Atividade laboratorial

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🧲 Física · 10.º ano · Atividades Laboratoriais

AL 3.2 │ Capacidade térmica mássica

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💡 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

E_fornecida = E_útil + E_dissipada

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.

🧠 A física por trás, em 1 minuto

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.

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.

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.

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.

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 (%)

c_exp = 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.

6 · O erro percentual

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

Energia dissipada (%)

Erro % = %

✋ Prevê: para reduzir o erro devo…

menos perdas ⇒ resultado mais exato.

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

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.

2 · Calcula a energia fornecida

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

Qual é a energia E fornecida? J

E = 12 × 2,0 × 60 = 1440 J.

3 · Calcula a capacidade térmica

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

Qual é C (em J K⁻¹)? J K⁻¹

C = 14403,2 = 450 J K⁻¹.

4 · Calcula a capacidade térmica mássica

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

Qual é c (em J kg⁻¹ K⁻¹)? J kg⁻¹ K⁻¹

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

🧰 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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

🔄 Transferências de energia e balanço energético

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.

Energia dissipada

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

E_dissipada = E_fornecida − E_útil

Qual é a energia dissipada (em J)? J

1440 − 1400 = 40 J passaram para o ambiente.

Rendimento do aquecimento

η = E_útilE_fornecida × 100

Qual é o rendimento (em %)? %

η = 14001440 × 100 = 97,2 %.

🔌 Montar o circuito e o bloco

Amperímetro e voltímetro

Põe a resistência e o termómetro nos dois orifícios do bloco.
Liga a resistência à fonte, com o amperímetro em série e o voltímetro em paralelo.
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.

Termómetro

✋ Prevê: o termómetro deve ficar…

só assim mede a temperatura do bloco.

Isolamento

✋ Prevê: o isolante térmico serve para…

assim quase toda a energia fornecida aquece o bloco.

🌡️ Medir energia e temperatura ao longo do tempo

t (s)	E (kJ)	Δθ (°C)
60	1,44	3,2
120	2,88	6,4
180	4,32	9,6
240	5,76	12,7
300	7,20	15,9
360	8,64	19,0

Calcula a energia

De minuto a minuto, regista a temperatura θ e a energia acumulada E = U I Δt.
Calcula Δθ = θ − θ₀ em cada passo.
Faz pelo menos 6 passos.

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

E = U I Δt

Qual é E (em kJ)? kJ

E = 12 × 2,0 × 180 = 4320 J = 4,32 kJ.

t (s)	E (kJ)	Δθ (°C)
60	1,44	3,2
120	2,88	6,4
180	4,32	9,6
240	5,76	12,7
300	7,20	15,9
360	8,64	19,0

Calcula a variação de temperatura

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

Qual é Δθ (em °C)? °C

29,5 − 20,0 = 9,5 °C.

t (s)	E (kJ)	Δθ (°C)
60	1,44	3,2
120	2,88	6,4
180	4,32	9,6
240	5,76	12,7
300	7,20	15,9
360	8,64	19,0

Quantos passos?

No mínimo, quantos passos de aquecimento?

pelo menos 6 pontos para um bom ajuste.

📈 O gráfico Δθ(E) e a reta de ajuste

Calcula o declive

Marca os pontos (E; Δθ) e traça a reta de ajuste (calculadora).
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

Declive (em °C/kJ)? °C/kJ

19,0 − 3,28,64 − 1,44 = 2,19 °C/kJ.

Forma do gráfico

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

Δθ = E/C é diretamente proporcional a E.

O que dá o declive

✋ Prevê: o declive da reta Δθ(E) é…

Δθ = (1/C) E.

🧮 Da reta à capacidade térmica mássica e ao erro percentual

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).

Qual é C (em J K⁻¹)? J K⁻¹

C = 10002,19 = 456 J K⁻¹.

Capacidade térmica mássica

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

Qual é c (em J kg⁻¹ K⁻¹)? J kg⁻¹ K⁻¹

c = 4560,500 = 911 J kg⁻¹ K⁻¹.

Erro percentual

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

Qual é o erro percentual? %

|911 − 897|897 × 100 = 1,6 %.

⏻ Prever a evolução da temperatura e minimizar perdas

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.

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.

Minimizar perdas

✋ Prevê: para minimizar a dissipação deve-se…

o isolamento reduz as trocas de energia com o ambiente.

⚠️ Erros: de onde vêm e como reduzi-los

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.

Dissipação

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

desvia sempre no mesmo sentido.

Resolução do termómetro

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

limite do aparelho.

🧪

Agora és tu: o laboratório virtual

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

✅

Conclusão da atividade

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.

🧠 A física por trás, em 1 minuto

1 · A resistência aquece o bloco

2 · A temperatura sobe

3 · O gráfico Δθ(E)

4 · De C a c

5 · As perdas

6 · O erro percentual

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

1 · Liga a resistência

2 · Calcula a energia fornecida

3 · Calcula a capacidade térmica

4 · Calcula a capacidade térmica mássica

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

1 · Coloca a peça (1 de 8)

2 · Coloca a peça (2 de 8)

3 · Coloca a peça (3 de 8)

4 · Coloca a peça (4 de 8)

5 · Coloca a peça (5 de 8)

6 · Coloca a peça (6 de 8)

7 · Coloca a peça (7 de 8)

8 · Coloca a peça (8 de 8)

🔄 Transferências de energia e balanço energético

Que transferência acontece?

Energia dissipada

Rendimento do aquecimento

🔌 Montar o circuito e o bloco

Amperímetro e voltímetro

Termómetro

Isolamento

🌡️ Medir energia e temperatura ao longo do tempo

Calcula a energia

Calcula a variação de temperatura

Quantos passos?

📈 O gráfico Δθ(E) e a reta de ajuste

Calcula o declive

Forma do gráfico

O que dá o declive

🧮 Da reta à capacidade térmica mássica e ao erro percentual

Capacidade térmica

Capacidade térmica mássica

Erro percentual

⏻ Prever a evolução da temperatura e minimizar perdas

Depois de desligar

Efeito da dissipação em c

Minimizar perdas

⚠️ Erros: de onde vêm e como reduzi-los

Leitura do termómetro

Dissipação

Resolução do termómetro

Agora és tu: o laboratório virtual

Conclusão da atividade

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