Transferência de calor num copo

Transferência de calor num copo

Atividade experimental para alunos do 7. ° ano com a qual se pretende estudar os mecanismos de transferência de energia térmica. A atividade consiste em medir, num certo intervalo de tempo, a temperatura de água quente num copo de papel com parede dupla. Uma vez que o objetivo é o estudo dos mecanismos de transferência, o copo é alterado de maneira a afetar a transferência de energia térmica do interior para o exterior do copo.

1. Aprendizagem essencial “Identificar diversos processos de transferência de energia (condução, convecção e radiação) no dia a dia, justificando escolhas que promovam uma utilização racional da energia.”

Aprendizagem essencial do domínio Energia, subdomínio Fontes de energia e transferências de energia, da disciplina de Físico-Química do 3.° Ciclo do Ensino Básico

2. Copo Na atividade experimental é utilizado um copo de papel com parede dupla (duas paredes de papel separadas por uma camada de ar) e uma tampa de plástico. A tampa deverá ser furada no centro para que se possa introduzir o termómetro para a medição da temperatura da água.

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2020 Carla Isabel Ribeiro

3. Atividade experimental A atividade consiste em transferir um dado volume de água quente para um copo e medir a temperatura desta ao longo de 20 minutos. No sentido de se estudarem os mecanismos de transferência de energia são usados 4 copos cujas modificações se descrevem a seguir: - Copo Controlo. Um copo inalterado com a tampa.

- Copo Condução. Um copo com tampa, mas ao qual será removido a camada exterior de papel sendo o calor conduzido apenas através de uma parede até ao exterior, o que afetará o mecanismo de condução.

- Copo Convecção. Um copo sem tampa, permitindo o movimento ascendente do ar quente acima da água, o que afetará o mecanismo de convecção. Este copo apresenta, no entanto, limitações sendo a mais importante a perda de energia por perda de massa a temperatura elevada (evaporação), pois ao retirar a tampa o vapor de água também se escapa, mas esta é incontornável.

- Copo Radiação. Um copo revestido com papel de alumínio que irá refletir de volta para o copo a radiação infravermelha emitida pelas paredes, o que afetará o mecanismo da radiação.

Cada grupo poderá executar a atividade em dois copos (controlo e teste) ou cada grupo poderá testar só um dos copos e os dados serem analisados posteriormente em conjunto.

4. Material - 4 copos de parede dupla com tampa - papel de alumínio - 4 termómetros - 4 suportes universais com garra - 4 cronómetros

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5. Procedimento - Aquecer água à ebulição (sugere-se o uso de uma chaleira elétrica).

- Adicionar um determinado volume água. Este deverá ser idêntico em todos os copos.

- Colocar a tampa (exceto no Copo Convecção), introduzir o termómetro e prendê-lo com a garra de maneira a que este meça a temperatura no centro do líquido.

- Iniciar a medição do tempo quando a água atingir a temperatura de 85°C. - Medir a temperatura com intervalos de 1 minuto durante 20 minutos.

6. Resultados Os resultados podem ser registados em tabela própria e, posteriormente, construído o respetivo gráfico em papel quadriculado ou milimétrico.

Os resultados também podem ser introduzidos no ficheiro Excel disponibilizado, constituído por cinco folhas. As folhas “Condução”, “Convecção” e “Radiação” permitem registar os resultados da experiência quando cada grupo de alunos testa dois copos. Estes valores são compilados automaticamente na quarta folha, com o nome “Total”, em que os valores de temperatura do copo “Controlo” correspondem aos respetivos valores na folha “Condução”. A quinta folha, “Global”, permite registar os dados na situação em que cada grupo testa só um dos copos.

O ficheiro está configurado de forma a automaticamente criar o gráfico com os dados registados.

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7. Análise A análise do gráfico permite concluir qual o copo que mantém uma bebida quente durante mais tempo. De acordo com o gráfico é o copo com papel de alumínio.

A principal limitação da atividade, como já referido, prende-se com o facto de, no caso do copo sem a tampa, a transferência de calor dá-se não só devido à convecção de ar acima da superfície de água, mas também por evaporação da água, em que este poderá ser o processo dominante.

No copo com papel de alumínio existe uma camada extra de material no copo e, apesar do material metálico ser bom condutor de calor, este poderia ser o motivo pelo arrefecimento mais lento da água. No entanto, o efeito de reflexão da radiação infravermelha é dominante. Se se estudar um copo controlo e um copo com apenas uma camada de papel e papel de alumínio a envolver, o decréscimo de temperatura continua a ser mais lento neste último.

Poderá ser interessante debater com os alunos qual o melhor copo para servir bebidas quentes tendo em conta a quantidade de recursos consumida e os resíduos gerados pelo uso de cada um dos copos atendendo à sua natureza descartável.

Apesar das limitações, a atividade permite promover estratégias que impliquem, por parte do aluno: - comunicar resultados de atividades laboratoriais e de pesquisa, ou outras, oralmente e por escrito, usando vocabulário científico próprio da disciplina, recorrendo a diversos suportes; - participar em ações cívicas relacionadas com o papel central da Física e da Química no desenvolvimento tecnológico e suas consequências socioambientais. que estão incluídas nas ações estratégicas de ensino orientadas para o perfil dos alunos.

A análise da atividade também pode gerar um debate para compreender a construção de uma garrafa termo.

Aceite para publicação em 18 de fevereiro de 2021 Publicação sob Licença Creative Commons da Casa das Ciências 4

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