UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO Diretoria de Exatas Engenharia: ( X) Produção Mecânica Laboratório de Física Geral e Experimental: 3 Data de realização do Experimento: 19/08/2010
RA
Nome Completo
Assinatura
Roteiro: 1 - Experimento: Calibração de um termômetro Turma: 3-A
Unidade: ( x) VM
( ) MM
( ) VG
1
Requisito Capa Padrão: preenchimento completo e legível.
2
Itens: organização e encadeamento lógico do trabalho.
3
Resumo: correspondência do resumo com o conteúdo do trabalho.
4 5 6 7 8 9
( ) SA
Introdução Teórica ao Tema: leis físicas do experimento abordadas e
relacionadas com o experimento e clareza dos objetivos. objet ivos. Procedimento experimental: descrição do procedimento utilizado incluindo relação do material utilizado, esquemas e figuras f iguras quando necessário. Dados das medições: apresentação de todas as grandezas medidas e adotadas no experimento, com as respectivas unidades. Análise dos dados e resultados: fórmulas e cálculos corretos, resultados apresentados com o uso adequado dos algarismos significativos e unidades de medidas. Conclusões: discussão da validade ou não dos resultados encontrados, considerando-se, por exemplo, a precisão dos equipamentos e valores de referências teóricas. Bibliografia: é apresentada bibliografia pertinente. Avaliação do Relatório:
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Índice 1. Resumo ................................................................................................................................3 2. Introdução ...........................................................................................................................4 3. Objetivos .............................................................................................................................5 4. Material utilizado ...............................................................................................................6 5. Procedimento Experimental ..............................................................................................7 6. Resultados do experimento ................................................................................................8 7. Conclusão ............................................................................................................................11 8. Cálculos ...............................................................................................................................12 9. Referências Bibliográficas .................................................................................................13 10. Apêndice ............................................................................................................................14
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1.
Resumo
Em laboratório da aula de Física experimental 3, deve-secalibrar um termômetro de mercúrio sem escala, comparando e demarcando a temperatura inicial quando estiverem em equilíbrio (Lei Zero da Termodinâmica) e em seguida a temperatura final (quando a água estiver em ebulição), juntamente com outro termômetro com escala (em °C). Uma vez identificados estes dois pontos e sem a utilização do termômetro com escala em °C iremos identificar, pela teoria da comparação , a temperatura do álcool em banho-maria na água em ebulição.
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2.
Introdução:
Medidas de temperatura são fundamentais em pesquisa e desenvolvimento em ciências e tecnologia, pois grande parte das propriedades físicas e químicas apresenta alguma dependência com a temperatura. Também, medidas de temperatura são fundamentais em controle de processos em que a temperatura é uma variável importante. Vários aparatos de medida de temperatura vêm sendo desenvolvidos, utilizando dispositivos, sensores elétricos e não elétricos, em busca de leituras mais exatas para a finalidade a que se destinam. Neste trabalho, apresentamos a calibração e funcionamento de um termômetro de mercúrio. A busca pela exatidão e precisão das medidas com o mínimo de erros experimentais possíveis são constantes, a fim de obter melhores resultados qualitativos e quantitativos. Nesse aspecto, a calibração do termômetro se torna uma etapa imprescindível na medição da quantidade real de volume que está contido ou é transferido por um instrumento. Esse processo é feito medindo-se a massa de água contida no aparelho e depois utilizando a fórmula da densidade (d = m/v) calculando o volume real de água contido no recipiente. Porém devem-se ter alguns cuidados com esta relação e medidas, tendo em consideração a qualidade da água, a forma como o volume desta foi “medido”, o manuseio dos termômetros durante as comparações, o cuidado com os equipamentos em altas temperaturas, não contaminar o álcool com a água em ebulição entre outros.
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3.
Objetivos
Este têm por objetivo de calibrar um termômetro de mercúrio (ou de álcool); medir a temperatura de ebulição do álcool etílico; identificar erros sistemáticos e grosseiros na calibração de um termômetro e elaborar uma equação de conversão.
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4.
Materiais utilizados:
a. Balança digital de precisão; b. Termômetro de mercúrio (ou de álcool) graduado; c. Termômetro sem graduação; d. Becker; e. Proveta; f. Misturador; g. Aquecedor; h. Caneta de ponta porosa; i. Água de torneira; j. Álcool etílico.
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5
Procedimento Experimental
5.1. Conhecer as características do elemento que será utilizado como referência, neste caso a água. Medir a massa de um becker (limpo e vazio) de capacidade volumétrica máxima 600mL com a balança de precisão. Colocar 200mL de água de torneira no becker e medir a massa dessa água. Calcular a densidade volumétrica da água ρ=m/v (kg/m³) e comparar com o valor teórico ρH2O= (1000 ± 1) kg/m³, calculando o erro relativo percentual.
5.2. Colocar o bulbo do termômetro graduado de referência e o bulbo do termômetro a ser calibrado dentro do becker com água. Aguardar que o sistema entre em equilíbrio térmico (Lei Zero da Termodinâmica) e medir a temperatura (ta) da água com o termômetro graduado. Marcar no termômetro sem graduação a altura da coluna de líquido com a caneta de ponta porosa. 5.3. Aquecer o becker com a água até que entre em ebulição. Medir a temperatura de ebulição (te) da água com o termômetro graduado e marcar no termômetro sem graduação a altura da coluna de líquido com a caneta de ponta porosa. 5.4. Comparar a temperatura de ebulição (t e ) da água (medida experimentalmente) com a temperatura de ebulição (Te) da água (calculada pela equação). 5.4. Definir uma escala termométrica para o termômetro sem graduação com base nas alturas de coluna de mercúrio (ou de álcool) para as temperaturas ambiente (ta) e de ebulição (te) da água. 5.5. Medir 60mL de álcool etílico em um becker de capacidade volumétrica máxima 200mL. Utilizar água como fonte de calor (banho-maria). Colocar o becker com álcool etílico dentro do becker com água e aquecê-lo até que o álcool entre em ebulição. Marcar no termômetro sem graduação a altura da coluna de líquido na temperatura de ebulição do álcool etílico. 5.6. Determinar a temperatura de ebulição do álcool medida por intermédio do termômetro que foi calibrado.
FIG1.Escala termométrica no termômetro calibrado
5.8. Comparar a temperatura de ebulição do álcool etílico (medida experimentalmente) com o valor teórico (verificar na literatura), calculando o erro relativo percentual. ��������� �� ������ � ���������� �� �� ����������
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6.
Resultados do Experimento
6.1
Abaixo segue os valores iniciais do experimento. •
A massa do becker (limpo e vazio) de capacidade volumétrica máxima de 600mL = (129,09 g ± 0,01 g)
•
Volume da água no becker = 200 ml ± 0,125 ml
•
Massa do becker + massa da água = 329,06 g ± 0,01g
•
A massa de 200mL de água no becker = 200 g
A densidade volumétrica da água é: ρ= onde: “m”= massa em g e “v”= volume em cm³ � � = �
O erro relativo percentual deste experimento é: � � � + σρ = ρ*( = (� + ) = 0,0025%, desta forma, o valor da densidade é
ρH2O = (0,000998 ± 2,5*10-6)
6.2 O equilíbrio térmico do bulbo do termômetro graduado de referência e o bulbo do termômetro a ser calibrado sem graduação dentro do becker com 200 mL de água ( t a) em temperatura ambiente foi de: •
•
Bulbo do termômetro graduado de referência: t a = C 21° Bulbo do termômetro a ser calibrado sem graduação = 95mm (marcado com a caneta de ponta grossa)
6.3 Ao aquecer o becker com água, até esta entrar em ebulição (t e) , no termômetro graduado e no sem escala, as medidas encontradas foram: •
•
Termômetro graduado de referência com água em ebulição t e = 96°C Termômetro sem escala a ser calibrado = 203mm (marcado com a caneta de ponta grossa)
6.4 A escala termométrica para o termômetro sem graduação, baseado nas alturas de coluna de mercúrio, nas temperaturas ambiente (t a ) e em ebulição (te) foram:
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°C
mm
t e = 96
203
t a = 21
95
0
0
Termômetro graduado referencial
Termômetro sem escala a ser calibrado
6.5 Em outro becker de 200mL, foi colocado 60mL de álcool etílico e aquecido dentro do becker com água (banho-maria) até que o álcool etílico entrasse em ebulição. Com o termômetro sem graduação dentro do álcool em ebulição, marcou-se a altura da coluna do líquido: mm 203 =176
x
xe-a= 109
95 0 Termômetro sem escala a ser calibrado
6.6 Por intermédio do termômetro que foi calibrado, determinamos a temperatura em °C do álcool etílico em ebulição: =
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= => t=77,25°C
°C
mm
t e = 96
203
t = 77,25
x
t a = 21
0
Termômetro graduado referencial
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= 176
95
0
Termômetro sem escala a ser calibrado
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Conclusão
7.
Os dados do experimento nos levaram a resultados bem próximos do real, o que mostra que conseguimos calibrar o termômetro sem graduação por intermédio do termômetro graduado em ºC. Também conseguimos calcular o valor da temperatura em ebulição do álcool, através da equação de conversão. Alguns erros sistemáticos e e outros grosseiros na calibração ocorreram devido a fatores que podem ter comprometido a exatidão do resultado da experiência como: Altitude acima do nível do mar: Alguns compostos minerais existentes na água devido ter sido retirada da torneira do laboratório: A percepção visual do nível, no momento de encher os becker’s com água e álcool. A habilidade psicomotora de cada integrante do grupo para identificar e marcar a posição da altura da coluna do líquido no termômetro sem escala. • O nível da balança digital não estar perfeitamente nivelado ao centro do nível de precisão de bolha. • •
•
•
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8.
Cálculos: Cálculos utilizados •
•
Densidade volumétrica. ρ= Equação de determinação da temperatura de ebulição do álcool em °C =
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������ 12
9.
Referências e Dados bibliográficos:
TIPLER, Paul A. 1933 Física para Cientistas e Engenheiros, v1: Mecânica. Oscilações e Ondas. Termodinâmica / Paul A. Tipler. Gene Mosca; tradução Fernando Ribeiro da Silva, Mauro Speranza Neto – Rio de Janeiro: LTC, 2006, cap. 17, p. 497-499, Escalas de Temperaturas Celsius e Fahrenheit .
http://cref.if.ufrgs.br/~leila/termo.htm acessado em 20/08/2010 ás 22:35. http://blig.ig.com.br/grupodefisicacarangel/2009/06/04/historia-da-construcao-dostermometros-2/ acessado em 20/08/2010 ás 23:05. http://pt.wikipedia.org/wiki/Term%C3%B4metro acessado em 22/08/2010 ás 13:30. http://www.inmetro.gov.br/laboratorios/servicos/calibDiter.asp acessado em 22/08/2010 ás 13:50.
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10.
Apêndice
Erro relativo percentual. E% = X teórico – X experimental *100 X teórico
E%=
∗ ���
E%= 2%
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