Aquecimento da água com corante negro diluído Procedimentos:

Repetimos os procedimentos descritos em 2.4.2.1 colocando corante na água tornando-a negra, antes de iniciar o aquecimento.

Resultados e registo de dados:

Curva de t e m p e r a t u r a da massa de á g u a .

T e m p o ( m i n )

Gráfico 2.4 Aquecimento da água com corante durante 8 minutos.

No final do aquecimento a água tinha atingido um valor máximo de temperatura de 31,6 °C. Tendo o seu valor inicial sido de 18,8 °C. A massa de água aquecida foi de 200 g.

Para cada par de valores de d.d.p. e de /foi calculado um valor de potência da lâmpada. O seu valor médio é de 29,45 W.

No instante em que a fonte foi desligada, 8 min, o sensor registava um valor de 31,3 °C.

Cálculo do rendimento do processo.

O aumento da energia interna da água foi de,

A£ = /wxcxAr = 0,200x4183x(31,6-18,8) = 10,7xl03J

2.27 A energia eléctrica fornecida à lâmpada foi de,

£eléctnca=i>xA/ = 29,45x8x60 = 13,7xl03J

2.28

Assim o rendimento do processo de transferência de energia foi de, A£ 10,7xl03

ri = = = 0,7» £ * * . 13,7xl03

Assim verificamos um aumento do rendimento do processo em relação ao anterior.

2.29

Cálculo do rendimento da lâmpada.

No primeiro processo onde a radiação visível pode livremente escapar para o exterior ao calorímetro, a água conseguiu reter 9,29x103 J de energia. Mas no segundo processo onde a

luz não teve oportunidade de escapar à água esta reteve 10,7x103 J de energia. O aumento da

energia interna da água foi superior no segundo processo em 1,41x10 J. Isto acontece apesar de no segundo processo o trabalho eléctrico realizado ser ligeiramente inferior, 13,7x10 J contra 14,3x103 J no primeiro. Podemos pois considerar que o rendimento de aquecimento da

água é superior (78 %) no segundo caso porque uma parcela adicional de energia, associada à radiação visível fica retida no calorímetro. Isto é,

AgrfMgd A£j , A£rad _ A£rad

"HÍ =—7. = ~^ + ~^ -T\\ +

^eléctrica ^eléctrica eléctrica eléctrica

2.30

^ =T]2 -Ti, = 0,78-0,65 = 0,13

eléctrica

2.31

ou seja, 13 % do total da energia que a lâmpada forneceu ao seu exterior.

Discussão

A lâmpada mergulhada na água realiza trabalho eléctrico que pode ser medido controlando a diferença de potencial e a intensidade de corrente eléctrica. Este trabalho resulta no aumento da temperatura da água e na luz que escapa do calorímetro, pelo menos no primeiro ensaio. Numa situação ideal a soma da energia associada à luz com a energia associada ao aumento da temperatura seria igual ao trabalho eléctrico medido, assim enuncia o princípio da conservação da energia. Esta igualdade não é verificada, pois o nosso sistema encontra-se num recipiente constituído apenas por paredes de plástico transparente, permitindo pois trocas de energia com o exterior por condução e não apenas por radiação. Na realidade os rendimentos obtidos foram de 65 % no primeiro e de 78 % no segundo ensaio.

Naturalmente o sensor mergulhado na água também perturba o sistema absorvendo alguma da energia deste. O sensor deve ser mergulhado com a sua ponta num local suficientemente afastado da lâmpada, pois junto desta a temperatura do sistema é muito superior às verificadas nos restantes pontos do sistema. De qualquer forma, para que o sensor registe um valor de temperatura próximo do valor médio da temperatura do sistema a água deverá ser continuamente agitada durante todo o aquecimento, homogeneizando termicamente o sistema. Para a determinação da variação de temperatura, usada no cálculo do aumento da energia interna da água, verificamos que a temperatura aumentou ainda algumas décimas de grau após o instante em que é desligada a fonte eléctrica da resistência. Na verdade o equilíbrio térmico entre a água e a lâmpada demora alguns segundos a ser estabelecido. Mesmo depois de desligada, a lâmpada ainda fornece alguma energia, verificada neste ligeiro aumento de temperatura, à água que tem de ser considerada nos cálculos.

2.4.3 Conclusão

A porção de energia transferida pela lâmpada para a água sob a forma de radiação é apenas uma pequena parte de toda a energia que a lâmpada transferiu para o seu exterior. Cerca de 13 %. É também bastante mais pequena que a totalidade da energia retida pela água em cada um dos ensaios realizados. No entanto foi possível perceber que a radiação emitida, pela lâmpada

e absorvida pela água no segundo processo, resultou num aumento de temperatura extra da água em relação ao primeiro processo.

Ficamos com uma ideia clara, apesar dos erros que o processo introduz, de que uma lâmpada de incandescência como aquela que foi usada tem um rendimento muito baixo. De facto as alternativas, para dispositivos de iluminação, a este tipo de lâmpadas aparecem cada vez em maior número. Esta experiência tem esta riqueza conceptual, de fazer sobressair um balanço energético que nem sempre é obvio para os alunos.

Entre o primeiro e o segundo processo verificamos um aumento do rendimento no aquecimento da lâmpada, dito de outra forma, a percentagem de energia "perdida" para o exterior ao calorímetro diminuiu. Será que podemos anular esta percentagem? Será possível construir um processo, de aquecimento da água, perfeito? Poderemos talvez revestir o calorímetro com alguma substância isolante para o sistema. A porção de energia "perdida" diminuiria com certeza. No entanto, parece difícil responder à questão, mas é possível conduzir esta experiência no sentido de percebermos que, se tal fosse possível, teríamos a total conservação da energia no sistema. Parece difícil descobrir aqui o princípio da conservação da energia mas ele está cá.

Uma das ideias mais populares entre os alunos é a de que para fazer aumentar a temperatura a um corpo é preciso coloca-lo junto a outro a superior temperatura. A radiação visível é algo nunca associado a transferências resultantes em variações de temperatura. Mas de facto a luz é energia em transporte que pode ser cedida, absorvida, transferida, podendo resultar numa variação de temperatura.

Seguimos uma linha de pensamento orientada pelo princípio da conservação da energia. Os alunos já sabem que o aumento da energia interna de um sistema se pode manifestar pelo aumento da temperatura desse sistema. No entanto o aumento de temperatura verificado no primeiro processo ficou aquém do esperado quando comparado com o trabalho eléctrico da lâmpada, mas também, neste processo, vimos luz escapar do sistema. Se os alunos compreenderem que a luz é uma manifestação da energia e se a luz não poder escapar então o aumento de temperatura do sistema deverá ser superior ao anterior. Podemos pensar assim se aceitarmos o princípio referido, também se os alunos assim pensarem poderão prever que, no segundo processo, com o corante, se a energia interna aumenta ainda mais então poderão medir um maior aumento de temperatura, tal como se verifica. Não é preciso que toda a energia fornecida electricamente ao sistema se conserve no sistema para usarmos o princípio da conservação como linha de pensamento. Assim se considerarmos todos os termos energéticos já referidos, associados à luz, aumento da temperatura e ainda outras perdas da

água para o exterior, podemos pensar que os resultados não estão em contradição com a expressão 2. 23, para a primeira lei da termodinâmica.

Exemplos de transferências de energia associadas à radiação, como o uso do microondas, podem ser abordados quando verificamos o aumento da temperatura dos alimentos confeccionados.