Determinação da Capacidade Térmica Mássica de um material

Determinação da Capacidade Térmica Mássica de um material Aceite para publicação em 30 de junho de 2020

Publicado debaixo de uma licença Creative Commons by-sa da Casa das Ciências

Roteiro de exploração da Atividade Experimental Virtual Esta Atividade Experimental Virtual (AEV) possibilita estudar a evolução da temperatura de um bloco de material desconhecido, potencialmente extraterrestre, inserido no interior de um forno termicamente isolado quando este é aquecido com uma resistência de potência variável. Os resultados experimentais a retirar da simulação permitem compreender o processo de transferência de energia para o bloco como calor, relacionar a variação de temperatura do bloco com a sua massa e finalmente, determinar a capacidade térmica mássica do material.

Descrição Um bloco de material extraterrestre (a azul, na animação) foi levado para um laboratório científico e sujeito a alguns testes físicos. Num desses testes, o bloco (ou parte deste) foi colocado dentro de um forno termicamente isolado, o qual foi aquecido, por precaução, durante apenas 300 segundos (5 minutos) para evitar danificar o material. A resistência de aquecimento do forno pode ser regulada para a potência de 400 W (baixa potência) ou de 800 W (alta potência). Admite-se que o bloco se mantém em equilíbrio térmico com o forno e que a capacidade térmica da parede interior do forno é desprezável. O tempo é dado em segundos e a temperatura em graus Celsius.

Exploração 1. Usando a mesma massa do bloco, compara a temperatura final do bloco no mesmo intervalo de tempo (300 segundos), usando para aquecimento inicialmente o forno com a resistência de baixa potência (400 W) e, depois, o forno com a resistência de alta potência (800 W). Justifica o resultado.

Determinação da Capacidade Térmica Mássica de um material Tiago Ferreira, Paulo Simeão Carvalho 2. Usando apenas uma das potências do forno, prevê o que acontece à variação de temperatura do bloco, no mesmo intervalo de tempo (300 segundos), quando a massa do bloco é alterada. Regista os valores da temperatura do bloco em função do tempo para os dois casos e representa-os num gráfico. Compara os resultados obtidos com a tua previsão e procura dar uma explicação para o ocorrido.

3. A partir dos resultados obtidos neste estudo, determina o valor da capacidade térmica mássica do material de que é feito o bloco. Compara o valor obtido com uma tabela de valores conhecidos e conclui se este material poderá ser mesmo de origem extraterrestre.

Ajuda Nesta simulação existe um forno aquecido por uma resistência elétrica que funciona com dois níveis de potência: 400 W e 800 W. A potência do forno tem que ser escolhida no início da animação. A massa do bloco desconhecido (supostamente extraterrestre) que se encontra no interior do forno também pode ser modificada. O menor valor de massa que se pode usar é 1 kg e o máximo é de 3 kg.

Um cronómetro digital contabiliza o tempo decorrido durante o funcionamento do forno. Admite-se que toda a energia libertada pelo forno é usada para aquecer o bloco, estando assim em equilíbrio térmico com este.

Um termómetro digital é posto em contacto com o bloco e regista a sua temperatura. Do lado esquerdo da animação vê-se uma ampliação do termómetro.

Podes usar os comandos na parte inferior da animação, para parar o cronómetro e registar o valor da temperatura do termómetro.

Como em qualquer medição experimental, é criada propositadamente uma pequena flutuação na medição da temperatura, pelo que o termómetro não mede exatamente os mesmos valores em diferentes ensaios experimentais.

Roteiro de exploração da simulação da autoria de: Tiago Ferreira, Paulo Simeão Carvalho Departamento de Física e Astronomia, IFIMUP, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal