Atividade laboratorial

💡 A pergunta desta atividade

Porque é que uma colher de metal aquece tão depressa e a água tão devagar? Vais medir quanta energia é preciso para aquecer um bloco de metal e descobrir a sua capacidade térmica mássica, passo a passo, como num laboratório a sério. Carrega em ⛶ Ecrã inteiro para projetares cada quadro.

📐 Formulário (só as fórmulas das metas) — clica para abrir
Energia fornecida (efeito Joule)
E = P Δt = U I Δt
U em V, I em A, Δt em s
Capacidade térmica
C = EΔθ
em J K⁻¹ (ou J °C⁻¹)
Capacidade térmica mássica
c = Cm
em J kg⁻¹ K⁻¹
Reta de ajuste Δθ(E)
Δθ = 1C E ⇒ C = 1declive
o inverso do declive dá C
Balanço energético
Efornecida = Eútil + Edissipada
útil: aquece o bloco
Erro percentual
Erro % = |valor exp. − valor ref.|valor ref. × 100
ref. = valor tabelado

🎯 No fim deves saber

  • identificar as transferências de energia e estabelecer balanços energéticos (energia útil e dissipada);
  • medir temperaturas e energias fornecidas ao longo do tempo num aquecimento;
  • construir o gráfico Δθ(E), traçar a reta de ajuste e obter a sua equação;
  • determinar a capacidade térmica mássica a partir do inverso do declive e avaliar a exatidão pelo erro percentual.
0

🧠 A física por trás, em 1 minuto

blocoW
1 · A resistência aquece o bloco

Uma resistência percorrida por corrente transforma energia elétrica em energia térmica (efeito Joule) e fornece a potência P = U I = U²/R.

Tensão U (V)
P = U²R = W (R = 6 Ω)

✋ Prevê: a resistência transforma energia elétrica em…

efeito Joule.
kJ
2 · A temperatura sobe

A energia fornecida é E = P Δt e o aumento de temperatura é Δθ = Em c (sem perdas).

Tempo Δt (s)
Massa m (kg)
E = J · Δθ = °C

✋ Prevê: com o dobro da massa (mesma energia), Δθ…

Δθ = E/(m c): inversamente proporcional a m.
E (kJ)Δθ (°C)
3 · O gráfico Δθ(E)

Δθ é diretamente proporcional a E: reta pela origem de declive 1/C, com C = m c.

Massa m (kg)
declive = 1C = °C/kJ

✋ Prevê: o declive da reta Δθ(E) é…

Δθ = (1/C) E.
c
4 · De C a c

A capacidade térmica é C = EΔθ = 1declive e a capacidade térmica mássica é c = Cm.

Material: c (J kg⁻¹ K⁻¹)
Massa m (kg)
C = m c = J K⁻¹
c = Cm = J kg⁻¹ K⁻¹

✋ Prevê: a capacidade térmica mássica c é…

c = C/m caracteriza o material.
perdas
5 · As perdas

Se parte da energia se perde para o ambiente, o bloco aquece menos: Δθ medido é menor e c calculado sai maior.

Energia dissipada (%)
cexp = c1 − p = J kg⁻¹ K⁻¹ (real: )

✋ Prevê: com dissipação de energia, o valor de c obtido fica…

Δθ menor ⇒ c = E/(m Δθ) maior.
c realc exp.a dissipação faz c(exp) sair maior
6 · O erro percentual

O erro percentual avalia a exatidão: Erro % = |cexp − cref|cref × 100. Isola o bloco para o reduzir.

Energia dissipada (%)
Erro % = %

✋ Prevê: para reduzir o erro devo…

menos perdas ⇒ resultado mais exato.
1

🎯 O que vamos fazer — fá-lo tu, passo a passo

blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento500,0 g
1 · Liga a resistência

Vais fazer a medição tu mesmo. Um bloco de alumínio de 500 g, com isolamento, é aquecido por uma resistência alimentada a U = 12 V (I = 2,0 A) durante 60 s.

blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento500,0 gΔθ = 3,2 °CU = 12 VI = 2,0 A · 60 s
2 · Calcula a energia fornecida

E = U I Δt, com U = 12 V, I = 2,0 A e Δt = 60 s.

J
E = 12 × 2,0 × 60 = 1440 J.
blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento500,0 gΔθ = 3,2 °CU = 12 VI = 2,0 A · 60 s
3 · Calcula a capacidade térmica

C = EΔθ, com E = 1440 J e Δθ = 3,2 °C.

J K⁻¹
C = 14403,2 = 450 J K⁻¹.
blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento500,0 gΔθ = 3,2 °CU = 12 VI = 2,0 A · 60 s
4 · Calcula a capacidade térmica mássica

c = Cm, com m = 0,500 kg.

J kg⁻¹ K⁻¹
c = 4500,500 = 900 J kg⁻¹ K⁻¹ (valor tabelado: 897).
2

🧰 O material: monta tu, peça a peça (e fica a saber para que serve)

?
1 · Coloca a peça (1 de 8)

Precisas do material cuja capacidade térmica mássica queres determinar. Arrasta (ou toca em) a peça certa para a zona a piscar.

🧱 Bloco calorimétrico🧲 Íman💡 Lâmpada
Bloco calorimétrico (cilindro com dois orifícios): um para a resistência e outro para o termómetro. Compara-se o mesmo procedimento com blocos de materiais diferentes.
blocoAl?
2 · Coloca a peça (2 de 8)

Como fornecer energia ao bloco de forma controlada (efeito Joule)?

🧲 Íman🪝 Dinamómetro🔥 Resistência de aquecimento
Resistência de aquecimento: transforma energia elétrica em energia térmica (efeito Joule): E = U I Δt.
blocoAlresist.?
3 · Coloca a peça (3 de 8)

Para registar a temperatura do bloco ao longo do tempo usas…

🧲 Íman🌡️ Termómetro💡 Lâmpada
Termómetro (ou sensor de temperatura) no outro orifício: regista a temperatura do bloco ao longo do tempo.
blocoAlresist.?
4 · Coloca a peça (4 de 8)

A resistência precisa de ser alimentada por…

🔌 Fonte de alimentação🪝 Dinamómetro🧲 Íman
Fonte de alimentação: fornece a tensão U que, com a corrente I, determina a potência P = U I.
blocoAlresist.fonte12 V?
5 · Coloca a peça (5 de 8)

Para a energia fornecida precisas da corrente: que aparelho, ligado em série?

🧲 Íman💡 Lâmpada🅰️ Amperímetro
Amperímetro: mede I (em série com a resistência).
blocoAlresist.fonte12 VA?
6 · Coloca a peça (6 de 8)

E da diferença de potencial na resistência (ligado em paralelo)?

🪝 Dinamómetro📟 Voltímetro💡 Lâmpada
Voltímetro: mede U (em paralelo com a resistência). Com U e I calculas a energia fornecida.
blocoAlresist.fonte12 VAV?
7 · Coloca a peça (7 de 8)

Para reduzir as perdas de energia para o ambiente envolves o bloco com…

🧊 Isolante térmico🧲 Íman🪝 Dinamómetro
Isolante térmico: reduz a dissipação de energia para o ambiente, para que (quase) toda a energia fornecida aqueça o bloco.
blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento?
8 · Coloca a peça (8 de 8)

Falta a massa do bloco. Que instrumento usas?

💡 Lâmpada🧲 Íman⚖️ Balança
Balança: mede a massa m do bloco, necessária para c = C/m.
3

🔄 Transferências de energia e balanço energético

energiaelétricablocoperdasenergia útil → ↑ θ
Que transferência acontece?

A resistência transforma energia elétrica em energia térmica (efeito Joule) e transfere-a para o bloco. Parte aquece o bloco (energia útil) e parte perde-se para o ambiente (energia dissipada).

✋ Prevê: a resistência transfere energia para o bloco sob a forma de…

a energia elétrica é transformada em energia térmica na resistência e transferida para o bloco.
energiaelétricablocoperdasenergia útil → ↑ θ
Energia dissipada

A resistência forneceu E = 1440 J e o bloco ganhou, de facto, 1400 J.

Edissipada = Efornecida − Eútil

J
1440 − 1400 = 40 J passaram para o ambiente.
energiaelétricablocoperdasenergia útil → ↑ θ
Rendimento do aquecimento

η = EútilEfornecida × 100

%
η = 14001440 × 100 = 97,2 %.
4

🔌 Montar o circuito e o bloco

blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento500,0 g
Amperímetro e voltímetro
  1. Põe a resistência e o termómetro nos dois orifícios do bloco.
  2. Liga a resistência à fonte, com o amperímetro em série e o voltímetro em paralelo.
  3. Envolve o bloco com isolante térmico e mede a sua massa.
💡 Antes de ligar, anota a temperatura inicial θ0 do bloco.

✋ Prevê: para determinar a energia fornecida liga-se…

I atravessa o amperímetro; U mede-se entre os terminais da resistência.
blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento500,0 g
Termómetro

✋ Prevê: o termómetro deve ficar…

só assim mede a temperatura do bloco.
blocoAlresist.fonte12 VAVisolamento500,0 g
Isolamento

✋ Prevê: o isolante térmico serve para…

assim quase toda a energia fornecida aquece o bloco.
5

🌡️ Medir energia e temperatura ao longo do tempo

t (s)E (kJ)Δθ (°C)
601,443,2
1202,886,4
1804,329,6
2405,7612,7
3007,2015,9
3608,6419,0
Calcula a energia
  1. De minuto a minuto, regista a temperatura θ e a energia acumulada E = U I Δt.
  2. Calcula Δθ = θ − θ0 em cada passo.
  3. Faz pelo menos 6 passos.

Com U = 12 V, I = 2,0 A e Δt = 180 s (3 minutos):

E = U I Δt

kJ
E = 12 × 2,0 × 180 = 4320 J = 4,32 kJ.
t (s)E (kJ)Δθ (°C)
601,443,2
1202,886,4
1804,329,6
2405,7612,7
3007,2015,9
3608,6419,0
Calcula a variação de temperatura

Δθ = θ − θ0. O termómetro marca 29,5 °C e a temperatura inicial era 20,0 °C.

°C
29,5 − 20,0 = 9,5 °C.
t (s)E (kJ)Δθ (°C)
601,443,2
1202,886,4
1804,329,6
2405,7612,7
3007,2015,9
3608,6419,0
Quantos passos?
pelo menos 6 pontos para um bom ajuste.
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📈 O gráfico Δθ(E) e a reta de ajuste

246851015E (kJ)Δθ (°C)declive = 1/C
Calcula o declive
  1. Marca os pontos (E; Δθ) e traça a reta de ajuste (calculadora).
  2. O declive é 1/C: o inverso do declive dá a capacidade térmica C.

Dois pontos da reta: (1,44 kJ; 3,2 °C) e (8,64 kJ; 19,0 °C).

declive = Δθ2 − Δθ1E2 − E1

°C/kJ
19,0 − 3,28,64 − 1,44 = 2,19 °C/kJ.
246851015E (kJ)Δθ (°C)declive = 1/C
Forma do gráfico

✋ Prevê: o gráfico Δθ(E) (sem perdas) é…

Δθ = E/C é diretamente proporcional a E.
246851015E (kJ)Δθ (°C)declive = 1/C
O que dá o declive

✋ Prevê: o declive da reta Δθ(E) é…

Δθ = (1/C) E.
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🧮 Da reta à capacidade térmica mássica e ao erro percentual

246851015E (kJ)Δθ (°C)declive = 1/C
Capacidade térmica

Se Δθ = 1C E, então C = 1declive e c = Cm. Compara com o valor tabelado: o erro percentual avalia a exatidão.

C = 1declive (1 °C/kJ = 10⁻³ K J⁻¹).

J K⁻¹
C = 10002,19 = 456 J K⁻¹.
246851015E (kJ)Δθ (°C)declive = 1/C
Capacidade térmica mássica

c = Cm, com m = 0,500 kg.

J kg⁻¹ K⁻¹
c = 4560,500 = 911 J kg⁻¹ K⁻¹.
246851015E (kJ)Δθ (°C)declive = 1/C
Erro percentual

Erro % = |valor exp. − valor ref.|valor ref. × 100, com valor de referência 897 J kg⁻¹ K⁻¹.

%
|911 − 897|897 × 100 = 1,6 %.
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⏻ Prever a evolução da temperatura e minimizar perdas

desligatempo →θ
Depois de desligar

Com a resistência ligada, θ sobe. Ao desligar, o bloco ainda recebe energia da resistência quente: sobe um pouco e depois desce por dissipação. Para minimizar a dissipação usa-se isolante e fecha-se o bloco.

✋ Prevê: logo depois de desligar a resistência, a temperatura do bloco…

a resistência continua quente e cede energia ao bloco; depois a dissipação faz θ descer.
desligatempo →θ
Efeito da dissipação em c

✋ Prevê: se houver muita dissipação de energia, o valor de c obtido fica…

parte de E não aquece o bloco: Δθ é menor e c = E/(m Δθ) sai maior.
desligatempo →θ
Minimizar perdas

✋ Prevê: para minimizar a dissipação deve-se…

o isolamento reduz as trocas de energia com o ambiente.
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⚠️ Erros: de onde vêm e como reduzi-los

aleatóriosespalhadossistemáticostodos desviadosinstrumentaislimite do aparelho
Leitura do termómetro
🎲 AleatóriosLeitura do termómetro, instante da leitura. Reduzem-se: repetir e ler sempre do mesmo modo.
📏 SistemáticosDissipação de energia (c sai maior), mau contacto térmico, termómetro mal colocado. Reduzem-se: isolar, pasta térmica.
🔧 InstrumentaisResolução do termómetro, da balança e dos aparelhos elétricos. Reduzem-se: instrumentos mais finos.

✋ Prevê: a leitura da temperatura varia ao acaso entre ±0,1 °C. É um erro…

reduz-se repetindo as leituras.
aleatóriosespalhadossistemáticostodos desviadosinstrumentaislimite do aparelho
Dissipação

✋ Prevê: a dissipação de energia faz o valor de c sair sempre maior. É um erro…

desvia sempre no mesmo sentido.
aleatóriosespalhadossistemáticostodos desviadosinstrumentaislimite do aparelho
Resolução do termómetro

✋ Prevê: o termómetro só aprecia 0,1 °C. É um erro…

limite do aparelho.
🧪

Agora és tu: o laboratório virtual

  1. Escolhe o material, a massa e liga o isolamento.
  2. Carrega em ▶ Aquecer 60 s ≥ 6 vezes: vê E e θ na tabela.
  3. Lê o declive de Δθ(E): C = 1/declive e c = C/m; compara com o valor tabelado.
  4. Repete sem isolamento e com outro metal. Cumpre as missões 🏅.
✅

Conclusão da atividade

E = U I ΔtΔθ = E / C (declive = 1/C)c = C / msem isolamento, c sai maior (dissipação)
  • A energia fornecida pela resistência é E = U I Δt; parte aquece o bloco (útil) e parte é dissipada.
  • O gráfico Δθ(E) é uma reta de declive 1/C; c = C/m.
  • O erro percentual mede a exatidão; a dissipação faz c sair maior, por isso se usa isolamento.

✔Verifica o que aprendeste

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