Experimento sobre a lei do resfriamento de Newton

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UNIDADE
BASES CIENTÍFICAS DA METROLOGIA
___________________________________SUBUNIDADE 3- METROLOGIA APLICADA
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EXPERIMENTOS
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Prezado (a) aluno (a),
Seja bem-vindo (a) às aulas sobre experimentos da Unidade 2, Bases Científicas da
Metrologia, e Subunidade 3, Metrologia Aplicada, do Curso de Formação de Agentes Fiscais em
Metrologia Legal.
Nessa parte de nosso curso, vamos colocar em prática conhecimentos adquiridos. Isso será
feito a partir da realização de experimentos simples. Foram selecionados quatro experimentos, que
correspondem a quatro aulas:
1.
Medidas de comprimentos, com utilização de paquímetros e micrômetros;
2.
Medidas de temperaturas, onde podemos definir a função que regula o tempo de
resfriamento de um sistema físico;
3.
Medida de uma grandeza física: a aceleração da gravidade; e
4.
Medidas elétricas
Faremos medidas diretas e indiretas. Para cada experimento, é fornecido um roteiro básico e
um vídeo, que exemplifica os procedimentos experimentais adotados. O uso de cada instrumento de
medição é discutido.
Seu grupo, escolhido pelo interlocutor, deve elaborar um relatório. Para isso, fornecemos
também um Guia para elaboração de relatórios.
Sugerimos que você leia inicialmente o guia de elaboração de relatórios. Após escolhida o
experimento que será trabalhado, faça uma leitura cuidadosa do roteiro e certifique-se de que tem a
mão todos os componentes necessários. Realize a experiência e anote todos os dados obtidos,
utilizando planilhas específicas. Ao final faça o relatório.
Bons Estudos!
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EXPERIMENTO 3:
LEI DE RESFRIAMENTO DE NEWTON
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OBJETIVOS:
•
Discutir o fenômeno de resfriamento;
•
Analisar o tempo que um sistema finito (capacidade térmica finita) leva para atingir o
equilíbrio térmico quando em contato com um reservatório térmico (no nosso caso o ar
ambiente, capacidade térmica infinita) e a influência de alguns fatores nesse tempo;
•
Observar e medir, em relação ao tempo, o resfriamento da glicerina durante o experimento
de troca de calor (ar ambiente + glicerina quente);
•
Construir o gráfico de T (em graus Celsius) versus t (em segundos);
INTRODUÇÃO:
Um objeto que está a uma temperatura diferente da temperatura de sua vizinhança termina
alcançando uma temperatura em comum a ela. Um objeto relativamente quente esfria enquanto
esquenta sua vizinhança.
A taxa de resfriamento de um objeto depende de quanto mais quente ele está em relação a
sua vizinhança. A variação de temperatura por minuto de uma torta de maçã quente será maior se a
torta for colocada no interior de um congelador, em vez de na mesa da cozinha. Quando a torta
resfria dentro do congelador, a diferença entre sua temperatura e a da vizinhança é maior do que no
outro caso. Uma casa aquecida perderá calor para o exterior frio a uma taxa maior quando existir
uma grande diferença entre as temperaturas do interior da casa e do exterior. Manter o interior de
sua casa a uma temperatura alta em um dia frio custa mais caro do que mantê-la a uma temperatura
mais baixa. Se você mantém pequena a diferença de temperaturas, a taxa de resfriamento será
correspondentemente baixa.
A taxa de resfriamento por unidade de tempo de um objeto – seja por condução, convecção
ou radiação – é aproximadamente proporcional à diferença de temperatura ΔT entre o objeto e sua
vizinhança. Isso é conhecido como a Lei de Newton do resfriamento. (Adivinhe a quem é creditada
a descoberta desta lei?)
MATERIAL UTILIZADO:
1 tripé universal;
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1 barra de metal;
1 pinça para termômetro;
1 termômetro de mercúrio com faixa de medição superior a 110 ºC;
Líquido (glicerina );
Becker de vidro pequeno graduado;
Aquecedor elétrico;
Cronômetro.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:
1)Fixar a barra de metal ao tripé universal;
2)Fixar o termômetro na pinça para termômetro;
3)Fixar o conjunto acima na barra de metal do tripé;
4)Encher o Becker com glicerina . (OBS.: esse procedimento deve ser realizado com
destreza para que não haja bolhas de ar no interior do Becker).
5)Colocar o Becker com glicerina juntamente com o fogareiro desligado próximo ao tripé.
6)Mergulhar o termômetro no Becker com a glicerina.
OBS.: ATENÇÃO para o posicionamento do termômetro, para que não fique muito próximo
ao fundo (próximo da fonte de calor), nem muito raso (distante da fonte de calor.), evitando que se
obtenham medidas de temperatura diferentes.
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7) Anote a temperatura ambiente Ta e a temperatura inicial da glicerina.
OBS.: A temperatura ambiente não deve mudar durante o experimento!
8) Liga-se o aquecedor.
9) Aguarde a temperatura da glicerina atingir 110 ºC, desligue o aquecedor e o retire.
Observe o termômetro no interior da glicerina.
OBS.: Cuidado durante este procedimento para não passar muito dos 110 ºC, pois a
temperatura sobe muito rapidamente e você pode acabar danificando o termômetro!
Faça essa parte com muito cuidado, para evitar qualquer risco de ferimento ou de dano
ao material.
Assim que as correntes de convecção começam a diminuir, inicia-se o monitoramento do
esfriamento, com cronometragem manual do tempo. Anotamos a temperatura T a cada variação ΔT
de 10 ºC juntamente com o tempo indicado no cronômetro. Mantenha o monitoramento até atingir a
temperatura ambiente Ta .
Preencha a tabela com os respectivos dados da sua monitoração:
t (s)
T (ºC)
110
100
90
80
70
60
50
40
30
Elabore, utilizando uma planilha, o gráfico de T (em graus Celsius) versus t (em segundos).
Realize uma análise gráfica qualitativa. Como se caracteriza o resfriamento da glicerina com o
tempo?
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Nessa experiência não faremos a análise da incerteza da medição, pois o objetivo maior é
que você pratique a construção de uma função que descreve um fenômeno físico.
Para criar o gráfico, preencha as colunas na planilha. Selecione as duas colunas e aperte o
botão para abrir o Assistente de criação de gráficos.
Escolha o tipo “Linha” e escolha a opção “Pontos e linhas”. Em elementos do gráfico voc~e
pode criar títulos e legendas para seu gráfico.
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BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA:
BEERS, Y. 1958. Introduction to the theory of error. 2ª Ed. Editorial E.T.H.A., Buenos
Aires, 81 p.
FURTADO, F. 1967. Física: sistemas de unidades; teoria dos erros. 1ª Ed. Ao Livro Técnico,
Rio de Janeiro.
GOLDEMBERG, J. 1977. Física geral e experimental. 3ª Ed. Nacional, São Paulo, Vol. 1.
WILTON P. da SILVA, JURGEN, W. P., CLEIDE M. D.P.S. e SILVA, DIOGO D.P.S. e
SILVA, CLEITON D.P.S. e SILVA; RBEF, Vol. 25 nº 4 (2003).
CRISTIANO M. ALBERTO GASPAR; Vol. 25, nº1 (2003).
HEWITT, PAUL G. Física Conceitual, 9ª edição. Editora Bookman.
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