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RELATÓRIO DE ENSAIO
CONDUTIVIDADE
TÉRMICA
DE UM ISOLANTE
INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DO PORTO
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
Termodinâmica Aplicada
Engenharia de Computação e Instrumentação Médica
Engenharia de Instrumentação e Metrologia
Docente: António Silveira Dias Pinto Alberto
Data de elaboração: 16 de Novembro de 2011
Data de entrega: 23 de Novembro de 2011
Realizado por:
Nome: Mª Eduarda Matos Nº: 1090267 Turma: 2DB Grupo: IV
Nome: Pedro Santos Nº: 1080376 Turma: 2DA Grupo: IV
Nome: Tânia Maio Nº: 1090376 Turma: 2DB Grupo: IV
Resumo
A experiência “Condutividade Térmica de um Isolante”, no âmbito da
disciplina Termodinâmica Aplicada dos cursos, Engenharia de Computação e
Instrumentação Médica e Engenharia de Instrumentação e Metrologia, foi
realizada no dia 16 de Novembro de 2011 pelos membros do grupo IV, Maria
Matos e Tânia Maio de ECIM e Pedro Santos de EIM.
Esta experiência tem como objetivo verificar a propagação de calor por
condução e determinar a condutividade térmica de um isolante, neste caso o
perspex. O guião usado no decorrer do ensaio foi “DEFI-NRM-1010 versão
01”.
Este trabalho consistiu na colocação de um disco de perspex entre um
cilindro maciço e um oco, onde, através de um fogão elétrico ligado o ebulidor
foi aquecido aguardando, de seguida, a estabilização da temperatura lida nos
termómetros superior (θ1= 98˚C) e inferior (θ2= 55˚C).
Separou-se o cilindro oco superior do cilindro inferior maciço e colocou-se
sobre o disco de perspex uma placa de cortiça (material isolante). O cilindro
inferior foi aquecido com uma lamparina de álcool até uma temperatura de
65˚C (θ2+10). Apos isto, retirou-se a lamparina e observando atentamente o
termómetro verificou-se a descida de temperatura registando o tempo que esta
demorava a descer 1˚C até aos 45˚C (θ2 -10).
Assim, através dos registos obteve-se a representação gráfica da variação
da temperatura em função do tempo e, através da medição da espessura e
diâmetro do disco de perspex, com o micrómetro e paquímetro respetivamente,
determinou-se a capacidade térmica do mesmo. Calculou-se ainda a incerteza
padrão associada aos instrumentos utilizados neste ensaio.
O valor obtido para a condutividade térmica do isolante de perspex foi de
0,2548 W.m-1.ºC-1, obtendo-se um erro absoluto de 0,0348 W.m-1.ºC-1 e um
erro relativo de 15,81%.
IINNSSTTIITTUUTTOO SSUUPPEERRIIOORR DDEE EENNGGEENNHHAARRIIAA DDOO PPOORRTTOO –– TTEERRMMOODDIINNÂÂMMIICCAA AAPPLLIICCAADDAA
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ÍNDICE TEMAS PÁGINA
I
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2
II
PARTE EXPERIMENTAL
3
Esquema da Montagem
3
Material Necessário
3
Precauções
3
Procedimento Experimental
3
III
APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
4
IV
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS/CONCLUSÃO
7
V
ANEXOS
8
Anexo A – Incertezas e Erros
8
Anexo B – Questões Colocadas
9
Anexo C – Desafios Propostos
11
VI
BIBLIOGRAFIA
15
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I. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Os isolamentos térmicos são materiais ou
combinações de materiais usados com o objetivo
de reduzir o fluxo de calor.
Os materiais isolantes, para além da sua
constituição, distinguem-se pela capacidade de
resistir à passagem de calor. Quanto maior for
essa resistência, melhor é o isolamento.
A sua aplicação pode ser necessária para
tornar possível o funcionamento de um sistema,
para evitar perdas de energia ou para
proporcionar conforto num determinado
ambiente. Figura 1 – Isolamento Térmico.
Quando um corpo é deixado num meio que está a uma temperatura
diferente da sua, verifica-se uma transferência de energia entre o corpo e o
meio ambiente até atingir o equilíbrio térmico, logo estamos perante uma
situação de transferência de calor. Assim, uma das propriedades físicas dos
materiais é a condutividade térmica, que é definida como a capacidade dos
mesmos conduzirem calor. À quantidade de calor que se tem de fornecer a
uma certa quantidade de substância, para elevar a sua temperatura a um grau
Celsius chamamos capacidade térmica.
O calor, é portanto, uma transferência de energia entre dois corpos que pode
ser efetuada por três diferentes processos, condução, convecção e radiação.
Então, a condução é um dos meios de transferência de calor que propaga o
calor por meio do contacto de moléculas de duas ou mais substâncias com
temperaturas diferentes, geralmente ocorre em materiais sólidos. Num meio
fluído (líquidos e gases), é observado o fenómeno físico de convecção, onde
existe propagação de calor através da diferença de densidade desse fluido
quando a sua temperatura é modificada.
Através do método de Lees Charlton conseguimos estudar a propagação de
calor por condução num isolante e determinar a condutividade térmica do
isolante perspex. Perspex é a designação comercial de um plástico resistente,
leve e isolante de seu nome químico polimetilmetacrilato. O aparelho Lees
Charlton consiste num ebulidor, que através de um fogão elétrico aquece água.
Este está ligado a um tubo que conduz vapor de água para um cilindro oco
metálico que se encontra acima de um disco de perspex e de um outro cilindro
metálico maciço. Quando o vapor de água aquece no cilindro superior há um
desequilíbrio entre a temperatura do cilindro e o meio ambiente até estes
chegarem ao equilíbrio térmico. A temperatura da face superior do disco de
perspex propaga-se por condução através do disco e do cilindro inferior. [1]
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Para calcular a condutividade térmica do perspex utilizamos a
expressão:
onde, e é a espessura dos disco de perspex, C a capacidade térmica do
cilindro maciço (C=784,3 J/K) e S a área da superfície dos disco de perspex.
II. PARTE EXPERIMENTAL
Esquema da Montagem
Figura 2 – Esquema da montagem. [1]
Material Necessário
O material utilizado neste ensaio foi o descrito no guião “DEFI-NRM-1019
versão 02”. [1]
Precauções
Teve-se o cuidado de usar luvas e pinças sempre que se pegava em materiais
que estavam muito quentes. Ao colocar-se a placa de cortiça, existiu o cuidado,
antes de pegar no cilindro superior, de retirar-se os termómetros de modo a
não se partirem acidentalmente.
Procedimento Experimental
O procedimento experimental utilizado neste ensaio foi o descrito no guião “DEFI-NRM-1019 versão 02”. [1]
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III. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
Com Ѳ1 estabilizado nos 98ºC, usou-se como referência da temperatura
para Ѳ2, o valor 55ºC. Com este valor de referência criou-se o intervalo de
temperaturas [65;45] e registou-se o tempo que demorava a descer 1 grau
Celsius. A tabela 1 apresenta os valores registados.
Tabela 1 – Registo das leituras.
(Ѳ₂ ± A) Temperatura
(°C) Tempo (s)
(Ѳ₂ + 10) 65 0
(Ѳ₂ + 9) 64 77
(Ѳ₂ + 8) 63 118
(Ѳ₂ + 7) 62 157
(Ѳ₂ + 6) 61 233
(Ѳ₂ + 5) 60 284
(Ѳ₂ + 4) 59 323
(Ѳ₂ + 3) 58 375
(Ѳ₂ + 2) 57 421
(Ѳ₂ + 1) 56 465
(Ѳ₂) 55 545
(Ѳ₂ - 1) 54 605
(Ѳ₂ - 2) 53 691
(Ѳ₂ - 3) 52 726
(Ѳ₂ - 4) 51 787
(Ѳ₂ - 5) 50 851
(Ѳ₂ - 6) 49 941
(Ѳ₂ - 7) 48 1015
(Ѳ₂ - 8) 47 1075
(Ѳ₂ - 9) 46 1136
(Ѳ₂ - 10) 45 1217
Com o registo da variação de temperatura (Ѳ2) em função do tempo,
utilizou-se esses valores para a criação de uma curva de arrefecimento. O
gráfico 1 apresenta a curva desenhada com os valores obtidos no decorrer da
experiência.
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Gráfico 1 – Variação da temperatura em função do tempo θ = θ(t).
Resultados Obtidos
Para cumprir com o objetivo de determinar a
condutividade térmica de um isolante (perspex)
necessitou-se ainda de medir, com instrumentos de
medida apropriados, as dimensões do disco de
perspex. Para medir a espessura do disco usou-se
o micrómetro (figura 3), enquanto que, para o
diâmetro, utilizou-se o paquímetro (figura 4).
Figura 3 – Micrómetro. [2]
Figura 4 – Paquímetro. [3]
Foram feitos vários ensaios (medidas) para encontrar um valor médio
aproximado do valor verdadeiro da mensuranda. A tabela 2 tem o registo dos
valores obtidos para cada mensuranda, bem como a média dos valores.
Tabela 2 – Medidas do disco de perspex
Mensuranda Unidade Nº de ensaios
Média 1 2 3 4 5
Diâmetro (d) m
0,0800 0,0801 0,0802 0,0803 0,0804 0,0802
Espessura (e) 0,00423 0,00424 0,00427 0,00426 0,00425 0,00425
y = -0,0166x + 64,541 R² = 0,9948
40
45
50
55
60
65
70
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Te
mp
era
tura
(ºC
)
Tempo (s)
Variação da temperatura em função do tempo
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Cálculos
Com os valores obtidos no decorrer da experiência, iniciou-se o cálculo da
condutividade térmica do perspex. A expressão seguinte foi usada para o
cálculo da condutividade térmica:
onde “e” é a espessura e “S” a área da superfície do disco de perspex.
Como não se consegue medir uma área diretamente, “S” pode ser
determinada usando o diâmetro medido com o paquímetro, sendo uma
medição indireta.
Com a área da superfície do disco de perspex determinada, passou-se ao
cálculo do “k”. O intervalo de temperatura (ΔѲ2) escolhido foi o intervalo usado
no registo da variação de temperatura, ou seja, [65;45].
Erros Associados (Cálculo dos erros - anexo A)
A tabela 3 apresenta o erro absoluto e erro relativo.
Tabela 3 – Erros associados
Valores da condutividade
térmica do perspex ( )
Erro Absoluto Erro relativo
Valor tabelado Valor obtido
0,220 0,2548 0,0348 15,81%
Incertezas Associadas aos Instrumentos Utilizados (Cálculo das incertezas - anexo A)
Tabela 4 – Incerteza-padrão do Paquímetro e do Micrómetro.
Incerteza-padrão u(xi)
2,87 x 10-3 mm
Tabela 5 – Incerteza-padrão do Cronómetro
Incerteza-padrão u(xi)
2,87 x 10-3 s
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Tabela 6 – Incerteza-padrão do Termómetro
Incerteza-padrão u(xi)
0,29 °C
IV. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS/ CONCLUSÃO
O valor obtido para a condutividade térmica do isolante de perspex foi de
0,2548 W.m-1.ºC-1. Para minimizar os erros, utilizou-se o valor mais alto do
intervalo da condutividade térmica do perspex (0,220 W.m-1.ºC-1), obtendo-se
assim um erro absoluto de 0,0348 W.m-1.ºC-1 e um erro relativo de 15,81 %.
Este erro pode ter sido causado pelo facto de se ter utilizado vários
instrumentos, em que cada um tem um erro associado. Isto leva a que o erro
da condutividade térmica possa ser mais significativo, visto que a medição
obtida foi obtida através de uma medição indireta. O facto do isolante não ter
exatamente o diâmetro do perspex, também pode ter causado este erro.
A condutividade térmica de um material é a capacidade desse material
conduzir calor, isto é, de transferir calor por condução. As aplicações vão
desde a escolha de materiais para isolamento de casas (com baixa
condutividade térmica), para estufas (alta condutividade térmica), entre outras.
No fim este trabalho forneceu informação e compreensão do processo de
transferência de calor por condução num isolante, e sobre o método de Lees
Charlton, pelo que também o gráfico obtido foi concordo com o mesmo
esperado.
O estudo da propagação de calor por condução, num isolante e a
determinação da condutividade térmica do isolante de perspex foram
conseguidos com sucesso.
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V. ANEXOS Anexo A
Erros Instrumentais
Termómetros: 1 °C – resolução;
Cronómetro: 0,01 s – resolução.
Paquímetro: 0,01 mm – resolução.
Micrómetro: 0,01 mm – resolução.
Incerteza Associada aos Instrumentos Utilizados
Termómetros
a = 1/ 2 = 0,5
u(xi) = 0,5/ = 0,29 °C
Cronómetro
a = 0,01/ 2 = 0,005
u(xi) = 0,005/ = 2,87 x 10-3 s
Paquímetro
a = 0,01/ 2 = 0,005
u(xi) = 0,005/ = 2,87 x 10-3 mm
Micrómetro
a = 0,01/ 2 = 0,005
u(xi) = 0,005/ = 2,87 x 10-3 mm
Cálculo dos Erros
Erro Absoluto = valor lido – valor nominal Erro absoluto = 0,2548 – 0,220
Erro absoluto = 0,0385
Erro relativo = (|erro absoluto|/valor nominal) x 100
Erro relativo = (|0,0385|/0,220) x 100 = 15,81 %
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Anexo B
Questões Colocadas:
1. Diga o que entende por: condutividade térmica, capacidade térmica e regime permanente de transferência de calor.
2. Quais os processos de transferência de calor envolvidos nesta experiência? Explique e descreva cada um deles.
3. De que forma é que a capacidade térmica de um material está relacionada com a condutividade térmica do mesmo?
4. Explique porque se realiza o ponto 4 nesta experiência (colocação de um disco de cortiça sobre o disco de perspex).
Questões Respondidas:
1. Condutividade térmica é uma propriedade física dos materiais que é
descrita como a habilidade dos mesmos de conduzir calor. Equivale à
quantidade de calor Q transmitida através de uma espessura L, numa direção
normal à superfície de área A, devido a uma variação de temperatura ΔT.
Capacidade térmica é uma grandeza física que determina o calor que é
necessário fornecer a um corpo para produzir neste, determinada variação de
temperatura. A unidade usada no SI é J/K.
Regime permanente de transferência de calor acontece quando um corpo é
deixado num meio que está a uma temperatura diferente da sua, verificando-se
transferência de energia entre o corpo e o meio até se atingir o equilíbrio
térmico.
2. Os três mecanismos de transferência de calor envolvidos nesta
experiência são: a radiação, a convecção e a condução.
Para a radiação não há necessidade de um meio material.
O transporte por convecção é o mecanismo geralmente mais importante
quando o meio que lhe serve de suporte é um fluido. Neste tipo de transporte,
um corpo a certa temperatura está em contacto com um fluido a uma
temperatura diferente. As camadas de fluido em contacto com o corpo estão
constantemente a ser renovadas devido à alteração das propriedades do fluido
induzidas por via da transferência do calor. Estabelecem-se correntes, ditas de
convecção, em que camadas de fluido a diferentes temperaturas circulam,
fazendo o transporte do calor.
A transmissão de calor por condução é característica do transporte através
dos sólidos. As entidades responsáveis por este transporte são os eletrões de
condução e / ou as vibrações da rede cristalina.
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3. Quando mais difícil for elevar a temperatura de um material, significa que
este tem dificuldade em transportar o calor, logo tem baixa condutividade
térmica e elevada capacidade térmica. Materiais com alta condutividade
térmica conduzem calor de forma mais rápida que os materiais com baixa
condutividade térmica. Desta maneira, materiais de com alta condutividade
térmica são utilizados como dissipadores de calor e materiais de baixa
condutividade térmica são utilizados como isolamentos térmicos.
4. Colocou-se um disco de cortiça sobre o disco de perspex com o objetivo
de reduzir o fluxo de calor (para evitar perdas de calor). O disco de cortiça
serve para tentar diminuir ao máximo as perdas de calor do disco no seu
arrefecimento, isto é, o disco de cortiça cobre a maioria da área do disco de
perspex, servindo como um isolador.
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Anexo C
Desafios Propostos
1. O que é a estratificação térmica?
Análise da situação verão/inverno;
É bom ou mau;
Como solucionar.
Estratificação térmica está relacionada com a entrada de calor, profundidade de água e grau de mistura de coluna de água. É o exemplo dos lagos profundos. Eles têm uma camada superior de água que é aquecida pela superfície de aquecimento (Epilímnio) e uma camada inferior de água muito mais fria (Hipolímnio), separadas por uma camada chamada termoclina em que a temperatura diminui rapidamente com a profundidade.
Estratificação térmica é considerada um regulador importante do
metabolismo geral de um lago. O Epilímnio é geralmente relativamente bem
misturado, porque este está sujeito a mistura induzida pelo vento (figura 5). Em
contraste, no hipolímnio tal não acontece porque as camadas mais profundas
do lago são isoladas dos fatores de produção de energia transmitidos à
superfície do lago.
A troca de substâncias dissolvidas entre
Epilímnio e Hipolímnio (metalimnion) é
bastante limitada por causa do baixo nível de
turbulência/mistura. Geralmente quanto maior
a temperatura/densidade do metalímnio,
menor é o troca em toda esta camada. Esta
limitação na mistura entre as camadas tem
implicações importantes para o ciclismo de
componentes críticos tais como nutrientes e
oxigénio. Figura 5 – Indução do vento.
[4]
No início da Primavera, após a perda da cobertura de gelo, são observadas
uniformes baixas de temperaturas verticalmente de cima para baixo.
A estratificação térmica desenvolve-se quando as águas de superfície são
aquecidas mais rapidamente (devido ao aumento da temperatura do ar e á
radiação solar). Ocorrem aumentos progressivos da temperatura no Epilímnio
durante o Verão, acompanhado pelo aumento do gradiente de
temperatura/densidade no metalímnio. No final do verão dá-se o arrefecimento
do Epilímnio e diminui também a entrada de radiação solar.
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Camadas da Estratificação
Resumidamente:
Há 2 camadas distintas, a epilímnio no topo e o hipolímnio na parte
inferior. Entre estas duas camadas há uma camada de transição menos
distintas, o chamado metalímnio.
Um dado volume de água é mais pesado a 4 graus Celsius (39,2 graus
Fahrenheit). O mesmo volume de água torna-se mais leve, à medida que fica
mais quente. Assim, num lago, a água morna está no topo e os mais fria a
água está no fundo (exceto no inverno).
Muitas vezes no verão, o hipolímnio torna-se pobre em oxigênio, isto deve-
se ao facto de as bactérias responsáveis pela decomposição consumirem o
oxigênio e do acesso ao oxigênio da atmosfera ser cortado pela estratificação
limitando o desenvolvimento de espécies aquáticas. [5]
.
Figura 6 – Variação da temperatura da Figura 7 – Variação da temperatura da
água no verão. [3]
água no inverno. [3]
Sendo o valor máximo da temperatura da densidade da água de 4ºC,
significa que a mesma é superior à temperatura de congelamento, pelo que
explica-se que durante o inverno, esta torna-se menos densa, subindo até à
superfície, deixando a água ligeiramente mais quente abaixo. Na superfície, a
água é exposta a temperaturas de congelamento de ar e pode eventualmente
congelar. Quando o gelo derrete na primavera, a coluna de água inteira será de
aproximadamente 4°C por um breve tempo. O lago vai misturar-se
completamente ("turn over") com apenas um pouco de vento. Um dia calmo e
quente pode aquecer a água de superfície e iniciar o processo de
estratificação. [5]
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Estratificação também pode ocorrer devido a alterações no teor de sal. (em
oceanos, particularmente em lugares onde a água doce entra, pode ser
estratificada por salinidade).
Figura 8 – Variação da temperatura da água da primavera ao outono. [4]
Fontes de Energia para Mistura [6]
Trocas atmosféricas: transferência de calor pela interface ar-água;
Ventos: introdução de turbulência;
Vazão entrada/saída: mistura advetiva;
1. Ventos
É, frequentemente, a principal fonte de energia para mistura;
As ondas na superfície e a respetiva turbulência misturam o epilímnio.
2. Vazões afluentes
Usualmente apresentam densidade diferente da água armazenada;
Movem-se entre as camadas na forma de corrente de densidade;
São importantes fontes de energia;
Usualmente são a principal fonte de energia em lagos tropicais.
3. Vazões de saída
Provocam turbulência;
Transformam energia cinética em potencial;
A zona afetada depende da estabilidade da estratificação, do vazão e da
geometria do lago.
Possíveis soluções para problemas de qualidade da água decorrentes da estratificação térmica. [6]
1. Tomada d’água em torre
Possibilitam operação seletiva;
Melhoram condições internas facilitando a mistura;
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Figura 9 – Tomada de água em torre. [6]
2. Aeração do hipolímnio Grandes quantidades de ar injetadas:
Entrada de O2
Turbulência
Figura 10 – Aeração do hipolímnio. [6]
3. Circulação artificial Coloca-se a água do hipolímnio em contato com a atmosfera, ou mistura-se
com o epilímnio.
Figura 11 – Circulação artificial. [6]
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VI. BIBLIOGRAFIA
[1]
Guião de laboratório: “DEFI-NRM-1010 versão 01” retirado do endereço:
https://moodle.isep.ipp.pt/file.php/232993/Equivalente_mecanico_de_caloria/
Condutividade_Termica_de_um_Isolante-11-12.pdf;
[2]
http://ferimportonline.com.br/img/foto/df5e2ce80e6009fa8b8ae0428395fb87.jpg
visto em 20 de Novembro de 2011;
[3]
http://www.correaetoledo.com.br/toledo/components/com_virtuemart/shop_ima
ge/product/Paqu__metro_An___4b7204e316e3b.jpg visto em 20 de Novembro
de 2011;
[4]
http://www.ourlake.org/html/temperature.html visto em 21 de Novembro de
2011;
[5]
http://www.lmvp.org/Waterline/spring2002/stratification.htm visto em 21 de
Novembro de 2011;
[6]
http://200.144.189.36/phd/LeArq.aspx?id_arq=548 visto em 22 de Novembro
de 2011.