Universidade Federal de Pernambuco Centro Acadêmico do Agreste Física Experimental 2 - 2018.1
Professor Luis Leão
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PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
EXPERIMENTO: 01
TÍTULO: RESFRIAMENTO DE NEWTON
1. INTRODUÇÃO
A preparação antes de vir ao laboratório, a maneira de proceder dentro do laboratório e forma de execução dos experimentos são apresentadas no Plano de Ensino da disciplina. Os alunos devem lê-lo integralmente; em especial, os alunos que nunca frequentaram um ambiente de laboratório.
Neste experimento, você estudará o processo de troca de calor entre um sistema finito e um banho térmico (sala), em temperaturas diferentes, através do processo de convecção.
3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Medir a temperatura de esfriamento de um sistema em função do tempo. • Entender o processo de troca de calor.
• Aprender e verificar a previsões teóricas da lei de esfriamento de Newton.
• Obtenção da constante de tempo de esfriamento característica de um sistema térmico.
• Aprender a utilizar softwares para análise/tratamento de dados e construção de gráficos.
4. MATERIAL UTILIZADO
• Tipos diferentes de calorímetros; • Termopar e Termômetros Digitais; • Cronometro Digital;
• Trena;
• Aquecedor de água resistivo. Observações:
I. Todo instrumento de medida é delicado. Deve-se sempre manuseá-lo de maneira adequada, com muito cuidado para não o danificar.
II. O material disponibilizado nas bancadas é de responsabilidade dos alunos que a ocupam. Ao final de cada experimento, o material deve ser arrumado sobre a bancada. Todo e qualquer material que for extraviado ou danificado será reposto pelos integrantes da equipe de estudantes responsável por ele. As bancadas serão inspecionadas depois de cada experimento.
5. PROCEDIMENTO/ATIVIDADE EXPERIMENTAL
espera uma bebida quente para esfriar. Nesta experiência, você examinará o resfriamento de água, com o objetivo de reproduzir o modelo que descreve o processo (resfriamento de Newton). Você também poderá prever o tempo necessário para que a água quente arrefeça até a temperatura ambiente.
5.1. MEDIÇÃO DO RESFRIAMENTO DE UM SISTEMA
a) (3)Meça a temperatura ambiente e expresse-a na forma .
Θ𝑎(°C) ΔΘ𝑎(°C) T𝑎(°C)
TABELA 1MEDIDA DA TEMPERATURA AMBIENTE
b) Coloque água quente no recipiente metálico com isolamento de Isopor. Em seguida insira o termômetro na água.
c) (6)Meça a temperatura da água em função do tempo e utilize o cronômetro
seguindo a sequência de intervalos da Tabela 2. Iniciar as tomadas de temperatura logo após a colocação do termômetro na água. Preencha a Tabela 2 com os valores medidos das temperaturas da água, subtraídos da temperatura ambiente, , ou seja, .
𝑡 (𝑚𝑖𝑛) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Δ𝑇 (℃)
𝑡 (𝑚𝑖𝑛) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Δ𝑇 (℃)
𝑡 (𝑚𝑖𝑛) 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Δ𝑇 (℃)
𝑡 (𝑚𝑖𝑛) 80 Δ𝑇 (℃)
TABELA 2MEDIÇÕES DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA EM FUNÇÃO DO TEMPO
d) (3)Calcule a incerteza associada a Δ𝑇.
Ta =
(
Θa+ΔΘa)
°CT
Cálculo:
5.2. MEDIÇÃO DO RESFRIAMENTO DE UM SISTEMA
e) (8)Confeccione um gráfico manual em papel milimetrado, da diferença de
temperatura Δ𝑇 em função do tempo de resfriamento. Anexe o gráfico no final. f) (4)Preencha a Tabela 3 abaixo escrevendo o valor do volume de água utilizado em
cada um dos sistemas medidos e as suas respectivas áreas de contato com as paredes do calorímetro e com o ar.
MASSA DA ÁGUA (g) VOLUME DE ÁGUA (L) ÁREA DE CONTATO DA ÁGUA COM A SUPERFÍCIE DO RECIPIENTE (cm2)
ÁREA DE CONTATO DA ÁGUA COM O AR (cm2)
INCERTEZA DA MASSA DA ÁGUA (g)
INCERTEZA DO VOLUME DE ÁGUA (L)
INCERTEZA ÁREA DE CONTATO DA ÁGUA COM A SUPERFÍCIE DO RECIPIENTE (cm2)
INCERTEZA DA ÁREA DE CONTATO DA ÁGUA COM O AR
(cm2)
MASSA DA ÁGUA (g) COM A INCERTEZA
VOLUME DE ÁGUA (L) COM A INCERTEZA
ÁREA DE CONTATO DA ÁGUA COM A SUPERFÍCIE DO RECIPIENTE (cm2) COM A INCERTEZA
ÁREA DE CONTATO DA ÁGUA COM O AR (cm2) COM A
INCERTEZA
TABELA 3MEDIÇÕES DO VOLUME DE ÁGUA E DAS ÁREAS DE CONTATO COM O AR E COM AS PAREDES DE CADA RECIPIENTE UTILIZADO
Cálculo:
h) (3)Deduza e explique o modelo teórico proposto por Newton para este tipo de
i) (3)A partir do gráfico em papel milimetrado e supondo que a queda da
temperatura em função do tempo segue uma função exponencial decrescente, obtenha a constante de tempo característica, , do sistema. Utilize o método da tangente em t = 0.
Cálculo:
τ
j) (3)A partir do gráfico em papel milimetrado e supondo que a queda da
temperatura em função do tempo segue uma função exponencial decrescente, obtenha a constante de tempo característica, , do sistema. Utilize o método do tempo característico.
Cálculo:
k) (8)Confeccione, um gráfico manual em papel mono-log, da diferença de
temperatura em função do tempo de resfriamento. Você observa um decaimento linear? Há mais de um decaimento linear nos dados experimentais? Descreva sua observação. Anexe o gráfico no final.
τ
l) (8)No caso da observação de um comportamento linear no gráfico mono-log,
preencha a tabela abaixo e calcule a reta que melhor se ajusta aos pontos (empregando método mínimo múltiplo quadrado) no gráfico mono-log e obtenha a constante de tempo característica deste sistema, . Obs.: Se você percebeu que há mais de um regime linear, escolha um deles para a realização deste item (justifique).
Cálculo:
m) (3)Compare os valores das constantes de tempo obtidas , e . Qual dos
três valores pode-se usar como o valor adotado? Por quê?
τ
n) (3)Calcule qual seria o valor da temperatura da água quando t = 80 min e calcule o
erro percentual comparado ao valor da temperatura da água medido em T(80 min).
Cálculo:
o) (8)Repita o item (e), mas agora faça o gráfico em um software apropriado (por
exemplo, Scidavis). Anexe o gráfico no final.
p) (10)A partir dos dados experimentais e supondo que a queda da temperatura em
função do tempo segue uma função exponencial decrescente, utilize um software apropriado e ajuste os pontos com uma função exponencial. Faça o gráfico do ajuste sobre os dados experimentais e do resultado do ajuste obtenha a constante de tempo característica, 𝜏<, do sistema. Anexe o gráfico no final. Cálculo:
Cálculo: