Determinação da Capacidade Térmica Mássica de um material Aceite para publicação em 30 de junho de 2020
Publicado debaixo de uma licença Creative Commons by-sa da Casa das Ciências
Roteiro de exploração da Atividade Experimental Virtual Esta Atividade Experimental Virtual (AEV) possibilita estudar a evolução da temperatura de um bloco de material desconhecido, potencialmente extraterrestre, inserido no interior de um forno termicamente isolado quando este é aquecido com uma resistência de potência variável. Os resultados experimentais a retirar da simulação permitem compreender o processo de transferência de energia para o bloco como calor, relacionar a variação de temperatura do bloco com a sua massa e finalmente, determinar a capacidade térmica mássica do material.
Descrição Um bloco de material extraterrestre (a azul, na animação) foi levado para um laboratório científico e sujeito a alguns testes físicos. Num desses testes, o bloco (ou parte deste) foi colocado dentro de um forno termicamente isolado, o qual foi aquecido, por precaução, durante apenas 300 segundos (5 minutos) para evitar danificar o material. A resistência de aquecimento do forno pode ser regulada para a potência de 400 W (baixa potência) ou de 800 W (alta potência). Admite-se que o bloco se mantém em equilíbrio térmico com o forno e que a capacidade térmica da parede interior do forno é desprezável. O tempo é dado em segundos e a temperatura em graus Celsius.
Exploração 1. Usando a mesma massa do bloco, compara a temperatura final do bloco no mesmo intervalo de tempo (300 segundos), usando para aquecimento inicialmente o forno com a resistência de baixa potência (400 W) e, depois, o forno com a resistência de alta potência (800 W). Justifica o resultado.
Determinação da Capacidade Térmica Mássica de um material Tiago Ferreira, Paulo Simeão Carvalho 2. Usando apenas uma das potências do forno, prevê o que acontece à variação de temperatura do bloco, no mesmo intervalo de tempo (300 segundos), quando a massa do bloco é alterada. Regista os valores da temperatura do bloco em função do tempo para os dois casos e representa-os num gráfico. Compara os resultados obtidos com a tua previsão e procura dar uma explicação para o ocorrido. 3. A partir dos resultados obtidos neste estudo, determina o valor da capacidade térmica mássica do material de que é feito o bloco. Compara o valor obtido com uma tabela de valores conhecidos e conclui se este material poderá ser mesmo de origem extraterrestre.
Ajuda Nesta simulação existe um forno aquecido por uma resistência elétrica que funciona com dois níveis de potência: 400 W e 800 W. A potência do forno tem que ser escolhida no início da animação. A massa do bloco desconhecido (supostamente extraterrestre) que se encontra no interior do forno também pode ser modificada. O menor valor de massa que se pode usar é 1 kg e o máximo é de 3 kg. Um cronómetro digital contabiliza o tempo decorrido durante o funcionamento do forno. Admite-se que toda a energia libertada pelo forno é usada para aquecer o bloco, estando assim em equilíbrio térmico com este. Um termómetro digital é posto em contacto com o bloco e regista a sua temperatura. Do lado esquerdo da animação vê-se uma ampliação do termómetro. Podes usar os comandos na parte inferior da animação, para parar o cronómetro e registar o valor da temperatura do termómetro. Como em qualquer medição experimental, é criada propositadamente uma pequena flutuação na medição da temperatura, pelo que o termómetro não mede exatamente os mesmos valores em diferentes ensaios experimentais.
Roteiro de exploração da simulação da autoria de: Tiago Ferreira, Paulo Simeão Carvalho Departamento de Física e Astronomia, IFIMUP, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal