Efeito Jaule

Efeito joule

Nomes dos alunos do grupo

Laboratório de eletricidade básica, professor: XXXXX

14 de maio de 2014

Esse experimento tem a finalidade de analisar e determinar, em função do tempo, o calor específico da água e sua variação de temperatura, através de uma resistência submersa num volume de água.

Introdução

As contribuições do físico inglês James Prescott Joule (1818-1889) à física são muitas. Neste caso, trataremos do estudo do calor gerado pela corrente elétrica que atravessa um condutor, que se iniciou quando ele estava apenas com 18 anos. Em 1840, aos 22 anos, formulou a lei que relaciona a intensidade da corrente (i) que atravessa um condutor com a resistência elétrica (R), com o calor dissipado (Q) e com intervalo de tempo (Δt) correspondente. Obteve uma expressão matemática que veio a se chamar a lei de joule:

Q = Ri² Δt

Antes de Joule, outros cientistas, entre eles o próprio Ohm, haviam estabelecido uma lei que determinava a proporcionalidade direta do calor dissipado com a intensidade da corrente i.

Joule percebeu o equívoco, estabelecendo a relação correta, em que a proporcionalidade se dá com o quadrado da corrente.

A expressão acima pode ser escrita na forma Q/Δt = Ri². Como a quantidade de calor Q é energia e a razão Q/Δt é potência dissipada, ela equivale a P = Ri².

Todos nós já nos deparamos com materiais que utilizam a energia elétrica para funcionar. Muitos deles transformam parte da energia recebida em outras formas de energia. Por exemplo, quando ligamos uma lâmpada incandescente, aquelas de filamento, um brilho muito forte é liberado por elas. Esse brilho nada mais é do que uma parte da energia elétrica sendo transformada em energia luminosa.

É sabido que esses equipamentos elétricos também transformam parte da energia elétrica em energia térmica. Novamente citamos a lâmpada incandescente, mas também podemos citar as churrasqueiras elétricas, os fornos elétricos, etc. São inúmeros os equipamentos que transformam energia elétrica em energia térmica.

Sabemos que correntes elétricas são cargas elétricas em movimento ordenado. Vimos também que a corrente elétrica é constituída por elétrons que se movem ao longo de um fio condutor. Isso acontece porque, nos átomos dos metais, os elétrons mais distantes do núcleo ligam-se fracamente a ele, formando uma nuvem de elétrons denominados elétrons livres.

Dessa forma, quando uma corrente elétrica passa por um condutor elétrico, o condutor se aquece, emitindo calor. Esse fenômeno é denominado efeito joule. Portanto, o efeito joule, conhecido também como efeito térmico, é causado pelo choque dos elétrons livres contra os átomos dos condutores. Quando os átomos recebem essa energia, tendem a vibrar com mais intensidade. Dessa forma, quanto maior for a vibração dos átomos, maior será a temperatura do condutor elétrico.

Funções usadas para calcular o efeito joule

P = Ri²

Onde:

P: potência;

R: resistência;

i: corrente elétrica.

Q = mc Δt

Onde:

m: massa de água;

c: calor sensível da água;

Δt: variação de temperatura.

Sabemos também que com relação à potência nesse caso:

P = Q/t

Onde:

P: potência;

Q: quantidade de calor;

t: tempo.

Podemos então igualar as equações:

Pt = mcΔT

Ri².t = m.c.ΔT

E assim podemos determinar experimentalmente o calor específico da água ou de outros objetos utilizando o mesmo princípio.

Objetivos

O objetivo desse experimento é fazer a análise do efeito joule aplicado a uma situação prática, com intuito de determinar o valor do calor específico da água.

Materiais utilizados

1 conjunto calorímetro;

500 ml de água;

1 multímetro;

Fios conectores;

1 termômetro;

1 balança digital;

1 cronômetro;

1 fonte de tensão contínua.

Dados coletados dos componentes

Resistência elétrica = 8,84 Ω

Massa da água =232,40 g

Temperatura inicial vista no termômetro = 21° C

Temperatura final vista no termômetro = 80° C

Corrente ajustada na fonte = 2,83 A.

Tensão = 25 Volts.

Procedimentos

1) Mostre que a equação R.i².t = m.c.ΔT, pode ser escrita como t = m.c(T-T0)/R.i².

Resolução: t= m.c(T-T0)/R.i²= 232,40.1.(80-21)/ 8,84.(2,83)² = 232,40.(61)/ 8,84.8,0089) = 14176,4/70,798 = 200,24 s / 60 = 3,33 minutos. O resultado encontrado na realidade foi de 3,30 minutos,