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Relatório de actividade
experimental Objectivo Determinar o rendimento da água, quando utilizada a energia eléctrica, através da medição de um intervalo de tempo, onde a energia eléctrica é disponibilizada á resistência e a energia que é transferida para a água provém da resistência. Introdução Teórica Para a realização desta actividade experimental é necessário dominar alguns conceitos relacionados com a transferência de energia. Comecemos pela distinção entre calor e energia interna: - Calor: é a nomenclatura atribuída à energia sendo transferida de um sistema a outro exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. O calor é uma das duas formas disponíveis para se transferir energia de um sistema a outro e expressa a quantidade de energia transferida através da fronteira comum aos sistemas. - Energia interna: é o conteúdo total em energia de um sistema termodinâmico. No senso comum energia interna e calor são geralmente confundidos, mas é bom saber que os dois constituem-se por definições bem distintas, definições que implicam o facto de se poder dizer sem erro que um sistema qualquer possui energia interna e também o facto de jamais se poder dizer que um sistema possui calor. Podemos ainda observar que a transferência de energia pode ser feita através de três processos: - Transferência de energia como trabalho: A interacção mecânica do sistema com a sua vizinhança está associada á aplicação de forças no sistema, as quais podem realizar trabalho. - Transferência de energia como calor: A energia transferida, como calor, de um sistema que está a temperatura mais elevada para outra que está a temperatura mais baixa, fica neste ultimo como energia interna. Um sistema, depois de “absorver” ou depois de “perder” energia como calor, fica com um valor diferente de energia interna. - Transferência de energia como radiação electromagnética: Uma substância que receba energia, sob a forma de energia electromagnética, da banda das microondas, em consequência disso, a sua energia interna do seu sistema vai aumentar. Ainda sobre a energia, esta pode ser transferida mais ou menos rapidamente. A potência exprime-se em W (watt) e é definida pela razão entre a energia transferida, E, expressa em J (joule) e o tempo, t, expresso em segundos, durante o qual a transferência se realizou, concluímos que: P = E / t O rendimento, ŋ, de um motor, é definido pela razão entre a energia útil, Eu, que o motor fornece durante um certo intervalo de tempo, e a energia fornecida, Ef, que o motor recebe no mesmo intervalo de tempo. O rendimento é um número adimensional - segundo as leis da termodinâmica, menor que a unidade - que expressa o grau de aproveitamento de um determinado processo e as perdas que o referido processo suporta. Nas máquinas, o rendimento consiste na relação entre a energia que estas convertem em trabalho e a energia total que consomem para o efeito, sendo geralmente expresso em percentagem. Traduz se pela formula: ŋ = (Eu / Ef) x 100 Na seguinte actividade laboratorial, após a definição dos conceitos acima descritos, a realização da experiencia deve ser feita tendo em conta a descrição anterior, sendo que será utilizada uma placa de aquecimento, caracterizada por uma potência eléctrica, para aquecer uma dada massa de água contida num gobelé. A energia eléctrica fornecida à placa de aquecimento é calculada com recurso à potência eléctrica da placa, indicada pelo fabricante, e ao tempo durante o qual a placa está a fornecer energia ao recipiente com água, tal que: Ef = E = P x Δt A energia que é recebida pela água, sob a forma de calor, vai produzir um acréscimo da energia interna da água, não havendo mudança de estado físico. Assim, a variação de energia interna da água, igual à energia recebida sob a forma de calor, vai ser directamente proporcional à massa de água, m, e à variação de temperatura, ΔT, experimentada pela água. Eu = Q = ΔU = c x m x ΔT Em que ΔU é a variação de energia interna experimentada pela água, Q a energia recebida sob a forma de calor e c a capacidade calorífica específica, ou capacidade térmica mássica, da água. O rendimento do aquecimento será determinado através da razão entre as energias útil e total. η = (Eu / Ef) x 100 ou η = (ΔU / Eel) x 100 Todos estes parâmetros e fórmulas acima descritos ajudam-nos a calcular o rendimento da placa de aquecimento que no conjunto com todo o material utilizado vai formar a seguinte montagem:
Procedimentos Iniciámos esta actividade com a recolha do material necessário a utilizar (referido no ponto “Material/Reagentes”). De seguida introduzimos 100g de água num gobelé, recorrendo ao auxílio de um esguicho e de uma balança para efectuar a medição. Após este primeiro passo, colocámos o gobelé com água sobre a placa de aquecimento desligada de modo a calcularmos a temperatura da água antes do seu aquecimento, com um termómetro de 100º de alcance, sustido pela garra devidamente presa ao suporte universal. Depois de medida a temperatura inicial da água, colocámos então a placa de aquecimento na potência máxima (caso contrario, iam haver perdas de energia na resistência interna). Quando a água atingiu a temperatura de 35º iniciamos a contagem do tempo com um cronómetro, tal como indicado no protocolo. Á medida que a água ia aquecendo, a nossa função como observadores e executantes da experiencia foi a de registar numa tabela o tempo decorrido entre cada intervalo de 5ºC, até a água atingir a temperatura de 75ºC. Uma vez concluído o processo, registámos o tempo total que a água levou a aquecer dos 35ºC aos 75ºC, e utilizámos os dados recolhidos para calcular a energia transferida para a água e, posteriormente, o rendimento do aquecimento. Após a conclusão da actividade limpámos e arrumámos todo o material utilizado, de modo a deixar a bancada de trabalho como a encontrámos. Material/Reagentes Para esta actividade experimental utilizámos: · Uma placa de aquecimento eléctrica com potência de 1000W · Uma rede de amianto · Uma tenaz · Um gobelé de 250ml ± 12,5ml · Um suporte universal · Uma balança com erro de ± 0,01g e alcance de 210g · Um termómetro de 100ºC com erro de ≈ 1ºC · Um cronómetro Tratamento de dados - Cálculo da energia eléctrica fornecida: EeL = P x Δt Eel = 1000 x 692 = 692.000 J - Calculo da energia que foi transferida, como calor, para a água: Q = ΔU; Q = c m Δq Q = 4180 x 0,1 x 40 = 16.720 J (A capacidade calorífica, c, da água é de 4180 J Kg-1ªC-1) - Cálculo do rendimento no aquecimento: ŋ = Eu / Em ; ŋ = Q / Eel ŋ = 16.720 / 69.200 = 0,0242 - Calculo, em percentagem, do rendimento no aquecimento: ŋ = Q / Eel x 100 ŋ = 16.720 / 692.000 x 100 ≈ 2,42% Resultados/Registos/Observações Neste trabalho verificámos, em comparação com os outros grupos, que a nossa experiencia demorou mais tempo a realizar-se devido á avaria da placa de aquecimento. Reparámos também que devido a essa situação o rendimento final calculado, foi muito menor em comparação com o rendimento obtido pelos outros grupos. Observámos ainda que o nível de dificuldade desta actividade experimental era fácil, o que permitiu que toda a actividade corre-se bem, sem quaisquer problemas. Conclusão Com a elaboração desta actividade experimental concluímos que o rendimento da placa de aquecimento, por estar avariada, foi muito baixo, e que para uma maior eficácia e rapidez no aquecimento da água, a base do recipiente onde a água estava contida deveria ser boa condutora, e as suas paredes deveriam conferir boa capacidade isoladora, para o calor não se dissipar com facilidade, e assim a água aquecia mais rapidamente, atingindo os 75ºC com maior rapidez. Bibliografia . Marques da Silva, Daniel, Desafios da Física 10º|11º Ano, Física e Química A, caderno de actividades laboratoriais, pág. 9 a 14 . Marques da Silva, Daniel, Desafios da Física, Física e Química A, pág. 53 a 60
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