ACTIVIDADE LABORATORIAL I – RENDIMENTO NO AQUECIMENTO
Trabalho realizado no âmbito da formação:
“Actividades Laboratoriais do 10º e 11º anos do Ensino Secundário”
Trabalho realizado por:
Ana Margarida Vaz Cortesão e Silva
Maira Alejandra Catarino Gomes Lopes
Márcia Esménia Moura Rodrigues
21 de Julho de 2010
CONTEXTUALIZAÇÃO DA ACTIVIDADE
A Actividade Laboratorial AL I: “Rendimento no Aquecimento” insere-se nos
conteúdos programáticos do 10º ano, componente de Física, mais precisamente
no Módulo Inicial intitulado “Das Fontes de Energia ao Utilizador”.
Com esta actividade, os alunos poderão adquirir competências processuais,
conceptuais e atitudinais, tais como:
• Seleccionar material de laboratório adequado a uma actividade experimental;
•
Identificar
material
e
equipamento
de
laboratório
e
explicar
a
sua
utilização/função;
• Manipular com correcção e respeito por normas de segurança, material e
equipamento;
• Recolher, registar e organizar dados de observações (quantitativos e qualitativos)
de fontes diversas, nomeadamente em forma gráfica;
• Executar, com correcção, técnicas previamente ilustradas ou demonstradas;
• Planear uma experiência para dar resposta a uma questão – problema;
• Interpretar os resultados obtidos e confrontá-los com as hipóteses de partida
e/ou com outros de referência;
• Discutir os limites de validade dos resultados obtidos respeitantes ao observador,
aos instrumentos e à técnica usados;
• Reformular o planeamento de uma experiência a partir dos resultados obtidos;
• Identificar parâmetros que poderão afectar um dado fenómeno e planificar
modo(s) de os controlar;
• Elaborar um relatório da actividade experimental por si realizada;
• Desenvolver o respeito pelo cumprimento de normas de segurança: gerais, de
protecção pessoal e do ambiente;
• Reflectir sobre pontos de vista contrários aos seus;
• Adequar ritmos de trabalho aos objectivos das actividades.
Actividade Laboratorial I – Rendimento no Aquecimento
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QUESTÃO-PROBLEMA
Como poderemos aumentar o rendimento no aquecimento quando cozinhamos?
Objectivos da actividade
Este trabalho tem como objectivos determinar o rendimento num processo de
aquecimento e identificar alguns dos factores dos quais este rendimento pode
depender.
Objecto de ensino:
- Radiação, temperatura e energia interna
- Quantidade de energia necessária para fazer variar a temperatura de um corpo
E = m c ΔT
- Capacidade térmica mássica de uma substância
- Potência fornecida e energia fornecida (E = P Δt)
- Rendimento do processo de aquecimento
Objectivos de aprendizagem:
- Distinguir radiação de temperatura e de energia interna.
- Determinar a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura
de uma certa massa de uma substância.
- Estabelecer balanços energéticos em sistemas termodinâmicos, identificando as
parcelas que correspondem à energia útil e à energia dissipada no processo.
- Determinar o rendimento do processo.
Questões pré-laboratoriais
Prevês que o rendimento (η) no processo de aquecimento de uma dada
massa de água seja diferente variando a potência no forno de
microondas? Porquê?
Actividade Laboratorial I – Rendimento no Aquecimento
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Prevês que o rendimento (η) no processo de aquecimento de diferentes
massas de água seja diferente? Porquê?
Material por grupo
- Forno microondas;
- Termómetro/sensor de temperatura;
- Cronómetro;
- Gobelés;
- Proveta;
- Água.
- Vareta de vidro
Procedimento Experimental
Identificar e registar a menor divisão de escala e o erro de medição associado a
todos os instrumentos de medida utilizados.
A – Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa
de água, utilizando o forno microondas.
1 – Colocar 200 mL de água num gobelé;
2 – Medir a temperatura inicial da água;
3 – Seleccionar a potência de 450 W no selector do forno de microondas
4 – Aquecer a água no forno de microondas durante 60 s.
5 – Registar a temperatura final da água após a homogeneização.
6 – Repetir duas vezes todo o procedimento.
B – Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento.
1 – Colocar 200 mL de água num gobelé;
2 – Medir a temperatura inicial da água;
3 – Seleccionar a potência de 450 W no selector do forno de microondas;
4 – Aquecer a água no forno de microondas durante 20 s;
5 – Registar a temperatura final da água após a homogeneização;
6 – Repetir todo procedimento para 40s e 60s.
Actividade Laboratorial I – Rendimento no Aquecimento
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C – Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento.
1 – Colocar 200 mL de água num gobelé;
2 – Medir a temperatura inicial da água;
3 – Seleccionar a potência de 450 W no selector do forno de microondas;
4 – Aquecer a água no forno de microondas durante 60 s;
5 – Registar a temperatura final da água após a homogeneização;
6 – Repetir todo o procedimento para as potências de 150 W e 300 W.
D – Influência da massa de água num processo de aquecimento.
1 – Colocar 150 mL de água num gobelé;
2 – Medir a temperatura inicial da água;
3 – Seleccionar a potência de 450 W no selector do forno de microondas;
4 – Aquecer a água no forno de microondas durante 60 s;
5 – Registar a temperatura final da água após a homogeneização;
6 – Repetir todo o procedimento para os volumes de água de 250 mL e 300 mL.
Registo dos resultados
Proveta
Termómetro
digital
Menor divisão da
Incerteza associada à
escala
medição
10mL
5mL
0,1ºC
0,1ºC
A – Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa
de água, utilizando o forno microondas.
Volume de água = 200 mL
t = 60 s
P = 450 W
Actividade Laboratorial I – Rendimento no Aquecimento
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T (ºC)
Ensaio
Ti (ºC)
Tf (ºC)
1
24,8
42,3
17,5
2
24,9
42,1
17,2
3
24,8
42,0
17,2
B – Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento.
Volume de água = 200 mL
P = 450 W
Δt (s)
Ti (ºC)
Tf (ºC)
20
24,8
34,0
9,2
40
24,8
39,1
14,3
60
24,9
42,1
17,2
T (ºC)
C – Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento.
Volume de água = 200 mL
t = 60 s
P (W)
Ti (ºC)
Tf (ºC)
T (ºC)
150
24,8
29,6
4,8
300
24,9
34,7
9,8
450
24,9
42,1
17,2
Actividade Laboratorial I – Rendimento no Aquecimento
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D – Influência da massa de água num processo de aquecimento.
P = 450 W
t = 60 s
V (mL)
Massa (g)*
Ti (ºC)
Tf (ºC)
T (ºC)
150
150
24,9
40,2
15,3
250
250
24,8
37,9
13,1
300
300
24,8
36,3
11,5
*Nota: sendo a densidade da água a 25ºC igual a 1gcm-3, a massa de água poderá ser
calculada através da expressão
m
V
Tratamento dos resultados
A – Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa
de água, utilizando o forno microondas.
1 – Cálculo da energia útil e da energia fornecida.
17,5 17,2 17,2
3
Tmédio
Eútil
mc Tmédio
E fornecida
P t
Eutil
17,3º C
0,200 4186 17 ,3
E fornecida
Eutil
1,45 10 4 J
450 60 2,7 104 J
2 – Determinação do rendimento (η) no processo de aquecimento.
Eutil
E fornecida
100
1,45 10 4
100
2,7 10 4
53,7%
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B – Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento.
Variação da temperatura /
ºC
Variação da temperatura da água em função do
tempo
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Tempo / s
C – Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento.
Variação da temperatura
/ºC
Variação da temperatura da água em função da
Potência
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Potência /W
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D – Influência da massa de água num processo de aquecimento.
Variação da temperatura da água em função da massa
Variação de temperatura / ºC
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
100
150
200
250
300
350
Massa / g
Análise de resultados
A – Determinação do rendimento num processo de aquecimento de uma massa
de água, utilizando o forno microondas.
Neste processo de aquecimento ocorreu a transferência de energia sob a forma
de radiação, do forno microondas para a água, provocando um aumento da
temperatura desta. Como em qualquer processo de transferência de energia, há
sempre energia que se degrada (nem toda a energia que é transferida para um
sistema é utilizada da “melhor forma”, há muita energia que não é aproveitada
com o fim à vista – energia dissipada ou energia degradada), daí o rendimento
associado a qualquer máquina é sempre inferior a 100%. Para o processo em
questão, o valor do rendimento obtido foi de 53,7%.
B – Influência do intervalo de tempo num processo de aquecimento.
Só é possível comparar os tempos de aquecimento se este for feito nas mesmas
condições, ou seja, utilizar o mesmo recipiente (mesmo tamanho e material), o
recipiente e a água têm de estar inicialmente à mesma temperatura e a potência
Actividade Laboratorial I – Rendimento no Aquecimento
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seleccionada no microondas tem que ser a mesma. Se não forem controladas
estas variáveis não se podem fazer comparações.
Para a amostra de água em estudo, e fixando a potência do microondas (450 W),
verificou-se que à medida que o intervalo de tempo de aquecimento aumentava,
a variação de temperatura registada era superior, uma vez que a energia interna
da água era maior.
C – Influência da potência do forno microondas num processo de aquecimento.
A potência é um dos parâmetros que afecta o rendimento de um processo de
aquecimento. Para a amostra de água em estudo, e fixando o intervalo de tempo
de aquecimento em 60 s, verificou-se que à medida que a potência do
microondas aumentava, a variação de temperatura registada era superior.
Para um mesmo intervalo de tempo, quanto maior a energia fornecida, maior irá
ser a temperatura da água.
D – Influência da massa de água num processo de aquecimento.
A massa do sistema é outro dos parâmetros que afecta o rendimento de um
processo de aquecimento. Fixando a potência do microondas em 450 W, e para
intervalos de tempo de 60 s, verificou-se que à medida que a massa de água
aumentava, a variação de temperatura registada diminui.
Para o mesmo intervalo de tempo, e mantendo constante a energia fornecida,
quanto maior a massa de água, menor será a variação de temperatura.
Questões pós-laboratoriais
Comente a seguinte afirmação: “Durante esta experiência a energia
interna da água aumentou sem que esta recebesse calor da sua
vizinhança.”
Do ponto de vista da racionalização da energia, o que será mais vantajoso:
aquecer a água durante mais tempo a uma menor potência ou aquecer a
água durante menos tempo a uma maior potência?
Actividade Laboratorial I – Rendimento no Aquecimento
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Conclusão
Esta actividade permite uma melhor compreensão do processo de aquecimento
no forno microondas, que é um equipamento utilizado pelos alunos no seu dia-adia. Deste modo, é possível despertar o seu interesse, associando a Física a
procedimentos que têm fora da sala de aula.
Com esta actividade também se pretende que os alunos associem a radiação
como um modo de transferir energia para um sistema, aumentando a sua
temperatura, sendo uma alternativa à transferência de energia sob a forma de
calor, que inicialmente os alunos a consideram como única!
Na realização desta actividade laboratorial poderá decidir-se sobre as condições
de trabalho dos diferentes grupos de alunos, de modo a que os resultados sejam
comparáveis e os alunos possam tirar conclusões.
Logo, sugere-se que cada grupo estude a influência de uma variável, mantendo
todas as outras constantes, de modo a poderem comparar resultados. As variáveis
possíveis de estudo são:
- massa de água que vai ser aquecida;
- potência seleccionada no forno microondas;
- recipiente do mesmo material, mas de tamanhos diferentes;
- recipiente do mesmo tamanho, mas de materiais diferentes.
Sugere-se, também, que cada grupo, após a realização da actividade, faça uma
apresentação à turma, com registo da variável em estudo e do rendimento
calculado, de modo a promover uma discussão que responda às questões
levantadas.
Com esta actividade laboratorial é possível:
- uma clarificação das principais ideias e conceitos, nomeadamente a distinção
entre calor e temperatura.
- estruturação da actividade laboratorial a partir da questão-problema;
- explorar aspectos pré e pós-laboratoriais necessários à compreensão do trabalho
proposto.
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Bibliografia
VENTURA, G. et al. (2003).10 F Ciências Físico-Químicas – Física – 10º ano (1ª
ed.). Lisboa: Texto Editora.
CALDEIRA, H. et al. (2007). Ontem e hoje – Física e Química A- Física 10º ou
11º (ano 1). Porto: Porto Editora.
ALMEIDA, M. J. B. M. (2004). Preparação de professores de Física – Uma
contribuição científico-pedagógica e didáctica. Coimbra: Livraria Almedina
http://nautilus.fis.uc.pt/spf/DTE/pdfs/fisica_quimica_a_10_homol_nova_ver.p
df
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