Transferências de energia como calor: condutividade térmica · Actividades Laboratoriais de Física para o 10º e 11º anos do Ensino Secundário Transferências de energia como

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Actividades laboratoriais para os 10º e 11º anos do Ensino Secundário

Transferências de energia como calor: condutividade térmica

Trabalho realizado por: Cristiana Mendes Paula Costa Quitéria Santos

Formadores: Paulo Simeão Carvalho

Manuel Joaquim Marques

Julho de 2010



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1- Contextualização

1.1 Objectivo Partindo da notícia de uma revista, chegar à definição da condutividade térmica por via experimental. 1.2 Enquadramento no programa Esta actividade insere-se no 10º ano, na Unidade 1 – Do Sol ao aquecimento: Energia do Sol para a Terra. Os objectivos de aprendizagem referenciados no programa são:

¨ Distinguir os mecanismos de condução e convecção; ¨ Relacionar quantitativamente a condutividade térmica de um material com a

taxa temporal de transmissão de energia como calor; ¨ Distinguir materiais bons e maus condutores do calor com base em valores

tabelados de condutividade térmica. 1.3 Concepções alternativas

¨ Um corpo frio não tem energia; ¨ Os agasalhos fornecem-nos calor; ¨ O frio pode propagar-se; ¨ Calor e temperatura são a mesma coisa; ¨ O calor e o frio flúem como líquidos; ¨ A pele é um bom termómetro; ¨ O infravermelho é a única radiação que provoca o aquecimento dos corpos.

1.4 Pré-requisitos

¨ Emissão e absorção de radiação; ¨ Lei de Stefan – Boltzmann; ¨ Sistema termodinâmico; ¨ Equilíbrio térmico; ¨ Lei Zero da Termodinâmica; ¨ Mecanismos de transferência de calor: condução e convecção.



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Conteúdos abordados Estratégia de sala de aula Competências Recursos

Radiação

Convecção Condução

Apresentar a notícia ”Janelas de poupança - à altura do seu conforto”. Questionar os alunos: Numa janela, quais são os mecanismos envolvidos nas transferências de energia? Os alunos devem concluir que os principais mecanismos são: -Radiação, que incide no material, nomeadamente a radiação solar, e a radiação que os próprios materiais que constituem a janela emitem. -Calor: condução, no caso do vidro e da caixilharia, e convecção, no ar que envolve a janela. Salientar que apesar de os três processos ocorrerem em simultâneo, podemos estudar cada um dos fenómenos individualmente. No caso do vidro e da caixilharia, o fenómeno mais relevante será a condução. Da interpretação dos gráficos, verificar que diferentes materiais apresentam diferentes valores de energia consumida. Questionar os alunos: Como poderemos verificar se o material influencia a taxa de transferência de energia? Realizar uma experiência para analisar o fenómeno de condução em diferentes materiais – Actividade prática I.

¨ Comunicar utilizando

linguagem científica ¨ Relacionar conceitos ¨ Interpretar gráficos de

barras

Computador

Projector Noticia: ”Janelas de poupança - à altura do seu conforto”.

Actividade prática I



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Mudança de estado físico Calor

Condução

Energia Cinética Temperatura

Discutir com os alunos no decorrer da experiência, as seguintes questões: ¨ Como se explica a fusão da cera na extremidade da barra de metal? Sintetizar as respostas dos alunos e concluir que, devido à diferença de temperatura entre as diferentes regiões da placa metálica, e energia é transferida como calor desde a extremidade que se encontra a maior temperatura para a extremidade a menor temperatura. ¨ Como se explica esta transferência de energia a nível microscópico?

Apresentar uma simulação computacional para relacionar a temperatura média de um corpo com a energia cinética média de translação das suas partículas. Concluir que a temperatura média do corpo é proporcional à energia cinética média de translação das suas partículas Explicar que, se as extremidades da placa de metal estão a temperaturas diferentes, então os átomos têm maior energia cinética média onde a temperatura é maior. Quando ocorrem colisões, as partículas com maior energia cinética transferem energia para as partículas com menor energia. Assim, a energia é transferida de zonas a temperaturas mais elevadas para zonas a temperaturas menores, através do movimento desordenado das moléculas, átomos e electrões. No final da experiência, os alunos devem ser capazes de referir que o tempo necessário para que ocorra a transferência de energia através de toda a barra de metal será muito maior no caso do cobre.

¨ Relacionar conceitos ¨ Interpretar uma

simulação ¨ Desenvolver

capacidades de observação e análise

Simulação – Temperatura e Energia cinética



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Condutores e

isoladores de calor

Solicitar aos alunos exemplos de outros materiais utilizados no dia-a-dia que são bons e maus condutores de energia como calor. Será que apenas o tipo de material de que é feita a caixilharia influencia a taxa de energia transferida? Quais os factores que poderão influenciar a transferência de energia através das janelas? Da experiência anterior, os alunos devem concluir que: - quanto maior for a espessura da parede do metal, ∆x, menor a quantidade energia transferida em cada unidade de tempo,

Realizar uma experiência com barras metálicas de um mesmo material, mas de diferente área de secção recta – Actividade prática II. Os alunos devem concluir que quanto maior a área da secção recta do tubo, A, maior será a quantidade energia transferida em cada unidade de tempo,

¨ Compreender e

relacionar conceitos

Actividade prática II



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Condutividade térmica

Questionar os alunos: Por que razão na Guarda se transfere mais energia, por unidade de tempo, do que no Porto? Os alunos devem concluir que a quantidade de energia transferida em cada unidade de tempo é tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura,

Concluir que quando termos corpos de materiais diferentes, com a mesma área de secção recta, a mesma espessura e sujeitos à mesma diferença de temperatura entre as suas extremidades, não temos a mesma quantidade de energia a ser transferida por unidade de tempo e isso deve-se ao facto de existir uma característica intrínseca a cada material, a condutividade térmica, k.

Fazer a análise dimensional da expressão de forma a determinar as unidades e a definição da condutividade térmica: Unidade do Sistema Internacional – W m-1 K-1

Definição – quantidade de energia como calor que atravessa, em cada 1 segundo, a espessura de 1 m entre duas superfícies paralelas de área igual a 1 m2, quando a diferença de temperatura entre elas é de 1 K.

¨ Interpretar o

significado de grandezas físicas

¨ Interpretar o

significado de uma expressão matemática

Computador

Projector Noticia: ”Janelas de poupança - à altura do seu conforto”.

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Anexo I

Janelas de poupança à altura do seu conforto Torne a sua casa mais eficiente ao nível energético com as melhores dicas da Proteste. Mudar as janelas compensa em conforto e respeita o ambiente.

Salve mais de 50 euros do desperdício

Se os habitantes das regiões frias trocarem vidro simples e caixilho de alumínio sem corte térmico por PVC com vidro duplo, ao fim de 11 anos, ficam com o investimento pago. Poupam em electricidade € 51 por ano. Em zonas amenas, a decisão depende sobretudo do conforto. Ao substituir, economiza até 24 euros.


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Anexo 2

Actividade Prática I Objectivo: Analisar o fenómeno de condução em diferentes materiais. Analisar a influência da espessura das barras no fluxo de energia.

Material:

Tina de metal com quatro tubos de diferentes materiais;

Água a uma temperatura próxima dos 100 ºC;

Cera.

Realização da actividade:

Colocar gotas de cera nas diferentes barras metálicas como demonstra na imagem 1;

Imagem 1

Posteriormente adicionar água a uma temperatura próxima dos 100 ºC, até submergir uma das extremidades das barras;

Observar o que acontece à cera em cada uma das barras.


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Análise dos resultados:

Verificou-se que a cera fundiu mais rapidamente na barra de cobre, o que nos permite concluir que este é o melhor condutor térmico.

No que diz respeito à influência da espessura da barra no fluxo de energia, concluiu-se que quanto maior a espessura, maior é a quantidade de energia necessária para a fusão da cera.


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Anexo 3

Actividade Prática II Objectivo: Analisar a influência da área da secção recta no fluxo de energia.

Material:

Dois calorímetros;

Dois sensores de temperatura;

Interface;

Computador;

Duas barras metálicas de dimensões iguais;

Água a aproximadamente 80 ºC;

Água à temperatura ambiente;

Suporte universal;

Garras;

Nozes.

Realização da actividade:

Fazer as montagens experimentais, como ilustram as imagens seguintes, para verificar a influência da área da barra no fluxo de energia por condução.

Imagem 2

Imagem 3


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Resultados obtidos:

Variação de temperatura na barra de área 2A

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Tempo (s)

Tem

pera

ruta

(ºC

)

Termómetro 1Termómetro 2

Variação da temperatura na barra de área A

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Tempo (s)

Tem

pera

tura

(ºC

) Termómetro 1Termómetro 2

Análise dos resultados:

Da análise dos gráficos verifica-se que no caso da barra de secção recta A, o intervalo de tempo necessário para atingir o equilibro térmico, entre os dois calorímetros, foi muito superior ao intervalo de tempo necessário na barra de secção recta 2A.

Uma vez que os calorímetros não se encontravam isolados, verificou-se uma grande transferência de energia por convecção para o exterior. No sentido de verificar a influência da convecção nos resultados experimentais, procedeu-se à análise da variação da temperatura da água, ao longo do tempo em ambos os calorímetros, na ausência da barra, como descrito na imagem seguinte.


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Imagem 4

Os valores obtidos permitem concluir que a transferência de energia por convecção é muito significativa, especialmente no calorímetro que se encontra a uma temperatura superior. No entanto, verifica-se também uma considerável influência do fenómeno de condução ao longo da barra metálica que se reflecte numa variação maior da temperatura da água dos calorímetros.


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Anexo 4

Um desafio final…

Quando a água submerge apenas a ponta das barras, a água em que está mergulhada a barra de cobre entra em ebulição num menor intervalo de tempo.

Quando temos quase a totalidade das barras submergidas, neste caso o volume de água que entra em ebulição num menor intervalo de tempo é aquele que contém a barra de alumínio.

Porquê?

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