AL 3.2 - Capacidade Térmica Mássica (10º ano)

AL 3.2 (10º ano) – Capacidade Térmica Mássica Autoria da simulação: Léo Rodrigues Macena dos Santos ; Paulo Simeão Carvalho

Roteiro de exploração da Atividade Experimental Virtual Esta Atividade Experimental Virtual (AEV) possibilita estudar o comportamento de blocos feitos de diversos materiais, quando aquecidos por uma resistência elétrica de potência aproximadamente constante durante um intervalo de tempo fixo. Os materiais disponíveis para o estudo nesta AEV são o cobre (Cu), alumínio (Al), um material desconhecido (para ser identificado com os resultados experimentais) e finalmente um material cujo valor da capacidade térmica mássica é gerado aleatoriamente. Os resultados experimentais obtidos na simulação permitem determinar a capacidade térmica mássica dos materiais disponibilizados.

A simulação tem uma versão em Português e outra em Inglês, devendo ser escolhida, no arranque, a versão pretendida.

Descrição Nesta simulação, blocos cilíndricos de materiais que podem ser o Cobre (Cu), o Alumínio (Al), um material desconhecido ou um cujo valor da capacidade térmica mássica é gerado aleatoriamente, são aquecidos por uma resistência elétrica de 2,19 Ω, que é colocada ao longo do seu eixo central.

A temperatura do bloco, inicialmente a 25,0 °C, é medida por um sensor colocado no seu interior.

A diferença de potencial (U) e a corrente elétrica (I) que passam na resistência elétrica podem ser medidas com um voltímetro e um amperímetro, respetivamente, como mostra a animação.

A massa dos blocos pode ser ajustada (mínimo 1000 g, máximo 3000 g). A dimensão dos blocos na simulação não está à escala.

Os materiais de que são feitos os blocos são: 

Cobre (Cu)



Alumínio (Al)



Um material desconhecido

A simulação permite ainda estudar o comportamento de um material cujo valor da capacidade térmica mássica é gerado aleatoriamente.

O intervalo de tempo de duração da experiência é, por defeito, de 120 s. Podes variar esse valor entre 60 s e 600 s.

AL 3.2 – Capacidade Térmica Mássica Léo Rodrigues Macena dos Santos, Paulo Simeão Carvalho

Exploração Experiência A Seleciona o bloco de Cobre (Cu) com a massa de 1000 g. Escolhe um tempo de funcionamento do aquecimento (por defeito, este é de 120 s). Fecha o circuito e prepara uma tabela para apontares os dados experimentais medidos. a) Estuda a evolução da temperatura do bloco ao longo do tempo de duração da experiência. Não te esqueças de calcular a potência média da resistência elétrica ao longo desse intervalo de tempo. b) Calcula a capacidade térmica mássica do Cu a partir dos resultados experimentais, usando o processo que considerares mais conveniente. c) Repete os passos anteriores pelo menos mais duas vezes, num total de três ensaios experimentais.

Calcula, assim, o valor médio da capacidade térmica mássica do Cu e a respetiva incerteza experimental. d) Compara o valor obtido experimentalmente com o valor tabelado do Cu (terás de fazer uma pesquisa na internet, ou consultar um livro de tabelas). Calcula o erro experimental e faz uma análise crítica da experiência realizada.

Experiência B Seleciona o bloco de Alumínio (Al) com a massa de 1000 g. Escolhe um tempo de funcionamento do aquecimento (por defeito, este é de 120 s). Fecha o circuito e prepara uma tabela para apontares os dados experimentais medidos. a) Estuda a evolução da temperatura do bloco ao longo do tempo de duração da experiência. Não te esqueças de calcular a potência média da resistência elétrica ao longo desse intervalo de tempo. b) Calcula a capacidade térmica mássica do Al a partir dos resultados experimentais, usando o processo que considerares mais conveniente. c) Repete os passos anteriores pelo menos mais duas vezes, num total de três ensaios experimentais.

Calcula, assim, o valor médio da capacidade térmica mássica do Al e a respetiva incerteza experimental. d) Compara o valor obtido experimentalmente com o valor tabelado do Al (terás de fazer uma pesquisa na internet, ou consultar um livro de tabelas). Calcula o erro experimental e faz uma análise crítica da experiência realizada.

Experiência C Seleciona o bloco de material desconhecido com a massa de 1000 g. Escolhe um tempo de funcionamento do aquecimento (por defeito, este é de 120 s). Fecha o circuito e prepara uma tabela para apontares os dados experimentais medidos. a) Estuda a evolução da temperatura do bloco ao longo do tempo de duração da experiência. Não te esqueças de calcular a potência média da resistência elétrica ao longo desse intervalo de tempo.

AL 3.2 – Capacidade Térmica Mássica Léo Rodrigues Macena dos Santos, Paulo Simeão Carvalho

b) Calcula a capacidade térmica mássica do material a partir dos resultados experimentais, usando o processo que considerares mais conveniente. c) Repete os passos anteriores pelo menos mais duas vezes, num total de três ensaios experimentais.

Calcula, assim, o valor médio da capacidade térmica mássica do material e a respetiva incerteza experimental. d) Faz uma pesquisa na internet ou consulta um livro de tabelas. Compara o valor obtido com os valores tabelados, para determinar o material que que é feito este bloco!

Experiência D Seleciona um dos blocos de Alumínio (Al) ou de Cobre (Cu). Escolhe um tempo de funcionamento do aquecimento (por defeito, este é de 120 s). Fecha o circuito e prepara uma tabela para apontares os dados experimentais medidos, fazendo variar a massa do bloco (mínimo 1000 g, máximo 3000 g). a) Estuda a evolução da temperatura do bloco ao longo do tempo de duração da experiência. Não te esqueças de calcular a potência média da resistência elétrica ao longo desse intervalo de tempo. b) Calcula a capacidade térmica mássica do Al a partir dos resultados experimentais, usando o processo que considerares mais conveniente. c) Repete os passos anteriores pelo menos para mais dois valores diferentes da massa do bloco, num total de três ensaios experimentais. d) Compara os valores obtidos nos três ensaios. Que concluis acerca da relação entre a massa do bloco e a correspondente variação da temperatura? e) Que concluis acerca da relação entre a massa do bloco e o valor da capacidade térmica mássica?

Escreve as tuas conclusões usando frases que te permitam definir a capacidade térmica mássica.

Experiência E Seleciona o bloco do material cujo valor da capacidade térmica é gerado aleatoriamente. Escolhe um tempo de funcionamento do aquecimento (por defeito, este é de 120 s). Fecha o circuito e prepara uma tabela para apontares os dados experimentais medidos. a) Estuda a evolução da temperatura do bloco ao longo do tempo de duração da experiência. Não te esqueças de calcular a potência média da resistência elétrica ao longo desse intervalo de tempo. b) Calcula a capacidade térmica mássica do material, a partir dos resultados experimentais, usando o processo que considerares mais conveniente. c) Faz uma pesquisa na internet ou consulta um livro de tabelas e verifica se existe algum material cuja capacidade térmica mássica corresponda à deste bloco!

AL 3.2 – Capacidade Térmica Mássica Léo Rodrigues Macena dos Santos, Paulo Simeão Carvalho

Ajuda Esta simulação mostra um bloco, cujo material pode ser o Cobre (Cu), o Alumínio (Al), um material desconhecido ou um cujo valor da capacidade térmica mássica é gerado aleatoriamente. A dimensão dos blocos cilíndricos não está à escala.

O bloco é aquecido por ação de uma resistência elétrica que dissipa uma potência (P) aproximadamente constante. (Nota: P=VI onde V é a diferença de potencial na resistência e I a corrente elétrica que atravessa a resistência) Considera-se que toda a energia (Q) proveniente da resistência é usada no aquecimento do material.

A temperatura do bloco é a indicada pelo termómetro digital. A diferença de potencial aplicada na resistência é indicada pelo voltímetro e a corrente elétrica que a percorre é medida por um amperímetro. Os valores apresentados para o voltímetro e para o amperímetro simulam resultados de medidas experimentais.

Com o cursor do rato, podes variar a massa do bloco (entre 1000 g e 3000 g) e o intervalo de tempo de duração da experiência (mínimo 60 s, máximo 600 s). Para o fazer, escreve no campo correspondente da animação o valor que pretendes e depois carrega em "enter" no teclado do teu computador.

No caso do material cujo valor da capacidade térmica mássica é aleatória, podes alterar manualmente a respetiva massa. Porém, sempre que reiniciares a simulação e escolheres este material para estudo, tem em atenção que a capacidade térmica mássica é sempre gerada com um valor diferente.

O tempo ao longo da experiência é indicado numa pequena janela, no canto superior direito da animação.

Para realizar as medições experimentais, usa os botões de comando da simulação (começar/pausar e avanço lento). Existe ainda um terceiro botão que reinicia a simulação para as condições iniciais.

Sempre que quiseres recomeçar uma nova medição experimental, usa o botão de reiniciar.

Como em qualquer medição experimental, é criada propositadamente uma pequena flutuação na medição da temperatura e da corrente elétrica. Assim, o termómetro e o amperímetro não medem exatamente os mesmos valores nos diferentes ensaios experimentais.

NOTA RELATIVA AOS GRÁFICOS É suposto que construas por ti próprio o gráfico da temperatura do bloco em função do tempo. Contudo, ele está disponível mediante a introdução de uma senha, que te poderá ser fornecida pelo(a) teu(tua) professor(a).

AL 3.2 – Capacidade Térmica Mássica Léo Rodrigues Macena dos Santos, Paulo Simeão Carvalho

CRÉDITOS Simulação da autoria de: Léo Rodrigues Macena dos Santos1, Paulo Simeão Carvalho2 1

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Departamento de Física, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Brasil Departamento de Física e Astronomia, IFIMUP, Unidade de Ensino das Ciências, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal

Roteiro de exploração da simulação da autoria de: Léo Rodrigues Macena dos Santos1, Paulo Simeão Carvalho2, Natália Alves Machado3 1

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Departamento de Física, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Brasil Departamento de Física e Astronomia, IFIMUP, Unidade de Ensino das Ciências, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal 3 IFIMUP, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal

Aceite para publicação em 18 de fevereiro de 2021

INFORMAÇÃO COMPLEMENTAR Palavra-passe para os gráficos: Sn0.0510