Relatório de laboratório de física II - irradiação

Relatório de laboratório de física II - irradiação

IRRADIAÇÃO

INTRODUÇÃO:

A parte da Física que estuda o comportamento e as transformações de energia que ocorrem na natureza chama-se Termodinâmica. Mais especificamente, estuda as relações de equilíbrio entre estados energéticos, cujas principais fontes de manifestação são o calor e o movimento.

Energia é puramente o potencial de um corpo em produzir alguma ação, trabalho.

calor é a nomenclatura atribuída à energia sendo transferida de um sistema a outro exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Não é correto se afirmar que um corpo possui mais calor que outro, e tão pouco é correto afirmar que um corpo possui calor; os corpos (ou sistemas) possuem energia interna e o conceito de energia interna não deve jamais ser confundido com o conceito de calor.

O calor é uma das duas formas disponíveis para se transferir energia de um sistema a outro e expressa a quantidade de energia transferida através da fronteira comum aos sistemas. Dá-se, portanto sem a variação dos volumes dos sistemas em interação se presente de forma exclusiva. O calor descreve a energia transferida entre sistemas que não se pode ser associada à execução de um trabalho mecânico, este último correspondendo à segunda entre as duas formas de transferência de energia citadas. O trabalho associa-se à energia transferida em virtude do movimento da fronteira dos sistemas - e não da energia transferida através destas - e portando ocorre sempre acompanhado de variações nos volumes dos sistemas em interação.

Temperatura é a grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos. No cotidiano é muito comum as pessoas medirem o grau de agitação dessas partículas através da sensação de quente ou frio que se sente ao tocar outro corpo. No entanto não podemos confiar na sensação térmica. Para isso existem os termômetros, que são graduados para medir a temperatura dos corpos. 

Condução, convecção e irradiação são diferentes processos de propagação do calor. Vimos que a definição de calor é energia térmica em trânsito, ou seja, está em constante movimentação e transferência entre os corpos do universo. No entanto, para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. 

A condução e a convecção são formas de propagação de calor que para ocorrer é necessário que haja meio material, contudo, existe uma forma de propagação de calor que não necessita de um meio material (vácuo) para se propagar, esta é a irradiação térmica. Esse tipo de propagação do calor ocorre através dos raios infravermelhos que são chamadas ondas eletromagnéticas, chamadas também de ondas de calor ou calor radiante.

 Podemos dizer que a irradiação ou radiação é o processo mais importante de propagação de calor, pois é através dele que o calor do Sol chega até a Terra. Sem esse processo não haveria vida na Terra.

Então podemos afirmar que, em diferentes quantidades, todos os corpos emitem energia radiante devido a sua temperatura. Estas radiações, ao serem absorvidas por outro corpo, provocam, nele, uma elevação de temperatura.

Quando uma pessoa está próxima de um corpo aquecido, em geral, recebe calor pelos três processos: condução, convecção e irradiação. Quanto maior for a temperatura do corpo aquecido, maior será a quantidade de calor transmitida por radiação.

A radiação térmica ao incidir em um corpo tem uma parte absorvida e outra refletida pelo corpo. Corpos escuros absorvem a maior parte da radiação que incide sobre eles, enquanto os corpos claros refletem quase totalmente a radiação térmica incidente. É por isso que um corpo preto, quando colocado ao Sol, tem sua temperatura sensivelmente elevada, ao contrário dos corpos claros, que absorvem pouco calor.

Quando chegamos perto de uma fogueira, de uma lâmpada incandescente ou de um aquecedor elétrico sentimos o calor emitido por essas fontes. Uma parcela desse calor pode vir por condução através do ar. Porém, essa parcela é pequena, pois o ar não é um bom condutor de calor. Na realidade, a maior parte do calor que recebemos dessas fontes vem por irradiação de ondas eletromagnéticas. De modo semelhante ao que acontece coma luz, as ondas de calor podem ser refletidas por superfícies metálicas. É por esse motivo que a parte interior de uma garrafa térmica tem paredes espelhadas, para impedir a passagem de calor por irradiação.

De um modo geral, o calor que uma pessoa recebe quando está próxima de um corpo aquecido (forno, trocadores de calor, tubulações etc.) chega até ela por três processos: condução, convecção e radiação. Quanto maior for a temperatura do corpo maior será a quantidade de calor transmitida por radiação.

A absorção de radiação, e também a emissão, por parte dos corpos está relacionada com a natureza da superfície dos corpos.

A radiação incidente numa superfície pode ser, parcialmente, absorvida, refletida ou transmitida.

O poder emissivo de um corpo depende da natureza e da temperatura em que se encontra. Para cada temperatura, o maior poder emissivo é o do corpo negro (emissor ideal de radiação). 

OBJETIVO:

Observar o aumento de temperatura ao passar do tempo de dois corpos de prova diferentes sujeitos a radiação produzida por uma fonte térmica, e assim comprovar que corpos que apresentam naturezas de superfícies diferentes, absorvem quantidades de ondas de calor diferentes.

MATERIAIS UTILIZADOS:

  • 01 Lâmpada;

  • 01 Soquete para lâmpada com fixador;

  • 02 Termômetros;

  • 01 Corpo de prova branco;

  • 01 Corpo de prova preto;

  • 01 Régua;

  • 01 Cronômetro.

PROCEDIMENTOS:

  • Fizemos a montagem do experimento;

  • Apontamos a lâmpada para os corpos de prova a uma distância de 20 centímetros;

  • Fizemos uma leitura inicial dos termômetros;

  • Ligamos a lâmpada e demos partida no cronômetro;

  • A cada dois minutos verificamos a temperatura dos corpos (indicada pelos termômetros);

  • Aos doze minutos desligamos a lâmpada e reiniciamos o cronômetro;

  • A cada dois minutos verificamos a temperatura dos corpos;

  • Aos doze minutos verificamos a temperatura dos corpos pela última vez.

RESULTADOS E CONCLUSÃO:

Temperatura inicial do corpo de prova branco: 25ºC

Temperatura inicial do corpo de prova preto: 25 ºC

Podemos observar que ambos os corpos de prova têm as mesmas temperaturas, que é igual à temperatura do ambiente. O motivo pelo qual isso acontece é que os corpos estão em equilíbrio térmico com o ambiente.

Tabela 1. Temperatura dos corpos de prova ao longo do tempo com a fonte térmica ligada.

Tempo (minutos)

0

2

4

6

8

10

12

Temperatura do corpo branco (ºC)

25

26

27

28

29

29

30

Temperatura do corpo preto (ºC)

25

26.5

28

30

31

32

32.5

Tabela 2. Temperatura dos corpos de prova ao longo do tempo com a fonte térmica desligada.

Tempo (minutos)

0

2

4

6

8

10

12

Temperatura do corpo branco (ºC)

30

29

28

28

27.5

27

27

Temperatura do corpo preto (ºC)

32.5

31

29.5

29

28

27.5

27

Ao deixar expostos os dois corpos de prova à luz da lâmpada, notamos que, ao passar do tempo, ambos se aqueceram. O que justifica o aumento de suas temperaturas é o calor que foi transmitido para eles pela irradiação de ondas eletromagnéticas emitidas pela lâmpada. Poderíamos dizer que parte do calor transmitido para os corpos poderia ser por condução através do ar, porém este é mal condutor de calor.

Os resultados dos tempos e das temperaturas estão sujeitos a possíveis erros de medição, uma vez que o erro do termômetro utilizado é de 0.5ºC e o do cronômetro é de 0.01 segundos.

Podemos observar pela tabela 1 que, num mesmo intervalo de tempo, o corpo de prova preto apresentou sempre sua temperatura maior que o do corpo de prova branco. Após ficarem 12 minutos expostos a luz da lâmpada, o corpo branco apresentou temperatura de 30ºC e o corpo preto apresentou temperatura de 32.5ºC.

Como vimos na introdução, corpos escuros absorvem mais calor e refletem menos as ondas eletromagnéticas emitidas por uma fonte do que corpos mais claros, portanto essa é uma justificativa pra diferença de absorção de energia entre os corpos de prova preto e branco. Outra justificativa poderia ser sobre o calor latente de cada corpo, porém analisar isso não faz parte do objetivo deste experimento.

Podemos concluir então que o corpo de prova branco, por refletir grande parte da radiação incidente da lâmpada, aumenta sua temperatura de forma mais lenta que a do corpo preto que, como absorve grande parte da radiação incidente, aumenta de temperatura mais rapidamente. Isso comprova o fato de que a superfície de um corpo é diretamente relacionada com o poder de absorção de calor que o mesmo tem.

De acordo com os resultados obtidos, não conseguimos observar um equilíbrio térmico entre os corpos, já que a temperatura sempre aumentou, de acordo com a tabela 1, e sempre diminuiu, de acordo com a tabela 2, e não se manteve constante em nenhum intervalo de tempo. O que justifica isso é o fato de que o tempo de 12 minutos foi pouco para chegar a esse equilíbrio.

Podemos observar pela tabela 2 que o corpo de prova preto, além de aumentar a temperatura mais rapidamente, também diminuiu a temperatura mais rápido, já que ao passar de 12 minutos, a temperatura do corpo branco variou de 3ºC e a do corpo preto variou de 5.5ºC. Com esses dados, podemos dizer que a capacidade que um determinado corpo de determinada superfície tem de absorver calor é proporcional à capacidade deste mesmo corpo de emitir calor.

Pelos dados recolhidos, observamos que demorou mais tempo para o corpo voltar a sua temperatura original (temperatura ambiente) do que para aquecer. Não achamos material teórico que explicasse o ocorrido, porém podemos sugerir que a lâmpada emite energia para os corpos em uma razão maior que os corpos perdem energia para o ambiente.

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