térmica do calorímetro. 6.Lave o calorímetro com água da torneira. Repita a experiência. Repita as medições. 2
Para determinar a capacidade térmica mássica do cobre, vamos aquecer o objecto de cobre e colocá-lo dentro do calorímetro, que deverá ter uma determinada quantidade de água. Meça a massa de um objecto de cobre ( 200 g); massa m 1. Ate uma linha ao objecto, por intermédio da qual possa mergulhar e retirar o objecto de dentro da água. Mergulhe o objecto dentro da água que está a ser aquecida no bico de gás, mas de forma que o objecto fique suspenso por intermédio da linha. Coloque o calorímetro em cima da balança e deite água até que a massa experimente uma variação de 120 g. Meça a massa do conjunto e a temperatura (θ 2 ) da água contida no calorímetro. Quando a temperatura da água, que está a ser aquecida, tiver o valor aproximado de 90 C, agite a água e registe a temperatura (θ 1 ) indicada no termómetro nela mergulhado. Puxe a linha a que está preso o objecto de cobre e, rapidamente, transfira-o para dentro do calorímetro. Feche o copo com a tampa. Agite. Meça a temperatura final da mistura (θ f ). Determine o valor da capacidade térmica mássica do cobre. A energia que foi transferida do objecto de cobre para o calorímetro e para a água nele contida: Q 3 = Q 1 + Q 2 m 3 c Cu (θ 3 - θ f ) = C cal (θ f - θ 2 ) + m 2 c ág (θ f - θ 2 ) Parte B: Vamos utilizar um cilindro metálico que tem uma cavidade para inserir a resistência eléctrica e outra para o termómetro (figura anexa). Quando a resistência é ligada à fonte de alimentação, há transferência de energia para o bloco metálico, que se vai manifestar neste por uma variação de temperatura. Procedimento: 1. Pese o cilindro metálico. 2.Coloque o cilindro metálico sobre um suporte isolador. 3.Insira a resistência e o termómetro nas cavidades existentes no cilindro metálico. 4.Com a pipeta, deite algumas gotas de glicerina nos orifícios onde se encontram a resistência e o termómetro. 5. Ligue, em série, a resistência, a fonte de alimentação, o interruptor e o amperímetro. 3
6.Anote a temperatura indicada no termómetro. 7.Ligue o interruptor e accione o cronómetro. Registe a diferença de potencial do voltímetro e a intensidade da corrente eléctrica do amperímetro. 8.De 30 em 30 segundos e durante 5 minutos registe a temperatura. Verifique os valores do voltímetro e do amperímetro. 9.Determine a capacidade térmica mássica do metal. 10.Repita a experiência utilizando um outro bloco metálico. Poderá fazer a experiência utilizando blocos de alumínio e de cobre. Após os alunos terminarem a actividade prática, irá proceder-se a uma série de questões sobre os resultados. Questões pós-laboratoriais: 1.Determine a capacidade térmica mássica do material do bloco. Os alunos já devem ter determinado a capacidade térmica mássica de cada metal, através das expressões dadas. 2.Compare o valor obtido com o valor tabelado e conclua quanto à exactidão do valor determinado. Tire conclusões. Os alunos irão comparar os resultados de c com os valores tabelados e identificar o material. Comparam a exactidão dos resultados. 3.Calcule o erro percentual: erro% = valor medido tabelado / valor tabelado. 4.Por que é importante ser rápido a transferir o cilindro da água quente para a fria? Para que ocorra um menor número de perdas possível. 4
5.Se o fizermos muito lentamente, que parâmetro da experiência terá sido medido, muito provavelmente, com um erro elevado? A temperatura. 6.Este erro dará origem a um erro na medição da capacidade térmica mássica do cilindro por excesso ou por defeito? Por excesso: Quanto maior este erro menor será a temperatura final, logo Δθ será menor. Sabendo que Q=mc ΔT e que c é dado pela expressão abaixo, quando ΔT diminui c aumenta, logo é por excesso. 7.Por que razão no Verão a areia escalda e a água não? Os alunos deverão concluir que, sendo a capacidade térmica da água muito maior do que a da areia, a mesma quantidade de energia transferida provoca um menor aquecimento da água do que aquele que se verifica na areia. 8.Por que razão os climas marítimos são mais amenos do que os continentais? Os alunos deverão concluir que os climas marítimos são mais amenos do que os continentais porque, devido à sua enorme capacidade térmica mássica, a água é capaz de armazenar grandes quantidades de energia ao longo do dia, que aquando do arrefecimento nocturno, pode libertar, aquecendo o ar das vizinhanças; como o ar tem uma capacidade térmica mássica muito baixa, um pequeno abaixamento de temperatura da água liberta energia suficiente para o aquecimento de uma grande massa de ar, pelo que as regiões costeiras não apresentam grandes amplitudes térmicas. 5