A.L. 0.1 – RENDIMENTO NO AQUECIMENTO

A.L. 0.1 – RENDIMENTO NO
AQUECIMENTO
FÍSICA 10.ºANO
QUESTÃO-PROBLEMA
Como poderemos aumentar o rendimento no aquecimento, quando cozinhamos?
Esta actividade laboratorial está integrada no módulo inicial de Física no 10.º
ano, “Das fontes de energia ao utilizador”. Pretende-se com esta actividade a
revisão dos conceitos de calor, temperatura, energia interna, potência, energia
fornecida por um circuito eléctrico e rendimento num processo de aquecimento.
PREPARAÇÃO PRÉVIA
De forma a preparar convenientemente a actividade experimental, os alunos
devem rever teoricamente os conceitos de:
•
Calor, temperatura e energia interna;
•
Circuito eléctrico simples;
•
Potência fornecida (! = !");
•
Energia fornecida (!!"#$ = !∆!)
•
Rendimento (! =
!ú!"#
!!"#$
×100).
1
TRABALHO LABORATORIAL
MATERIAL (POR TURNO)
Material e equipamento
Quantidades
Fonte de alimentação de
tensão variável
4
Resistência de aquecimento
4
Voltímetro
4
Amperímetro
4
Interruptor
4
Fios de ligação e crocodilos
Cronómetro
4
Termómetro ou sensor de temperatura
4
Balança
1
Gobelé
4
Água
Agitador
4
2
PROCEDIMENTOS 1
1. De forma a simular um processo de aquecimento e calcular o seu
rendimento, usar uma resistência de aquecimento mergulhada em água e
faça uma montagem de um circuito semelhante ao da figura.
2. Antes da montagem do circuito, efectuar a medição da massa de água
que vai ser aquecida e da sua temperatura. Indicar correctamente as
medidas (valor mais provável e incerteza absoluta de leitura).
3. Analisar as escalas de todos os aparelhos de medida que vão ser
utilizados de modo a fazer correctamente as leituras e anotar as
respectivas incertezas absolutas de leitura.
4. Montar o circuito e, antes de ligar o interruptor, escolher um valor
razoável para a temperatura máxima da água a atingir com o
aquecimento. Não deixar a água entrar em ebulição.
5. Ligar o circuito, deixar a água aquecer e uniformizar a temperatura com o
agitador.
6. Registar os dados adequadamente.
1
Adaptado de Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 10 F A - Física e Química
A - Física - Bloco 1 - 10.º/11.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda
3
.
REGISTO E TRATAMENTO DE DADOS
CÁLCULO DA POTENCIA
! = 0,69 ± 0,01A
! = 8,17 ± 0,01V
! = !"
! = 0,69×8,17 = 5,64W
CÁLCULO DA ENERGIA FORNECIDA
∆! = 11! 4!! = 664s
!!"#$ = !∆!
!!"#$ = 5,64×664 = 3744,96J
CÁLCULO DA ENERGIA ÚTIL
! = 70,0 ± 0,1g
!ú!"# = ! = !"∆!
! = 4,18×10! J/(kg°C)
!ú!"# = 70×10!! ×4,18×10! × 30,00 − 17,70
!! = 17,70 ± 0,05°C
!ú!"# = 3598,98J
!! = 30,00 ± 0,05°C
CÁLCULO DO RENDIMENTO
!=
!ú!"#
×100
!!"#$
!=
3598,98
×100 = 96,1%
3744,96
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Realizado o trabalho laboratorial os alunos devem analisar os resultados
obtidos. Seguidamente apresentam-se algumas propostas de pontos a reflectir.
•
Interpretação do valor obtido para o rendimento;
Obteve-se um valor bastante aceitável. Devido às dissipações de energia é
normal que o valor de rendimento não seja 100% no entanto, é um valor
bastante próximo.
4
•
Resposta fundamentada, com base no confronto dos resultados obtidos
pelos diversos grupos, às seguintes questões:
o
Uma panela e um copo, ambos cheios de água a ferver,
encontram-se à mesma temperatura? E possuem a mesma energia
interna?
Ambos estão a 100ºC (considerando a pressão 1 atm), pois ambos estão em
ebulição. Relativamente à energia interna, esta depende da temperatura (100º C
em ambas), da substância (mesma amostra) e da quantidade de substância.
Como na panela existe maior quantidade de substância, esta massa de água
terá maior energia interna do que a água do copo.
o
Será necessária a mesma energia para aquecer uma panela de
água e um copo de água?
Para produzir o mesmo aumento de temperatura, é necessário fornecer mais
energia à maior massa de água, logo será necessária mais energia para aquecer
a panela pois tem maior massa de água.
•
Resposta à questão problema colocada na actividade;
Neste caso o aquecimento faz-se do exterior para o interior do recipiente, pelo
que é conveniente que este tenha uma boa condutividade térmica. Além disso
deverá estar tapado para evitar perdas de calor devido à evaporação da água. A
fonte da calor deve ter um diâmetro inferir ao do fundo do recipiente, para que
praticamente toda a energia seja transferida para este, minimizando-se as
transferências para o ar.
CONSIDERAÇÕES
1. Na execução deste trabalho, os alunos deverão ter o cuidado de
submergir completamente a resistência na água, para que o calor não
seja dissipado para o ar. Além disso a resistência não pode ficar ligada
sem
estar
mergulhada
em
água,
rapidamente.
2. A água não pode entrar em ebulição.
5
caso
contrário,
deteriora-se
3. Pode ser usada uma resistência de imersão de 12 V, que facilmente se
encontra em hipermercados. Podem igualmente usar-se resistências de
potência muito mais baixa, associadas aos calorímetros de Joule que têm
a vantagem de não exigir um débito de corrente tão alto.
4. Atenção que os valores de potência inscritos nas resistências são
indicativos e não podem ser usados no cálculo do rendimento,
correndo-se o risco de obter valores superiores a 100 %.
5. Podem usar-se diferentes massas de água e diferentes tempos de
aquecimento. O valor do rendimento melhora para massas pequenas de
água (≈150 g) e tempos de aquecimento reduzidos. Quanto maior for a
diferença de temperatura entre a água e o ambiente, mais rápida se torna
a dissipação de energia.
6. Podem comparar-se recipientes com diferentes isolamentos térmicos.
7. Uma técnica que produz bons resultados é medir a variação da
temperatura ao longo de um certo intervalo de tempo e traçar o gráfico
∆! = ! ∆! . O declive da recta fornece com mais precisão a variação de
temperatura por unidade de tempo, que multiplicada pela massa e pela
capacidade térmica mássica da água fornece imediatamente a potência
útil.
BIBLIOGRAFIA
Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 10 F A Física e Química A - Física - Bloco 1 - 10.º/11.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda.
Martins, I. P. et al., (2001). Programa de Física e Química A, 10º ou 11º anos.
Ministério da Educação.
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