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OBJECTIVOS DO TRABALHO Questão Problema: Como poderemos aumentar o rendimento no aquecimento, quando cozinhamos? Objectivos: Esta aula laboratorial teve como objectivos determinar o rendimento de diversos processos de aquecimento, identificar alguns factores que possam ter feito variar esses aquecimentos e encontrar soluções para aumentar os respectivos rendimentos. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Rendimento de um sistema Rendimento é a grandeza que mede a eficiência dos processos que envolvem transferências e/ou transformações de energia num sistema, isto porque:
Por eficiência entende-se a energia dissipada (maior energia dissipada = menor eficiência e vice-versa). Uma vez que:
Então o rendimento em percentagem, ƞ, pode ser calculado a partir da expressão:
Potência Eléctrica e Energia Eléctrica A potência é a quantidade de energia fornecida a um sistema por unidade de tempo. No caso da potência eléctrica é a quantidade de energia eléctrica consumida por um aparelho eléctrico por unidade de tempo. Pode ser calculada multiplicando a diferença de potencial (tensão) entre os dois pólos pela intensidade da corrente:
Nesta expressão, a potência estará expressa em Watt caso U esteja expresso em volts e I em amperes. A energia eléctrica é a forma de energia mais útil, uma vez que pode facilmente ser transformada noutros tipos de energia e transportada. A energia eléctrica transferida para um sistema pode ser calculada multiplicando a potência em watt pelo intervalo de tempo em segundos:
É também possível determinar a potência dividindo a energia pelo intervalo de tempo:
Energia Transferida sob a forma de Calor, Q O calor é uma forma de transferir energia entre dois corpos que se encontram a diferentes temperaturas. Na verdade, quando dois corpos com temperaturas diferentes entram em contacto há transferência de calor. A expressão que permite calcular a quantidade de calor absorvida ou cedida por um sistema é a seguinte:
Notar que: a massa deve estar expressa em quilogramas e a capacidade térmica máxima em joules por quilograma por Kelvin, para que o calor esteja expresso em joules; a variação de temperatura em Kelvin é a mesma em graus Celcius. Energia Interna e Temperatura A energia interna de um sistema está associada aos estados microscópios da matéria e pode ser calculada somando a energia cinética de todas as partículas com a energia potencial de todas as partículas:
A energia interna depende da quantidade de matéria e da temperatura a que a mesma se encontra. Temperatura é uma propriedade macroscópica que caracteriza o estado térmico de um sistema e é proporcional à energia cinética média de translação das partículas que constituem o sistema. Através da temperatura de um corpo podemos saber se esse corpo se encontra no estado sólido, líquido ou gasoso. MATERIAL UTILIZADO . Balança digital (sensibilidade 0,1g); . Gobelé; . Calorímetro; . Resistência Eléctrica; . Multímetro (voltímetro); . Multímetro (amperímetro); . Termómetro; . Transformador de corrente (entrada ~ 220V, saída ~ 6v); . Cabos de ligação. ESQUEMAS E MONTAGENS
Representação esquemática do circuito e fotografia do circuito já montado pronto para proceder ao aquecimento. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL . Montar um circuito eléctrico integrando voltímetro, amperímetro e uma resistência dentro de um calorímetro com 150g de água. Ter em conta que cada elemento do circuito só pode ter duas ligações, logo o voltímetro estará em paralelo (ver a secção ESQUEMAS E MONTAGENS); . Registar a temperatura inicial da água no calorímetro e ligar o circuito; . Aquecer a água durante 5 minutos (300 segundos) e enquanto o aquecimento estiver a decorrer registar a diferença de potencial e intensidade do circuito; . Registar, depois de desligar o circuito, a temperatura final; . Depois de deixar arrefecer a resistência eléctrica, repetir o procedimento com um gobelé com 150g de água e novamente com o calorímetro, mas com 100g de água. Manter as temperaturas iniciais da água, os tempos de aquecimento e utilizar a mesma resistência eléctrica em todas as experiências. REGISTO DAS OBSERVAÇÕES
CÁLCULOS Segundo as seguintes fórmulas:
Efectuámos os seguintes cálculos para os três aquecimentos, sendo que aqui apresentamos apenas os cálculos relativos ao procedimento com o Calorímetro I:
ANÁLISE/CRÍTICA DOS RESULTADOS Supostamente, a água no gobelé iria aquecer mais lentamente do que no calorímetro, pois o gobelé é feito de vidro, material menos isolante do que o esferovite no interior do calorímetro. Logo durante o procedimento houve um erro experimental, possivelmente um erro no tempo de aquecimento. Outra possibilidade é que, sendo o calorímetro uma simulação de um sistema fechado, o calor que contribuiu para o aquecimento foi quase apenas o da resistência eléctrica, enquanto no caso do gobelé o calor do ar, dos corpos dos alunos, entre outros, podem ter contribuído para aumentar o rendimento do aquecimento (porque se o rendimento de alguns dos ensaios foi superior a 100%, e sendo o rendimento o quociente da Energia útil pela Energia fornecida, então é porque a Energia útil foi superior à fornecida pela resistência – teve de haver factores externos para contribuir para esse aumento). De qualquer modo, pelos conhecimentos de física sabe-se que, utilizando apenas a resistência eléctrica, a água no gobelé aquece mais lentamente do que a água no calorímetro, sendo que o rendimento será superior na última situação. Observou-se também que quanto maior for a masssa da água mais tempo levará a aquecer. RESPOSTA À QUESTÃO-PROBLEMA Questão-Problema: Como poderemos aumentar o rendimento no aquecimento, quando cozinhamos? Para aumentar o rendimento do aquecimento na confecção de alimentos, deve ser utilizada uma panela feita de um material o mais isolante possível, à excepção da zona em contacto com a fonte de aquecimento. A panela deverá também ser tapada, caso seja possível, pois quanto mais isolado estiver o sistema, mais rapidamente aquecerá. Outro factor importante que influencia bastante o rendimento do aquecimento é a massa da água, portanto também deve ser usada a mínima quantidade de água necessária á cozedura pois quanto maior for a massa mais lentamente irá aquecer. BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA Internet . Wikipédia, Potência, Abril de 2011, <http://pt.wikipedia.org/wiki/Pot%C3%AAncia >. . Wikipédia, Electricidade, Abril de 2011, < http://pt.wikipedia.org/wiki/Electricidade>. Livros & Enciclopédias . Rebelo, Adelaide Amaro e Rebelo, Filipe. Terra.lab 9. Lisboa, Lisboa Editora, 2007. . Ventura, Graça; Fiolhais, Manuel; Fiolhais, Carlos; Paiva, João; Ferreira, António José. 10 F A. Lisboa, Texto Editores, 2009. . “Energia Térmica, o Calor”, Enciclopédia do Estudante, Vol. 11 – Lisboa, Santillana Constância Educação, 2008. . “A Potência Mecânica”, Enciclopédia do Estudante, Vol. 11 – Lisboa, Santillana Constância Educação, 2008. . “de l’Electricité’, Encyclopédie Larousse, Vol. 32 – Paris, Editions Versailles, 1974. ANEXO I QUESTÕES PÓS-LABORATORIAIS Questões no protocolo 1. a) Trata-se de um amperímetro. b) Com um amperímetro mede-se a intensidade de corrente. Neste caso o aparelho só consegue medir a amperagem da corrente contínua (DC). c) A intensidade de corrente é medida em amperes, A. d) O alcance do aparelho é de 5 amperes. e) A sensibilidade do aparelho é de 0,1 A. f) A incerteza de leitura, sendo um aparelho analógico, é de 0,05 A. g) O valor medido pelo amperímetro é de 2,5 ± 0,05 A. 2. O alcance máximo do aparelho referido é de 30 V. a) A menor divisão da escala é de 1 V. b) A incerteza associada à leitura é de 0,5 V. c) A diferença de potencial lida no voltímetro é 6,4 ± 0,5 V. Livro 10 F A, página 32 1. Verdadeiras: A, B, D 2. 2.1. Não, pois a energia interna depende da temperatura e da massa. Como a temperatura é a mesma mas a massa da panela com 2,0 L de água é maior, a energia interna da panela com 2,0 L de água será também maior do que a energia interna da panela com 1,0 L. 2.2. Sendo as panelas iguais, com as mesmas dimensões e material e as placas de aquecimento com a mesma potência, variando apenas o volume de água contido nas panelas, a panela com 1,0 L de água aquecerá mais rapidamente pois tem menor massa. 2.3. a) Ocorre transferência de energia sob a forma de calor. b) Não, pois numa transferência de energia há sempre energia dissipada, por exemplo neste caso, para aquecer a placa de aquecimento e a panela. c)
d)
e)
O rendimento é de 17%, estando de acordo com a resposta da alínea B, visto que é menor do que 100%. f)
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