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Data de Realização; Operadores; Local de atividade/relatório

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Data de Realização; Operadores; Local de atividade/relatório

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Data de Realização: 04/05/2022

Operadores:
Afonso Duque (10A, n1)
Fábio Brás (10A, n11
Luis Tenreiro (10A, n15)

Local de Atividade: Sala de Física da EPM (Sala 402)
Local de Relatório: Sala de Física da EPM (Sala 402), Biblioteca de Taipa, Habitação dos respetivos operadores

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Quando é preciso determinar a energia recebida ou cedida por calor dum corpo usasa-se a formula matemática "E=mc∆T", no qual:

E- energia recebida ou cedida pelo corpo, devido a troca de calor

m-massa do corpo

c- variação da temperatura

∆T-capacidade térmica mássica, constante que depende do material de que é feito o corpo

Assim mostra que, a energia transferida por calor, quando não há mudança de estado físico, é diretamente proporcional à massa do corpo, à capacidade térmica mássica do material de que é feito o corpo e à variação de temperatura do corpo, no qual é igual em graus celsius e em Kelvin.

Deste modo, nesta atividade para calcular a capacidade térmica mássica da substância, vai ser utilizada a expressão "c= E/m∆T"(unidade SI = J kg⁻¹ K⁻¹), onde corresponde à quantidade de energia necessária para fazer variar a temperatura de uma certa massa de um material.  Esta expressão mostra que para alterar a temperatura de um material, a energia necessário nesse procedimento tem que ser elevado quanto maior for a massa do material.

A energia fornecida ao bloco de aquecimento do bloco, pode ser calculada conhecendo a potência fornecida e o tempo que o bloco está a ser fornecido a energia. "Pfornecida= UI" e como "Pfornecida= Efornecida/ ∆t" então "Efornecida= UI ∆t", sendo "U" a diferença de potencial elétrico e  a corrente que atravessa o circuito elétrico.

Durante a experiência, aparte das transferências para o bloco calorimétrico com a ajuda de uma fonte de alimentação e também perdas de energia por transformação de parte da sua energia por calor.

Na construção do gráfico da variação da temperatura (∆T) , em função da energia fornecida, tendo em conta que "Efornecida= UI ∆t" como "∆T= Efornecida/mc", então o declive da reta será  "1/mc".

Capacidade Térmica Mássica do Alumínio-900J kg⁻¹ K-1
Potência da Resistência-42W

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O objetivo geral desta atividade é:
-Determinar a capacidade térmica mássica de alumínio

Para a realização do objetivo geral, vai ser preciso efetuar as seguintes etapas:
-Identificar as transferências de energia
-Estabelecer balanços energéticos em sistemas termodinâmicos, identificando as parcelas que correspondem à energia útil e à energia dissipada no processo.
-Medir a temperatura e energias fornecidas, ao longo do tempo, num processo de aquecimento.
-Construir e interpretar o gráfico de variação de temperatura de um material em função da energia.
-Determinar a capacidade térmica mássica do material a partir da reta de ajuste e, a partir dos valores tabelados, avaliar a exatidão do resultado, calculando o erro percentual.

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-Bloco calorimétrico de Alumínio
-Resistência de aquecimento
-Sensor de temperatura
-Fonte de Alimentação
-Amperímetro
-Voltímetro
-Balança

-sparking Air

-Fios de ligação
-Interruptor
-Glicerina
-Gobelé
-Pipeta de Pasteur
-iPad

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Antes de iniciar uma atividade experimental, é importante que os alunos acompanhem as orientações fornecidas pelo professor e não utilizão equipamentos ou materiais não autorizados. Durante a atividade, é necessário utilizar vestuário adequado, neste o uso de bata, também não é permitido fumar, comer ou beber nas dependências do laboratório. Durante o procedecimento é aconselhado não fazer sozinho, sempre com a ajuda de outros operadores ou com o professor e se algo mal funcionamento ou incorreto acontece, comunique com as colegas ou professor, e é também especialmetne aconselhado não realizar o material para algo fora do procedimento. Quando envolve conexões elétricas é para chamar o professor para verificar as conexões e para verificar a tensão elétrica da rede antes de ligar os equipamentos. Ao término das atividades os equipamentos deverão permanecer desconectados. Ao terminar a atividade é para lavar as mãoes, limpar a bancada de trabalho, coloar, reagentes não utilizados no recipiente própoprio, lavar os materiais de vidro utilizados e arrumar o resto do material.

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1.1. Indique o nome dos componentes intercalados no circuito.
Gerador, Amperímetro, Voltímetro, Fios de ligação/Crocodilos, Interruptor.

1.2. Com que objetivo se mede a diferença de potencial elétrico nos terminais da resistência de aquecimento e a corrente elétrica que percorre o circuito elétrico?

Para medir a diferença de potencial elétrico nos terminais da resistência de aquecimento  usa-se o voltímetro, e para medir a corrente elétrica que percorre o circuito elétrico o amperímetro

1.3. A tensão nos terminais da resistência de aquecimento deve ser cerca de 10 V. Tendo em conta os componentes que se encontram intercalados no circuito, qual deles lhe permite ajustar este valor de tensão?

A tensão nos terminais da resistência de aquecimento pode ser ajustado, mudando os ajustamentos de tensão elétrica ou de corrente elétrica.

1.4. Identifique transferências de energia que ocorrem durante a realização da experiência.

Durante a realização da experiência, vão ser realizados transferência de energia para o/s bloco/s calorimétricos de metais com ajuda de um fonte de alimentação e também perdas de energia por transformação de parte da sua energia por calor.

1.5. Que medições diretas é necessário fazer durante a experiência?

Durante a experiência vai ser necessário registar a intensidade da corrente elétrica, a diferença de potencial elétrico, a temperatura e a massa do/s bloco/s calorimétrico/s.

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1. Pesar os bloco de alumínio ;
2. Montar o circuito eléctrico com a resistência de
aquecimento, a fonte de alimentação, o amperímetro (em
série) e o voltímetro (em paralelo);
3. Registar as incertezas absolutas de leitura de cada um
dos materiais utilizados na montagem do circuito eléctrico;
4. Colocar um pouco de glicerina no interior de um dos
orifícios do bloco de alumínio ;
5. Colocar a resistência de aquecimento e o termómetro
nos restates orifícios do bloco de alumínio
6. Ligar a fonte de alimentação;
7. Fechar o circuito e iniciar a contagem no
cronómetro, simultaneamente;
8. Registar, 30 em 30 segundos , os valores obtidos
(temperatura, intensidade e diferença de potencial) numa
tabela;
9. Elaborar um gráfico variação de temperatura em função da energia fornecida;
10. Calcular a capacidade térmica mássica do alumínio;11. 11. Calcular a percentagem de erro do valor calculado e
comparar com o valor tabelado;

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Os resultados observados durante a experiência, mostrados na ficha de exel anexado. podem ser divididas com o tiposde medição usado:
-medições diretas: variação do tempo (∆t/s), temperatura do bloco calorimétrico (θ/°C),difereça de potencial elétrico (U/V), intensidade da corrente elétrica (I/A), massa do blo calorimétrio.
-medições indiretas: Energia fornecida ao bloco (E/J), variação a temperatura (∆T/k), declive da reta.

Além disso, durante a experiência ocorreram erros de diversos tipos, no qual podem ser divididos em  tipos de erros distintos:
-erros sistemáticos (alteram a exatidão):dissipação de energia por calor, impurezas no bloco calorimétrico.
-erros aleatórios (alreram  a precisão): utilização de uma tensão elétrica demasiada baixa nos terminais da resistência elétrica de aquecimento, cabos em contacto com o bloco calorimétrico, posição do termómetro.

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No final da atividade experimental foi obtido uma capacidade térmica mássica do alumínio de  2.05 ✕ 10³J kg⁻¹ K-1 ± 127%. Apesar de ter usado glicerina como um condutor térmico para o material, aumentando o acertamento do termómetro e um apoio da cortiça para limitar a dissipação de energia. Isso não foi suficiente. Os resultados obtidos na experiência não foram os esperados, visto o resultado da experiência tem uma incerteza relativa de 127%.

O valor calculado é diferente da capacidade térmica mássica tabelado, encontrado através da internet, devido à diversos erros observados ao longo da experiência.

Encontra-se a existência energia dissipada ao longo da experiência, dado que, ao longo que a resistência transfere energia para o bloco calorimétrico, parte dessa energia é perdida por transferências de calor para a vizinhança do sistema, através das paredes do bloco calorimétrico. Além disso, temos de considerar o bloco calorimétrico em si, em que os valores tabelados só representavam a capacidade térmica mássica do alumínio puro e o referencial usado podia ser uma mistura homogênea, alterando a capacidade térmica mássica do material. Estes erros alteraram a exatidão dos resultados, pois estes não podiam ser evitados, só minimizados e mudavam a proximidade do valor medido ao valor tabelado.

Ainda assim, também houve vários fatores que podiam ter sido facilmente evitados. Caso, a utilização duma diferença potencial elétrico de 2.79 V na experiência, quase 1/6 do recomendado 12 V, e esta ignorância fez em que não foi permitido observar o fenómeno total da experiência, onde os dados obtidos foram quase incompletos. A posição do termómetro também podia ter sido mal colocado, que ia provocar uma má leitura das temperaturas. Também temos de considerar o que durante uma grande porção do processo, cabos estavam em contacto com o bloco calorimétrico, que acrescentou à dissipação de energia.
Estes erros modificam a precisão, onde podem ser caracterizados como alterar a reprodutividade do trabalho e podem ser evitados.

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A capacidade térmica mássica, c, de um material é uma grandeza física que expressa o menor ou maior capacidade que um material tem para ceder ou absorver energia por calor, no qual corresponde à quantidade de energia necessária para a variação de 1°C na temperatura em 1kg do material.

No final desta atividade laboratorial, foi obtido um valor de 2.05 ✕ 10³J kg⁻¹ K⁻¹⁻127% para a capacidade térmica mássica do alumínio. Este número foi obtido de a partir de um gráfico de variação de temperatura por energia fornecida ao bloco calorimétrico, aplicando a fórmula de “declive=1/mc” onde foi preciso estabelecer balanços energéticos em sistemas termodinâmicos em forma de um circuito elétrico conectado à uma resistência de aquecimento, no qual fornecia energia ao bloco calorimétrico em forma de calor, e registando da temperatura do material. Mas a experiência não ocorreu como desejável, como mostra o erro relativo de 127%.

Este valor foi adquirido  devido a diversos fatores, não só houve perdas de energia  ao longo da experiência, onde energia é perdida por transferências de calor para a vizinhança do sistema, através das paredes do bloco calorimétrico, o contacto do bloco com objetos de fora, neste caso fios de ligação e o mal posicionamento do termómetro. Mas temos de estar em conta o facto de nós termos usado uma tensão elétrica muito menor do que pedido, no qual fez em que houve muito menos variações de temperatura. Além disso, o bloco calorimétrico usado também podia ser sido “impuro”, ser uma mistura homogênea do alumínio e outro metal qualquer.

Além do tudo, ainda foi aplicado maneiras de minimizar as perdas de energia. Aplicando glicerina aos orifícios do bloco calorimétrico para servir como um condutor térmico para o material, aumentando o acertamento do termómetro e do apoio da cortiça para limitar a dissipação de energia.

Em conclusão, ainda que houve erros da nossa parte em torno do procedimento da atividade labotorial, a experiência nos ajudou a perceber melhor sobre a capacidade térmica mássica de um material e adquirimos as  capacidades de como repetir a atividade com mais precisão.

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1. Na realização desta atividade, que medida(s) adotou para minimizar as perdas de energia?
Na realização desta atividade, usamos algumas medidas para minimizar as perdas de energia, essas medidas são nomeadamente:
-Utilização de glicerina como um condutor térmico para o material, aumentando o acertamento do termómetro.
-Utilização de cortiça como base para o metal, para limitar a dissipação de energia.

2. Porque colocou glicerina nos orifícios dos blocos onde se insere a resistência elétrica de aquecimento e o termómetro ou sensor de temperatura?
A glicerina foi colocado nos orifícios dos blocos onde se insere a resistência elétrica de aquecimento e o termómetro ou sensor de temperatura, pois a glicerina é um bom condutor elétrico, levando a um melhor contacto térmico.

4. Que aparelhos de medida utilizou na realização da atividade?
Os aparelhos de medida que utilizamos na realização desta atividade foram: Balança, Amperímetro, Voltímetro e Sensor de Temperatura

6. Como procedeu para determinar a capacidade térmica mássica a partir do gráfico que construiu, com base nos dados experimentais?
A partir do gráfico da variação da temperatura em função da energia fornecida, e a determinacão do declive da reta. Ao aplicar a formula "declive=1/mc" calculamos a capaciadade térmica mássica.

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"AL 3.2 Capacidade Térmica Mássica" , in https://www.youtube.com/watch?v=jSasojBtQXM&t=208s (consultado em 02-05-2022, 03-05-2022, 04-05-2022, 8-5-2022)

"Capacidade Térmica Mássica" , in http://www.aejsc.pt/images/2019-2020/agua/Atividade_Experimental_TOMS_PERERIRA_N28.pdf (consultado em 02-05-2022)

"Capacidade Térmica Mássica" , in https://notapositiva.com/capacidade-termica-massica/

(consultado em 02-05-2022, 03-05-2022, 04-05-2022, 8-5-2022)

"Regras de Segurança e Erros" , in https://classroom.google.com/c/MTc1MTYxNjk2MDkw/p/NDAzODc1Mjk2NDkx/details (consultado em 02-05-2022, 6-05-2022, 07-05-2022, 08-05-2022)

"Regras de Segurança" , in Seguranhttps://cienciasexatas.furg.br/images/documentos/Normas-do-Laboratorio-de-Ensino-de-Fisica.pdf (consultado em 02-05-2022)