Title: INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS FÍSICAS
Author: Marta Barroso
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Company: Instituto de Fisica - UFRJ

CEDERJ - 2000 - INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS FÍSICAS
Aula1 1NTRODUÇÃO

Prática 1

Esta prática tem como objetivo desenvolver os conceitos elementares de calor, temperatura e equilíbrio térmico, através da observação de sistemas simples que permitem compreender a Lei Zero da Termodinâmica. Ela é composta dos seguintes experimentos:
Experimento 1 -Temperatura medida pelo termômetro e temperatura sensível,  detectada por nossos sentidos.
Experimento 2 -Lei Zero (misturas).
Experimento 3 -Equilíbrio térmico:  materiais isolantes e condutores, paredes diatérmicas e adiatérmicas.
Este material é barato e de fácil aquisição. A caixa “Experimentos Caseiro”, disponível para aquisição pelo aluno (como material didático do CEDERJ) contém quase todo o material necessário. Alguns dos materias materiais podem ser encontrados na cozinha.

Materiais da Prática 1 

•	caixa de isopor de aproximadamente 20cm x 20cm x 30cm  
•	2  termômetros de álcool (-10 oC –110‑o‑C)
•	copos de isopor
•	copos de vidro
•	3  recipientes (panelas, vazias ) que permitam que você introduz a mão
•	aquecedor (forno ou qualquer outro que você disponha)
•	copos de metal
•	medidor de volume de líquidos (mamadeira graduada em cm3)
•	peças de corpos sólidos de massas iguais ( ≅10%): cilindros ou bilhas de metal, bolas de gude, pedaço de plástico, etc.
•	fonte térmica (aquecedor ou fogão com a chave numa posição fixa)
•	medidor de volume  da água (mamadeira graduada)
•	recipiente para aquecer água
•	relógio com medidor de segundos

Faça suas observações cuidadosamente e antes de fazer as medidas familiarize-se com os instrumentos, sua calibração e as unidades em que estão graduados. Defina até que valor da medida pode fazer leituras com um dado instrumento: a menor divisão, a metade da menor divisão? ILUSTRAR COM DUAS ESCALAS
Monte a experiência e aprenda a fazer as observações e medidas antes de fazer  o registro definitivo. Estes procedimentos podem tomar tempo de início, mas  sua atenção e  cuidado na realização dos experimentos simples  facilitaram seu trabalho e compreensão quando trabalhe com equipamentos e  sistemas mais complexos.

Precauções importantes 

Cuidado!!!

	Nesta experiência você trabalhará com fontes de calor, materiais aquecidos, materiais frágeis e/ou quebráveis, etc. Tenha sempre panos para pegar nos recipientes, pinças para retirar corpos quentes de um banho em ebulição, uma panela com água para apagar possíveis ‘incêndios”. Trabalhe num espaço livre de outras interferências e que não tenha materiais inflamáveis por perto.
Caso trabalhe com termômetro de mercúrio (Hg) é bom que você saiba que não deve tocar em mercúrio  que é tóxico. Caso quebre um termômetro deverá utilizar procedimentos especiais e recolher o líquido espalhado, que devido às suas propriedades de alta tensão superficial, oferece dificuldades para ser recolhido. Cubra a superfície que você limpou com  pó de enxofre (S),  que ao combinar quimicamente com o Hg forma sulfeto de Hg, que é  uma substância atóxica. 
Desculpe a exigência mas e sempre melhor se precaver do que se acidentar.
 
Experimento 1 
Temperatura sensível e temperatura medida pelo termômetro  

Objetivos

•	
Confundindo temperatura com calor

Chamar a atenção (do experimentador) sobre às limitações dos sentidos para fazer observações controladas e confiáveis sobre um sistema físico (temperatura sensível).
•	Introduzir a leitura de uma escala termométrica centesimal.  
•	Comparar a observação subjetiva (sentido do tato) com a observação feita com um instrumento calibrado

Material Utilizado
•	três recipientes iguais quaisquer nos quais pode colocar as duas mãos; 
•	água e gelo; 
•	aquecedor;  
•	termômetro com graduação em 0,10C; 
•	suas mãos

                                           
                           A. Frio                                                                
                             A  Frio              B. Ambiente        C. Quente
Figura 1

Atividade experimental

1. Coloque quantidades iguais de água  nos três recipientes A, B e C (Figura 1).
A: mais frio, coloque pedras de gelo
B: diretamente da bica (ambiente)
C: aqueça até um ponto que você agüente colocar a mão

2. Introduza  ao mesmo tempo e deixe estar por alguns segundos, um mão em A e  a outra em C, deixe estar por alguns segundos. Retire as mãos rapidamente e coloque-as em B. Registre a sensação da temperatura de B em relação a cada uma das mãos.
Sensação da temperatura  B(relação A) ____________________________________
Sensação da temperatura  B(relação C) ____________________________________

3. Utilizando o mesmo  termômetro meça e registre as temperaturas de A, B e C.
T_A =         ^o C
T_B  =         ^o C  
T_C  =         ^o C

4.	Compare as observações feitas no item 2 com as temperaturas medidas no item 3  e responda:

Perguntas

1.	Qual das suas observações é consistente com o conceito de equilíbrio térmico: item 2 ou 3 
2.	Explique os resultados obtidos no item  2.
3.	Qual é  a temperatura do recipiente B ? 
4.	Porque é importante fazer as medidas da temperatura em B com o mesmo termômetro?

 Experimento 2
 A temperatura de equilíbrio de uma mistura
a)	
Equilíbrio térmico

Mistura de  massas iguais de água a temperaturas iniciais diferentes;
b)	Mistura de massas diferentes de água a temperaturas iniciais diferentes.

Objetivos

•	Relacionar as grandezas relevantes que determinam a temperatura de equilíbrio quando ha troca de calor num sistema
•	Desenvolver a noção de capacidade calorífica

Materiais utilizados

•	2 copos de  isopor;  
•	fonte térmica; 
•	termômetros;
•	medidor de volume; 
•	gelo.
 
Atividade experimental 

a)	Mistura de  massas de água iguais a temperaturas iniciais diferentes

1. Coloque em dois recipientes isolados termicamente (copos de isopor) volumes iguais de água, V_1 e V_2 (aproximadamente 50 cm^3) a temperaturas iniciais  diferentes 
T_1inicial e T_2inicial . Registre a massa de água em gramas. (voc6e sabendo que  a densidade da água pura (D = m/V) é igual a 1 g/cm^3 ).
                                        M_1 _= _____________   e M_2= ___________  
2. Misture os líquidos. 
3. Levando em consideração as massas de água e as temperaturas iniciais faça a previsão da temperatura de equilíbrio T_f da mistura (sistema) e justifique  o método (como você fez)  que você utilizou para fazer a previsão da temperatura da mistura.
Previsão da  T_final = __________  ^0C
4. Faça agora a leitura ca temperatura final da mistura com o termômetro
T_f  __________.

5.	Compare os valores da temperatura prevista com a temperatura de equilíbrio medida.
6.	Caso os volumes de água fossem dobrados e as temperaturas iniciais fossem as  mesmas faça a previsão da temperatura de equilíbrio.  E se os volumes fossem triplicados?

b)	Mistura de massas de água diferentes a temperaturas iniciais diferentes.

Repita o procedimento  acima utilizando volumes diferentes de água a temperaturas iniciais diferentes. Pode iniciar esta experiência utilizando V_1 = 50cm^3 a T_1inicial = temperatura ambiente e V_2= 100cm^3 a T_2inicial= 100^0C.

 
Experimento 3: 
Isolantes e condutores térmicos, paredes diatérmicas e adiatérmicas.
Informação preliminar 

As fronteiras de um sistema podem ser classificadas de acordo com a sua capacidade de permitir o fluxo de calor da seguinte forma:
•	Diatérmica:  são as fronteiras que permitem o fluxo de calor. Exemplo, materiais condutores como metais.
•	Adiatérmica ou  adiabática são as fronteiras que não permitem o fluxo de calor.  Exemplo, materiais isolantes, como madeira, fibra de vidro, cerâmica, ar, etc. As garrafas térmicas também mantêm a temperatura dos líquidos contidos no seu interior por um certo número de horas.
			
Objetivos

•	Observar o comportamento de sistemas a temperaturas diferentes quando se colocam em contato através de paredes isolantes (adiabáticas) ou condutoras (diatérmicas). 

Material do experimento

•	2 copos de material isolante
•	2 latas de metal
•	caixa de isopor 
•	termômetro de álcool
•	
termômetros

água

Caixa de isopor

recipientes de metal ou isopor
contendo água

 
Figura  2. Montagem da experiência 

Atividade  experimental

Temperatura de equilíbrio de uma mistura

Coloque os dois termômetros num recipiente com água a temperatura ambiente e registre suas temperaturas. 

Coloque na caixa de isopor dois copos de metal, com volumes de água de ~50  cm^3 a  temperaturas iniciais diferentes, T_A e T_B. Os copos devem estar em contato mecânico  através de uma das paredes de maior área.
1.	Registre as temperaturas iniciais e a hora em que começa a fazer as medidas.
T_A =         ^oC           T_B =           ^oC
2.	Meça e registre numa tabela a temperatura a  intervalos de (aproximadamente) 1  minuto, e registre as temperaturas por alguns minutos.

Intervalo de tempo (minutos) | Temperatura ( ^oC)
| A | B
1 | |
2 | |
3 | |
4 | |
Etc. | |

3.	Trace  um gráfico das temperatura em função do tempo, e indique as temperaturas correspondentes aos dois copos com símbolos  diferentes, por exemplo, T_A:  x e 
     T_B: +

tempo (min)

Temperatura ^0C

                       

4.	Observando o gráfico acima tente explicar como variou a temperatura da água contida nos copos durante o intervalo de tempo en que os copos de metal permaneceram em contato? 

 5.  Repita o procedimento acima,  trocando os copos de metal por copos de isopor. 

Perguntas

1.	D. Explique o que aconteceu com as  massas de água dos recipientes nos dois casos.
Recipientes de metal:

Recipientes de isopor: 
____________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.	Qual dos materiais têm propriedades diatérmicas? 

3.	 Qual dos materiais tem propriedades adiatérmicas? 

4.	Faça uma previsão do que aconteceria se você utiliza água mais quente

EQUIPE DE FÍSICA DO IF-UFRJ                                                                                                 pág.