Questões-problema Departamento de Matemática e Ciências Experimentais Física e Química A 10.º Ano Atividade Prático-Laboratorial APL 1.3 Física Assunto: Capacidade térmica mássica - Porque é que no Verão a areia fica escaldante e a água do mar não? - Porque é que os climas marítimos são mais amenos do que os continentais? Objetivos da atividade Nesta atividade, 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 efetuar um balanço energético das referidas transferências energéticas com base na Lei da Conservação da Energia. Introdução A quantidade de energia que se fornece a materiais diferentes, de modo a provocar-lhes a mesma elevação de temperatura, depende da constituição desse material. Por isso, há materiais que aquecem e arrefecem mais ou menos do que outros, quando se lhes fornece a mesma quantidade de energia, durante o mesmo intervalo de tempo. Isto significa que cada material é caracterizado por uma grandeza física que está relacionada com a capacidade que esse material tem para absorver ou ceder energia. Essa grandeza designa-se por capacidade térmica mássica e representa-se pela letra c. Define-se como sendo a quantidade de energia que é necessário fornecer a 1 kg de qualquer material, de modo que a sua temperatura se eleve de 1 C ou 1 K. O comportamento térmico de um material está relacionado com o valor da sua capacidade térmica mássica: e o seu valor for elevado, a quantidade de energia envolvida no aquecimento e no arrefecimento desse material também é elevada; se o valor da capacidade térmica mássica for baixo, a quantidade de energia necessária para que o material aqueça e arrefeça também é baixa. O valor da capacidade térmica mássica de um material (por exemplo, um metal ou uma liga metálica) pode determinar-se, experimentalmente, utilizando blocos calorimétricos. Estes blocos dispõem de orifícios que permitem introduzir uma resistência de aquecimento e um termopar. A quantidade de energia transferida como calor para os blocos calorimétricos pode ser relacionada com a capacidade térmica mássica através da expressão matemática seguinte: Q m c (1) Como: E P em que Q = E (2) t De (1) e (2) obtemos: P c m t 1
O traçado do gráfico = f(t) permite determinar o declive da reta obtida e, consequentemente, a capacidade térmica mássica do material. Para isso, é necessário saber a potência elétrica fornecida ao circuito efetuando leituras dos valores da diferença de potencial nos terminais da resistência e dos valores da intensidade da corrente que atravessa o circuito elétrico. O conhecimento dos valores da capacidade térmica mássica dos materiais alumínio, latão e cobre permite verificar as propriedades específicas destes materiais relativamente ao aquecimento. Material necessário Balança Conjunto de blocos calorimétricos (latão, alumínio e cobre) Resistência de aquecimento Termómetro ou sensor de temperatura Amperímetro Voltímetro Fonte de alimentação Cronometro Interruptor Fios de ligação Glicerina Procedimento experimental 1. Montar o circuito elétrico com uma fonte de alimentação, um voltímetro em paralelo com a resistência de aquecimento, um amperímetro e um interruptor. 2. Usar glicerina dentro dos blocos calorimétricos para facilitar o contato térmico com o bloco, quer da resistência elétrica quer do termopar. 3. Introduzir no bloco calorimétrico de latão a resistência de aquecimento e fechar o interruptor. 4. Fazer leituras da temperatura, de minuto a minuto (durante 10 minutos), e registar, numa tabela, os valores da intensidade da corrente e da diferença de potencial nos terminais da resistência. 5. Após os 10 minutos desligar o interruptor e continuar a medir o tempo até que a temperatura do bloco estabilize e anote também esses valores. 6. Repetir o procedimento experimental, para os outros dois blocos. 2
Registo dos resultados obtidos Massa do Latão: Massa do Alumínio: Massa do Cobre: Tempo (s) 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Temperatura (⁰C) Intensidade da corrente (A) Diferença de potencial (V) Latão Alumínio Cobre Latão Alumínio Cobre Latão Alumínio Cobre Valores médios de I e U dos blocos Discussão e conclusões 1. Para cada um dos blocos calorimétricos, traçar os gráficos no programa Excel dos valores da temperatura em função do tempo. 2. Determinar para cada uma das situações, tendo em conta os algarismos significativos: 2.1. o declive dos respetivos gráficos obtidos; 2.2. a potência fornecida ( P U I ) ao circuito elétrico; 2.3. a capacidade térmica mássica de cada material, através da expressão matemática: 3. Consultar uma tabela de capacidades térmicas mássicas e comparar os valores tabelados com os valores experimentais obtidos. 4. Calcular o erro na determinação da capacidade térmica mássica de cada um dos materiais. 5. Problema: Supor que se tem duas cafeteiras com igual massa: uma de alumínio e outra de latão. As cafeteiras contêm a mesma massa de água e são aquecidas durante o mesmo intervalo de tempo no mesmo disco do fogão. Em qual das duas cafeteiras a água aquece até uma temperatura mais elevada? Justificar a resposta. 6. Responder às questões-problema. % r c tab c c tab exp 100 3
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Prof. Luís Perna 5