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A .L . 0.1 – RENDIMENTO NO AQUECIMENTO

FÍSICA 10.ºANO

QUESTÃO-PROBLEMA

Como poderemos aumentar o rendimento no aquecimento, quando cozinhamos?

Esta actividade laboratorial está integrada no módulo inicial de Física no 10.º

ano, “Das fontes de energia ao utilizador”. Pretende-se com esta actividade a

revisão dos conceitos de calor, temperatura, energia interna, potência, energia

fornecida por um circuito eléctrico e rendimento num processo de aquecimento.

PREPARAÇÃO PRÉVIA

De forma a preparar convenientemente a actividade experimental, os alunos

devem rever teoricamente os conceitos de:

• Calor, temperatura e energia interna;

• Circuito eléctrico simples;

• Potência fornecida (! = !");

• Energia fornecida (!!"#$ = !∆!)

• Rendimento (! = !ú!"#!!"#$

×100).

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TRABALHO LABORATORIAL

MATERIAL (POR TURNO)

Material e equipamento Quantidades

Fonte de alimentação de

tensão variável 4

Resistência de aquecimento

4

Voltímetro

4

Amperímetro

4

Interruptor 4

Fios de ligação e crocodilos

Cronómetro

4

Termómetro ou sensor de temperatura 4

Balança 1

Gobelé 4

Água

Agitador 4

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PROCEDIMENTOS1

1. De forma a simular um processo de aquecimento e calcular o seu

rendimento, usar uma resistência de aquecimento mergulhada em água e

faça uma montagem de um circuito semelhante ao da figura.

2. Antes da montagem do circuito, efectuar a medição da massa de água

que vai ser aquecida e da sua temperatura. Indicar correctamente as

medidas (valor mais provável e incerteza absoluta de leitura).

3. Analisar as escalas de todos os aparelhos de medida que vão ser

utilizados de modo a fazer correctamente as leituras e anotar as

respectivas incertezas absolutas de leitura.

4. Montar o circuito e, antes de ligar o interruptor, escolher um valor

razoável para a temperatura máxima da água a atingir com o

aquecimento. Não deixar a água entrar em ebulição.

5. Ligar o circuito, deixar a água aquecer e uniformizar a temperatura com o

agitador.

6. Registar os dados adequadamente.

1 Adaptado de Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 10 F A - Física e Química

A - Física - Bloco 1 - 10.º/11.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda.

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REGISTO E TRATAMENTO DE DADOS

CÁLCULO DA POTENCIA

! = 0,69 ± 0,01A ! = 8,17 ± 0,01V

! = !" ! = 0,69×8,17 = 5,64W

CÁLCULO DA ENERGIA FORNECIDA

∆! = 11!4!! = 664s !!"#$ = !∆!

!!"#$ = 5,64×664 = 3744,96J

CÁLCULO DA ENERGIA ÚTIL

! = 70,0 ± 0,1g

! = 4,18×10!J/(kg°C)

!! = 17,70 ± 0,05°C

!! = 30,00 ± 0,05°C

!ú!"# = ! = !"∆!

!ú!"# = 70×10!!×4,18×10!× 30,00 − 17,70

!ú!"# = 3598,98J

CÁLCULO DO RENDIMENTO

! =!ú!"#!!"#$

×100

! =3598,983744,96

×100 = 96,1%

DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Realizado o trabalho laboratorial os alunos devem analisar os resultados

obtidos. Seguidamente apresentam-se algumas propostas de pontos a reflectir.

• Interpretação do valor obtido para o rendimento;

Obteve-se um valor bastante aceitável. Devido às dissipações de energia é

normal que o valor de rendimento não seja 100% no entanto, é um valor

bastante próximo.

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• Resposta fundamentada, com base no confronto dos resultados obtidos

pelos diversos grupos, às seguintes questões:

o Uma panela e um copo, ambos cheios de água a ferver,

encontram-se à mesma temperatura? E possuem a mesma energia

interna?

Ambos estão a 100ºC (considerando a pressão 1 atm), pois ambos estão em

ebulição. Relativamente à energia interna, esta depende da temperatura (100º C

em ambas), da substância (mesma amostra) e da quantidade de substância.

Como na panela existe maior quantidade de substância, esta massa de água

terá maior energia interna do que a água do copo.

o Será necessária a mesma energia para aquecer uma panela de

água e um copo de água?

Para produzir o mesmo aumento de temperatura, é necessário fornecer mais

energia à maior massa de água, logo será necessária mais energia para aquecer

a panela pois tem maior massa de água.

• Resposta à questão problema colocada na actividade;

Neste caso o aquecimento faz-se do exterior para o interior do recipiente, pelo

que é conveniente que este tenha uma boa condutividade térmica. Além disso

deverá estar tapado para evitar perdas de calor devido à evaporação da água. A

fonte da calor deve ter um diâmetro inferir ao do fundo do recipiente, para que

praticamente toda a energia seja transferida para este, minimizando-se as

transferências para o ar.

CONSIDERAÇÕES

1. Na execução deste trabalho, os alunos deverão ter o cuidado de

submergir completamente a resistência na água, para que o calor não

seja dissipado para o ar. Além disso a resistência não pode ficar ligada

sem estar mergulhada em água, caso contrário, deteriora-se

rapidamente.

2. A água não pode entrar em ebulição.

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3. Pode ser usada uma resistência de imersão de 12 V, que facilmente se

encontra em hipermercados. Podem igualmente usar-se resistências de

potência muito mais baixa, associadas aos calorímetros de Joule que têm

a vantagem de não exigir um débito de corrente tão alto.

4. Atenção que os valores de potência inscritos nas resistências são

indicativos e não podem ser usados no cálculo do rendimento,

correndo-se o risco de obter valores superiores a 100 %.

5. Podem usar-se diferentes massas de água e diferentes tempos de

aquecimento. O valor do rendimento melhora para massas pequenas de

água (≈150 g) e tempos de aquecimento reduzidos. Quanto maior for a

diferença de temperatura entre a água e o ambiente, mais rápida se torna

a dissipação de energia.

6. Podem comparar-se recipientes com diferentes isolamentos térmicos.

7. Uma técnica que produz bons resultados é medir a variação da

temperatura ao longo de um certo intervalo de tempo e traçar o gráfico

∆! = ! ∆! . O declive da recta fornece com mais precisão a variação de

temperatura por unidade de tempo, que multiplicada pela massa e pela

capacidade térmica mássica da água fornece imediatamente a potência

útil.

BIBLIOGRAFIA

Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 10 F A -

Física e Química A - Física - Bloco 1 - 10.º/11.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda.

Martins, I. P. et al., (2001). Programa de Física e Química A, 10º ou 11º anos.

Ministério da Educação.