ACTIVIDADE LABORATORIAL – LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ANO – ALF 1.3
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA O que se pretende
Determinar experimentalmente a capacidade térmica mássica de diferentes materiais metálicos, nomeadamente do alumínio, do cobre e do latão (liga metálica cobre‐zinco). Para tal iremos recorrer a uma resistência de aquecimento que irá fornecer energia a um bloco calorimétrico, de massa conhecida, do material em estudo. A partir da energia fornecida pela resistência de aquecimento e da elevação da temperatura sofrida pelo bloco calorimétrico, determina‐se então a capacidade térmica mássica do material.
Comparar os resultados experimentais obtidos para a capacidade térmica mássica dos diferentes materiais com os respectivos valores tabelados e avaliar a exactidão dos mesmos.
Verificar significados Capacidade térmica mássica: A capacidade térmica mássica de um material é a quantidade de energia necessária para que a sua unidade de massa aumente 1 °C (ou 1 K) de temperatura. A capacidade térmica mássica da água, por exemplo, é 4186 J / (kg °C), tal significa que para aumentar 1 °C a temperatura de 1 kg de água líquida é necessário fornecer‐lhe a energia de 4186 J. Potência dissipada por efeito de Joule na resistência de aquecimento:
Energia dissipada por efeito de Joule na resistência de aquecimento:
∆
∆
1
ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.3
Energia recebida por um corpo sob a forma de calor: ∆
Expressão para o cálculo da capacidade térmica mássica: Considerando que toda a energia dissipada por efeito de Joule na resistência de aquecimento é transferida para o bloco calorimétrico: ∆ ∆
∆ ∆
Para minimizar o erro subjacente a esta aproximação:
realizar ensaio num curto intervalo de tempo e durante o ensaio colocar o bloco calorímetrico sobre um isolante térmico, por forma a reduzir a energia transferida por calor do sistema para a sua vizinhança.
“molhar” a resistência de aquecimento em glicerina (melhor condutor térmico do que o ar), para facilitar o contacto térmico entre a resistência e o bloco calorimétrico.
Exatidão: A exatidão indica a proximidade entre o valor medido e o valor verdadeiro. Quando existe um valor tabelado podemos avaliar se o valor medido é muito ou pouco exato determinando o seu erro percentual: erro percentual %
|valor tabelado valor medido| valor tabelado
100
Quanto menor for o erro percentual maior exatidão existirá na medida efetuada.
2
ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.3
Lista de material e reagentes Descrição Fonte de alimentação 0‐12V Resistência de aquecimento Voltímetro Amperímetro Bloco calorimétrico alumínio Bloco calorimétrico cobre Bloco calorimétrico latão Fios de ligação Termómetro Placa de cortiça Glicerina Cronómetro
Quantidade 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1
Procedimento 1. Pesar o bloco calorimétrico e registar o valor da sua massa. 2. Observar a seguinte figura e montar o circuito eléctrico (amperímetro em série no circuito e voltímetro em paralelo com os extremos da resistência), com o bloco calorimétrico de alumínio.
Fig. 1 Imagem do circuito eléctrico.
3. Molhar o termómetro e a resistência de aquecimento em glicerina e colocar cada um deles nos respectivos orifícios do bloco calorimétrico. 4. Medir a temperatura inicial do bloco calorimétrico e registar o seu valor. 5. Ligar o interruptor da fonte de alimentação e o cronómetro. 6. Após dois minutos desligar a fonte de alimentação (o ensaio deve ser realizado num curto intervalo de tempo porque um aquecimento prolongado leva a um aumento da taxa de transferência de energia para a vizinhança do sistema). 7. Seguir no termómetro o aumento de temperatura que ainda ocorre do bloco calorimétrico após se ter desligado a fonte de alimentação, com muita
3
ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 1.3 atenção, e até esta atingir o seu valor máximo (aguardar que se atinja o equilíbrio térmico por condução). 8. Medir e registar o valor máximo da temperatura do bloco calorimétrico (temperatura final). 9. Aguardar que a resistência de aquecimento arrefeça, sendo que tal deve ocorrer com a resistência de aquecimento dentro do orifício de um bloco calorimétrico, para que esta não se danifique. 10. Repetir o procedimento com os blocos de cobre e de latão.
Resultados
Tabela 1 Registos e resultados relativos à determinação experimental das capacidades térmicas mássicas do alumínio do latão e do cobre. Alumínio Latão Cobre
m (kg) 1,001 1,003 0,988
U (V) 10,45 10,55 10,46
I (A) 4,45 4,50 4,44
Ti (°C) 19,90 20,60 21,40
Tf (°C) 25,60 34,90 34,99
∆T
(° C)
5,70 14,30 13,59
∆t
(s)
120 120 120
c (J/(kg °C)) 978 397 415
Tabela 2 Exactidão das medidas das capacidade térmicas mássicas do alumínio, do latão e do cobre.
Alumínio Latão Cobre
Valor tabelado da capacidade térmica mássica (J/(kg °C)) 897 380 387
Valor medido da capacidade térmica mássica (J/(kg °C)) 978 397 415
Erro percentual (%) 9,0 4,4 7,2
4
