Experiência 1 - Profa. Mariza Grassi

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA
FIS313
1º SEMESTRE 2011
EXPERIÊNCIA 1: PROPAGAÇÃO DE CALOR. DILATAÇÃO DE SÓLIDOS
1. OBJETIVOS
Após concluir este trabalho, o estudante será capaz de:
Analisar os mecanismos de propagação de calor em um material
Determinar o coeficiente de expansão térmica linear de 3 diferentes materiais
Demonstrar a dilatação superficial e volumétrica de um objeto com a temperatura
2. MATERIAL UTILIZADO
Dilatômetro linear com corpos de prova de latão, alumínio e aço
2 Termômetros de -10oC a 110oC;
Trena;
Montagem de condução térmica;
Montagem para demonstração de convecção térmica
Montagem de irradiação térmica com corpos de prova preto e branco;
Anel de Gravesande para demonstração de efeitos de dilatação superficial e volumétrica
3. INFORMAÇÕES TEÓRICAS
3.1 Propagação de Calor.
A propagação de calor pode ocorrer de três modos:
Condução: propagação de calor em que a energia térmica é transmitida de
partícula para partícula, mediante colisões e alterações das agitações moleculares;
ressalta-se que não há transporte das partículas; há somente transmissão de
energia.
Convecção: processo de transmissão em que a energia térmica é propagada
mediante o transporte de matéria, havendo portanto, deslocamento de partículas;
É um fenômeno que só se processa em meios fluidos, ou seja, em líquidos ou gases;
Irradiação: Diferentemente dos dois processos acima, a IRRADIAÇÃO TÉRMICA não
necessita de meio material para transmitir a energia térmica que é transmitida
através de ondas eletromagnéticas, inclusive no vácuo, até atingir outros corpos.
3.2 Dilatação de Sólidos – Coeficientes de Dilatação
Ao aquecer um corpo, aumentando sua energia térmica, o grau de agitação das moléculas
que o compõem também aumenta. As moléculas passam a ocupar um volume médio maior
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e se afastam uma das outras, aumentando o volume do corpo. Este fenômeno é conhecido
como dilatação térmica.
A dilatação térmica ocorre em corpos sólidos, nos líquidos e gases. Nos corpos sólidos a
dilatação ocorre em todas as direções, mas, esta dilatação pode ser predominante em
apenas uma direção ou em duas. Sendo assim a dilatação térmica dos sólidos pode ser
classificada em:
linear: quando a dilatação é predominante em uma direção;
Superficial: quando a dilatação é predominante em duas direções.
Volumétrica: quando a dilatação ocorre nas três direções
A dilatação de um corpo é proporcional ao seu tamanho e à variação de temperatura. No
entanto, é diferente para cada material. Estas observações permitem estabelecer a seguinte
relação para a dilatação linear:
onde L é a variação de comprimento do corpo
Lo é o comprimento inicial do corpo
é o coeficiente de dilatação linear (depende do material) e
é variação da temperatura ( f - i )
O coeficiente de dilatação linear ( ) é um valor tabelado, dependente do material. Ele permite
comparar qual substância dilata ou contrai mais do que outra. È importante ressaltar que, uma vez
conhecido o valor do coeficiente de dilatação linear ( ) de uma determinada substância, pode-se
determinar o valor do coeficiente de dilatação superficial ( β) e o coeficiente de dilatação
volumétrica ( γ ) da mesma. Eles se relacionam da seguinte maneira:
β=2
e γ = 3.
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Caracterize os instrumentos de medição, completando assim a TABELA 1
4.1. Propagação de Calor: Condução Térmica
a) Monte o arranjo da figura 1:
i. fixe à haste horizontal, com a cera de vela,
os pinos, palitos de fósforo, na parte de
cima do latão. Use o mínimo possível de
parafina
ii. Gire a haste sextavada e deixe os pinos na
posição da figura 1
b) Meça as distâncias dos pinos à extremidade livre
da haste;
c) Acenda a lamparina e posicione-a junto à extremidade livre da haste, para aquecê-la
d) Anote o tempo gasto de queda de cada palito.
Repita este procedimento para as hastes de alumínio e aço, completando a TABELA 2.
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4.2. Propagação de Calor: Convecção
a) Faça a montagem da Figura 2;
b) Verifique, antes de ligar a lamparina, se ela está exatamente
abaixo da ventoinha
c) Acenda a lamparina, aguarde alguns minutos e descreva o que
ocorre.
4.3. Propagação de Calor: Irradiação
a) Faça a montagem de acordo com a Figura 3, com cuidado para não derrubar os
termômetros;
a) Aponte a lâmpada para os corpos de prova, mantendo-a a cerca
de 40 cm deles e não deixando que um faça sombra ao outro;
b) Meça a temperatura interna dos recipientes antes de ligar a
lâmpada. Anote estes valores na TABELA 3, tomando com t = 0;
c) Ligue a lâmpada e anote a temperatura interna de cada corpo a
cada 2 minutos, até 12 minutos, anotando seus dados na
TABELA 3;
d) Desligue a lâmpada, e continue anotando a temperatura interna
de cada corpo a cada 2 minutos, durante os 10 minutos
subseqüentes, na TABELA 3
4.4. Dilatação Térmica: Coeficiente de Dilatação Linear
a) Faça a montagem da figura 4, com um dos 3 tubos disponíveis. Verifique se as conexões
estão corretas e desentupidas.
b) Coloque 50 cm3 de água no balão
c) Posicione o relógio comparador e zere a escala.
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d)
e)
f)
g)
Determine o comprimento inicial Lo do tubo, entre o relógio e a extremidade fixa;
Meça a temperatura inicial do tubo 0;
Acenda a lamparina e, sem tampar o recipiente, espere que a água entre em ebulição.
Tampe o recipiente e aguarde o vapor percorrer o tubo. Após o equilíbrio térmico ser
atingido, anote a temperatura de equilíbrio e;
h) Meça a dilatação do corpo de prova, indicado no relógio comparador. Anote suas
observações na TABELA 4.
Repita o procedimento acima para os dois outros tubos disponíveis.
4.5. Dilatação Térmica: Dilatação Superficial e Volumétrica
a) À temperatura ambiente, encaixa a esfera no anel. Observe o que ocorre.
b) Aqueça a esfera em água fervente por 5 minutos e tente encaixá-la no anel. Observe o que
ocorre
c) Aqueça o anel e a esfera metálica durante 5 minutos e observe o que ocorre.
d) Resfrie a esfera até a temperatura ambiente e o anel por 5 minutos em um recipiente com
gelo. Tente encaixar o conjunto e observe o que ocorre.
5. INTERPRETAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
5.1. Questões referentes ao item 4.1
a) Como se explica o fato que a introdução de energia na extremidade da barra faz com que
os pinos se desprendam?
b) Qual é a função da cera e dos pinos?
c) Qual é o processo de propagação de calor envolvido? Porque?
d) Com os dados da TABELA 2, construa um gráfico com as 3 curvas de propagação de calor
nas barras.
e) Para um mesmo material, como o tempo de queda varia com a distância ao ponto de
aquecimento?
f) Compare as curvas de propagação dos diferentes materiais. Quais as semelhanças e
diferenças encontradas?
g) Qual material é o melhor condutor de calor?
h) Determine, para cada material, com a respectiva incerteza, a condutividade térmica de
cada material. Compare com valores tabelados e comente seus resultados.
5.2. Questões referentes ao item 4.2
a) O que ocorre com as moléculas de ar frio que se encontram próximas à lâmpada ligada?
b) Como você explica o movimento de subida das moléculas de ar após serem aquecidas. Use
o princípio de Arquimedes.
c) Como e porque a ventoinha se movimentou?
d) Justifique a formação de uma corrente de ar quente nesta experiência
e) Qual é o processo de propagação envolvido? Porque?
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5.3. Questões referentes ao item 4.3
a) A partir dos dados constantes da TABELA 3, construa um gráfico contendo as duas curvas
de aquecimento e resfriamento dos corpos de prova.
b) Qual corpo atingiu a maior temperatura?
c) Qual corpo se resfria mais rapidamente?
d) Estabeleça, a partir de seu gráfico a relação funcional entre temperatura e tempo para os
corpos de prova. Quais as semelhanças e diferenças observadas. O que você conclui?
e) Qual é o processo de propagação envolvido? Porque?
5.4. Questões referentes aos itens 4.4 e 4.5
a) Determine, para cada material o coeficiente de dilatação linear de cada material, com a
respectiva incerteza.
b) Compare os valores obtidos com os tabelados. Considerando o valor da tabela como exato,
qual é o erro relativo de sua medida?
c) Você considera que seus resultados são de boa qualidade? Justifique
d) A partir de suas observações em sala, como é o comportamento térmico de sólidos bi e
tridimensionais.
e) Como se comporta um material solido com cavidades, quando é aquecido? Como você
explica este fato?