Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Actividade Laboratorial Capacidade Térmica Mássica Elaborado por: Armanda Costa Fernanda Veríssimo Hélder Silva Formadores: Professor Doutor Paulo Simeão de Carvalho Professor Doutor Manuel Joaquim Marques Actividades Laboratoriais para o 10º e 11º anos do Ensino Secundário Porto, 21 de Julho de 2010
Enquadramento no programa A realização desta actividade laboratorial, ao nível do 10º Ano, é útil para o aluno consolidar o conceito de capacidade térmica mássica, compreendendo que é uma caraterística de um material que lhe confere propriedades específicas relativamente ao aquecimento e ao arrefecimento. Questões-problema Por que é que no Verão a areia fica escaldante e a água do mar não? Por que é que os climas marítimos são mais amenos do que os continentais? Objectivos da actividade Determinação da capacidade térmica mássica da substância de que é feito um corpo metálico. Analisar transferências e transformações de energia num sistema. Efectuar um balanço energético das transferências energéticas com base na Lei da Conservação da Energia. Explicar determinados fenómenos com base nos valores elevados ou baixos da capacidade térmica mássica dos materiais neles envolvidos. Aplicar o conceito de capacidade térmica mássica à interpretação de fenómenos do dia-a-dia. Leis e Teorias Lei da Conservação da energia Lei Zero da Termodinâmica Conceitos a explorar Energia interna Temperatura Transferência de Energia Transformação de Energia Capacidade térmica mássica Equilíbrio térmico Sistemas termodinâmicos 1
Questões pré-laboratoriais 1. Justifica a afirmação: A capacidade térmica mássica do alumínio tabelado é de 900 1 1 Jkg K.? 2. Se dois blocos, um de alumínio e outro de cobre, forem aquecidos com a mesma fonte de energia durante o mesmo intervalo de tempo, qual deles aquece mais? Justifique. 3. 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. 4. Como se pode calcular a capacidade térmica mássica de uma substância constituinte de um corpo a partir da quantidade de energia por ele recebida? Material utilizado Blocos de cobre e alumínio Gobelé Água Resistência eléctrica de aquecimento Termómetro digital Calorímetro Balança Fio 2
Procedimento A - Determinação da capacidade do calorímetro 1. Colocar uma massa conhecida de água à temperatura ambiente no calorímetro. 2. Registar o valor da temperatura da água após ter sido estabelecido o equilíbrio térmico com calorímetro. 3. Aquecer uma massa de água a uma determinada temperatura e registar esse valor. 4. Adicionar uma massa conhecida de água quente no calorímetro. 5. Registar a temperatura de equilíbrio. B - Determinação da capacidade térmica mássica do cobre/alumínio 1. Colocar aproximadamente 200 ml de água no gobelé e aquecer até à ebulição desta. 2. Introduzir uma massa conhecida de água à temperatura ambiente no calorímetro e registar a sua temperatura. 3. Atar uma linha ao bloco de cobre, por intermédio da qual se possa mergulhar e retirar o bloco de dentro da água. 4. Introduzir o cobre na água em ebulição (de forma que fique suspenso por intermédio da linha). 5. Registar a temperatura da água em ebulição. 6. Retirar o cobre da água em ebulição, e, rapidamente, introduzi-lo no calorímetro. 7. Fechar o calorímetro com a tampa e agitar ligeiramente. 8. Registar a temperatura quando se atinge novo equilíbrio térmico. 9. Repetir o procedimento anterior para o bloco de alumínio. Resultados obtidos A. Capacidade térmica do calorímetro m água fria /g m água quente /g θ água fria /ºC θ água quente /ºC θ equilíbrio /ºC 134,4 116,6 23,2 100,2 57,2 3
B. Capacidade térmica mássica do cobre m cobre /g m água /g θ cobre /ºC θ água /ºC θ equilíbrio /ºC 68,5 160,6 100,0 23,4 26,2 C. Capacidade térmica mássica do alumínio m alumínio /g m água /g θ alumínio /ºC θ água /ºC θ equilíbrio /ºC 21,3 160,0 99,7 23,9 26,3 Tratamento dos dados A. Capacidade térmica do calorímetro Q = m c θ Q água quente + Q água fria + Q calorímetro = 0 m q c θ + m f c θ + C θ = 0 116,6 x 10-3 x 4,18 x 10 3 x (57,2 100,2) + 134,4 x 10-3 x 4,18 x 10 3 x (57,2 23,2) + C (57,2 23,2) = 0 C = 54,6 J/ ºC B. Capacidade térmica mássica do cobre Q = m c θ Q cobre + Q água + Q calorímetro = 0 4
m c Cu θ + m c H2O θ + C θ = 0 68,5 x 10-3 x c Cu x (26,2 100,0) + 160,6 x 10-3 x 4,18 x 10 3 x (26,2 23,4) + 54,6 x (26,2 23,4) = 0 c Cu = 402 J/kg ºC cmédio ctabelado % errorelativo = 100% c tabelado 385 402 % errorelati vo = 100% = 4,42% 385 C. Capacidade térmica mássica do alumínio Q = m c θ Q alumínio + Q água + Q calorímetro = 0 m c Al θ + m c H2O θ + C θ = 0 21,3 x 10-3 x c Al x (26,3 99,7) + 160,0 x 10-3 x 4,18 x 10 3 x (26,3 23,9) + 54,6 x (26,3 23,9) = 0 c Al = 1110 J/kg ºC cmédio ctabelado % errorelativo = 100% c tabelado 900 1110 % errorelati vo = 100% = 23,3% 900 5
Questões pós-laboratoriais 1. Qual o melhor recipiente para um refrigerante, garrafas de vidro ou latas de alumínio? c(al) = 900 J/kg ºC; c(vidro) = 2100 J/kg ºC 2. Faça uma discussão com todos os grupos, de modo a dar resposta às questões iniciais que se relembram de seguida: Num dia de Verão, quando caminhamos sobre a areia, por que queima muito mais a areia seca do que a areia molhada, embora ambas tenham sido igualmente aquecidas? Por que é que os climas marítimos são mais amenos do que os continentais? Conclusão / Crítica As diferenças obtidas relativamente aos valores tabelados poderão dever-se a: Perda de energia para o exterior quando se retira o metal da água em ebulição e se introduz no calorímetro; Foi transferida juntamente com o bloco uma pequena quantidade de água que tinha sido utilizada para o aquecer; O aquecimento do bloco pode não ter ocorrido de forma homogénea. O calorímetro não é um sistema perfeitamente isolado; Os metais utilizados podem conter impurezas; Erros cometidos na realização das medições. 6
Bibliografia Caldeira, Helena; Bello Adelaide. Ontem e Hoje 10º Ano. Porto Editora, 2007. Rodrigues, M. Margarida; Dias, Fernando Morão. Física Na Nossa Vida 10º Ano. Porto Editora, 2007. Ventura, Graça; Fiolhais, Carlos; entre outros. 10 F A. Texto Editora, 2007. Silva, Daniel Marques. Desafios da Física 10º Ano. Lisboa Editora, 2007. Silva, António José; Resende, Fernanda; Ribeiro, Manuela. Física 10. Areal Editores, 2007. Programa de Física e Química A 10º Ano, Ministério da Educação, Departamento do Ensino Secundário, 2001. 7
Anexos 8
V DE GOWIN ALA CONCEPTUAL Teoria Teoria corpuscular da matéria Princípios e Leis Lei da conservação da energia. Lei zero da termodinâmica. Conceitos Energia interna Temperatura Transferência de Energia Capacidade térmica mássica Equilíbrio térmico Sistemas termodinâmicos Blocos de cobre e alumínio Gobelé Água Resistência eléctrica de aquecimento Termómetro digital Calorímetro Balança Fio A - Capacidade do calorímetro Por que é que no Verão a areia fica escaldante e a água do mar não? Por que é que o climas marítimos são mais amenos que os continentais? Material/Procedimento 1. Colocar uma massa conhecida de água à temperatura ambiente no calorímetro. 2. Registar o valor da temperatura da água após ter sido estabelecido o equilíbrio térmico com o calorímetro. 3. Aquecer uma massa de água a uma determinada temperatura e registar esse valor. 4. Adicionar uma massa conhecida de água quente no calorímetro. 5. Registar a temperatura de equilíbrio. B- Capacidade térmica mássica do cobre/alumínio 1. Colocar aproximadamente 200 ml de água no gobelé e aquecer até à ebulição desta. 2. Introduzir uma massa conhecida de água à temperatura ambiente no calorímetro e registar a sua temperatura. 3. Atar uma linha ao bloco de cobre, por intermédio da qual se possa mergulhar e retirar o bloco de dentro da água. 4. Introduzir o cobre na água em ebulição (de forma que fique suspenso por intermédio da linha). 5. Registar a temperatura da água em ebulição. 6. Retirar o cobre da água em ebulição, e, rapidamente, introduzilo no calorímetro. 7. Fechar o calorímetro com a tampa e agitar ligeiramente. 8. Registar a temperatura quando se atinge novo equilíbrio térmico. 9. Repetir o procedimento anterior para o bloco de alumínio. ALA METODOLÓGICA Juízos Cognitivos O material de que é feita a areia e a água apresentam capacidades térmicas mássicas diferentes, devido a serem substâncias diferentes. Se considerarmos uma dada massa de água e igual massa de areia, aquecidas pela radiação solar durante o mesmo intervalo de tempo, a elevação de temperatura na areia é muito mais elevada, porque a capacidade térmica mássica da areia é muito menor que a da água. Isto faz com que a mesma quantidade de energia transferida provoca uma menor variação de temperatura da água do que aquela que se verifica na areia. Podemos ainda referir 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 da vizinhança. Juízos de Valores Para as mesmas temperaturas iniciais dos blocos e da água verificam-se diferentes temperaturas de equilíbrio. Pode-se então concluir que a variação de temperatura ocorrida pelos diferentes blocos depende da constituição dos mesmos. Transformações dos registos Dados, factos e medidas Experimental Tabelado Erro Medição de temperaturas Determinação de massas Cálculo da energia transferida como calor Cálculo das capacidades térmicas mássicas Controlo de Variáveis Massa dos blocos de metal 9
Mapa de conceitos CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA relaciona-se com Massa dos materiais m (kg) Energia como calor Q (J) pode ser Energia Recebida Q > 0 Energia Cedida Q < 0 temperatura final > temperatura inicial θ > 0 depende Variação de temperatura θ (ºC) depende temperatura final < temperatura inicial θ < 0 implica implica transferência de energia VIZINHANÇA - SISTEMA transferência de energia SISTEMA - VIZINHANÇA deixa de haver transferência de energia Equilíbrio térmico diferentes materiais CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA diferente exemplos c (Al) = 900 J kg -1 ºC -1 c (Cu) = 385 J kg -1 ºC -1 10