A Física Na Engenharia

Equivalência caloria / joule.

Data: 04/01/2019

Gabriela Pinheiro Heringer                                Matrícula: 201710043911

Guilherme Pereira Emmerick                                Matrícula: 201710044411

Lucas Sá de Lima                                        Matrícula: 201710045511

Resumo

O experimento propõe-se verificar a equivalência entre a unidade caloria e a unidade joule, utilizando os princípios da calorimetria onde  em uma troca de energia, sendo Q a quantidade de calor, a partir da equação Q = m c , onde m é a massa, c o calor específico do material em questão,  a variação na temperatura e C = m c, onde C é a capacidade térmica. Também foram utilizadas os princípios de eletricidade, onde P = , sendo P a potência, V a voltagem e R a resistência e a relação Q = P , onde a quantidade de energia gerada (Q) é a Potência (Joule por segundo) vezes o tempo. [pic 3][pic 4][pic 5][pic 6][pic 7]

        Para tal tarefa, foi montado um sistema com um calorímetro, contendo uma resistência dentro dele conectada a um aparelho regulador de energia e um voltímetro. Primeiramente, a capacidade térmica do calorímetro foi obtida, adicionando água fria ao calorímetro e depois água quente, aguardando os equilíbrios térmicos a cada passo e coletando dados referentes as massas de água fria e quente, bem como a temperatura.

         Com o calorímetro com uma quantidade de água conhecida, o sistema montado foi ligado à eletricidade, assim, a resistência esquentaria a água. Foram coletados dados referentes a variação de temperatura da água em períodos de tempos iguais de dois minutos e, utilizando as relações acima encontrada a constante de proporcionalidade k entre caloria e joule.

 Introdução e Desenvolvimento Teórico

A calorimetria é a parte da física que relaciona os fenômenos de troca de energia entre corpos, em função de suas diferentes temperaturas e materiais. Essa energia transferida é chamada de calor e é simbolizada por (Q). Os corpos possuem propriedades específicas que dizem respeito à forma com que transferem essa energia: temos primeiramente a Capacidade Térmica (C), que é uma constante que relaciona o material de que é feito e sua massa, e também pode ser definida como a quantidade de energia necessária para que o corpo varie sua temperatura em uma unidade, ou seja, Q = C , onde Q é a quantidade de calor ganha ou perdida pelo corpo, C a capacidade térmica e a variação de temperatura. Neste relatório, usaremos a unidade de C cal/ºC. [pic 8][pic 9]

Podemos expressar C como C = m c, onde m é a massa do corpo e c seu Calor Específico. Esta constante (c) varia para cada material e se refere ao comportamento de uma massa unitária do corpo ao receber ou doar calor, neste relatório usaremos a unidade cal/g ºC.

Dessa maneira, podemos escrever Q = m c . [1][pic 10]

Quando em contato, os corpos trocam de calor entre si, em um fluxo que vai do mais quente para o mais frio, até atingirem a mesma temperatura, em um estado de equilíbrio térmico.

Como a troca de calor entre dois corpos isolados 1 e 2 é proporcional entre si, obtemos a expressão . [pic 11]

Agora vamos relacionar a quantidade Q à potência elétrica.

        Pela Lei de Ohm, aplicada a circuitos elétricos com resistência, temos que a diferença de potencial (voltagem) V entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente elétrica que o percorre e à resistência do condutor, assim temos V = RI e I = , onde R é a resistência e I a corrente. Esta corrente ao passar pela resistência provoca seu aquecimento (efeito Joule), assim a energia da fonte se transforma em energia térmica. Nos aparelhos elétricos, a potência quer dizer a quantidade dessa energia térmica gasta por unidade de tempo e P = VI, tendo como unidade joules por segundo, que é a unidade Watt. Substituindo a expressão acima com a da corrente, temos que P = .[pic 12][pic 13]

        Como P é a energia térmica por tempo, Q = P  e assim, Q =  .[pic 14][pic 15][pic 16]

        Juntando todas essas informações com a calorimetria, Q =   = k m c , onde k é a constante de proporcionalidade, pois   é dado em joule e (m c em caloria.[pic 17][pic 18][pic 19][pic 20][pic 21][pic 22]

        Por fim, temos que k = .[pic 23]

Metodologia

Materiais Utilizados

• Calorímetro Transparente Cidepe.
• Termômetro Minipa MT-450.
• Béquer graduado em milímetros.
• Resistência já acoplada ao calorímetro.
• Regulador de voltagem Minipa MPS-3003.
• Voltímetro Minipa ET-2042.
• Fios.

Roteiro Experimental

1. Montar o sistema de acordo com a figura 1 na seção O Experimento.
2. Medir uma certa quantidade de água fria e despejar no calorímetro.
3. Esperar o equilíbrio térmico entre eles e medir a temperatura dentro do calorímetro.
4. Medir uma certa quantidade de água quente e sua temperatura.
5. Despejar a água quente dentro do calorímetro.
6. Esperar o equilíbrio entre a água quente, fria e calorímetro e medir a temperatura.
7. Repetir os passos 2 a 6 mais uma vez, variando a massa de água.
8. Ligar o sistema.
9. Obter a voltagem
10. Anotar as diferentes temperaturas da água dentro do calorímetro em intervalos de tempo iguais de dois minutos.

O Experimento 1

        [pic 24]