Você realizou a prática da primeira lei da termodinamica. A professora forneceu folha de alumínio para colocar ao redor do calorimetro. Porque a professora forneceu a folha do metal? No experimento você utilizou uma tensão de 10 V e a corrente que circulou no sistema foi de 1 A durante 418 segundos. A massa de água mais a do calorímetro foi de 100 g e o calor específico deste sistema pode ser considerado como
temperatura inicial era
e a temperatura final foi de
. Calcule o equivalente elétrico do calor. Você acha este resultado plausível? Porque?NESTA QUESTÃO VOCÊ DEVERÁ CALCULAR MANUALMENTE OS VALORES.
Passo 1
Vou listar claramente o que o enunciado nos dá e o que pede (tudo que vem do enunciado está entre parênteses):
- Foi fornecida folha de alumínio para colocar ao redor do calorímetro (informação experimental).
- Tensão:
. - Corrente:
. - Tempo de aquecimento:
. - Massa da água mais do calorímetro:
. - Calor específico do sistema (água + calorímetro, tomado como):
. - Temperatura inicial:
. - Temperatura final:
.
O enunciado pede:
- Explicar por que a professora forneceu a folha de alumínio.
- Calcular o equivalente elétrico do calor (ou seja, quantos joules correspondem a 1 caloria, medido neste experimento).
- Dizer se o resultado é plausível e justificar.
Passo 2
Por que a folha de alumínio foi fornecida? Explicação didática, passo a passo e simples:
- O objetivo do experimento é transformar a energia elétrica fornecida no interior do calorímetro em aquecimento da água+calorímetro, medindo o aumento de temperatura. Para que a comparação entre energia elétrica fornecida e calor absorvido seja válida, é preciso minimizar trocas de energia com o ambiente.
- A folha de alumínio é utilizada para reduzir perdas de calor para o ambiente. Ela ajuda por dois mecanismos principais:
- Reduzir a radiação térmica: o alumínio polido tem baixa emissividade e alta refletividade, então ele reflete calor radiante de volta ao calorímetro.
- Reduzir convecção: cobrindo o calorímetro cria-se uma barreira que diminui o movimento de ar ao redor, reduzindo a troca convectiva.
- Importante: a folha melhora o isolamento mas não torna o sistema perfeitamente isolado — ainda haverá perdas por contatos, pelo suporte do termômetro, etc. O objetivo é aproximar um processo “adiabático” para que a maior parte da energia elétrica entregue fique dentro do sistema medido.
Passo 3
Formular as equações que vamos usar e explicar cada variável (aula rápida):
- Energia elétrica fornecida (trabalho elétrico convertido em energia):
onde
é a tensão em volts,
é a corrente em ampères e
é o tempo em segundos. Unidade:
(joule).
- Calor absorvido pelo sistema (em calorias):
onde
é a massa em gramas,
é o calor específico em
e
é a variação de temperatura em graus Celsius. Unidade: calorias (
).
- O equivalente elétrico do calor (experimental) é a relação:
que dá quantos joules correspondem a uma caloria no experimento.
Passo 4
Calcular a variação de temperatura
(mostrando como se faz):
Passo 5
Calcular o calor absorvido
em calorias, usando
,
e
:
Explicação: multiplicação direta — 100 gramas ficam 10 graus mais quentes, cada grama por grau precisa 1 caloria, logo
.
Passo 6
Calcular a energia elétrica fornecida
em joules, usando
,
,
:
Explicação: 10 vezes 1 é 10, vezes 418 dá 4180; a unidade é joule.
Passo 7
Calcular o equivalente elétrico do calor (divisão explícita e manual):
Explicação da divisão: 4180 dividido por 1000 = 4 + 180/1000 = 4{,}18.
Passo 8
Comparação com o valor aceito e plausibilidade:
- Valor aceito experimentalmente/sistema internacional:
. - Diferença absoluta:
. - Erro relativo (porcentagem):
Comentário: o resultado experimental
está muito próximo do valor aceito
— discrepância muito pequena, portanto o resultado é plenamente plausível.
Passo 9
Possíveis fontes de erro (por que pode haver pequena diferença) — importante para saber o que observar na prova:
- Perdas de calor para o ambiente (convecção, condução e ainda alguma radiação) não totalmente eliminadas pela folha de alumínio.
- Medida aproximada do calor específico do conjunto água+calorímetro: o enunciado já nos deu
, mas isso é uma aproximação; o próprio calorímetro tem capacidade térmica adicional. - Incertezas nas medidas elétricas (
, , ) e de temperatura (precisão do termômetro). - Nem toda energia elétrica pode ter sido convertida em calor útil dentro da massa medida (alguma pode aquecer fios, suportes, etc.).
- Mesmo com essas fontes de erro, o resultado ficou muito próximo do valor real, o que indica que o isolamento e as medições foram razoavelmente bons.
Passo 10
Resumo prático e incentivo: o procedimento correto é sempre calcular energia elétrica
, calor absorvido
e dividir para obter
. A folha de alumínio é uma medida simples e eficaz para reduzir perdas; em prova, explique isso e faça os cálculos como fiz aqui passo a passo. Tá indo bem — esse tipo de conta é bem cobrada e você já conseguiu chegar ao valor aceito com erro desprezível.
Resposta
Sim; é plausível — valor muito próximo do valor conhecido