Em meados do século XIX, James Joule estabeleceu a equivalência entre trabalho e calor, comparando a energia transferida como trabalho, necessária para obter um determinado aumento de temperatura numa amostra de água, com a energia transferida como calor para obter o mesmo efeito.
Joule utilizou um dispositivo semelhante ao esquematizado na Figura 1, no qual dois discos de chumbo (D₁ e D₂) eram elevados a uma determinada altura.
Quando os discos caíam, faziam rodar um sistema de pás mergulhado na água contida num recipiente.
O movimento rotativo das pás provocava a agitação da água, o que conduzia a um aumento da sua temperatura.
A massa total dos discos era 26,3 kg e a massa da água contida no recipiente era 6,04 kg.
A partir dos resultados obtidos numa série de experiências, Joule verificou que, após 20 quedas sucessivas de uma mesma altura de 1,60 m, o aumento de temperatura da água era, em média, 0,313 °C.
Admita que, naquela série de experiências, o aumento da energia interna da água foi, em média, 95,2% da diminuição da energia potencial gravítica do sistema discos + Terra que resultou das 20 quedas sucessivas dos discos.
Considere que, no local onde foram realizadas as experiências, o módulo da aceleração gravítica era 9,81 m s⁻².
Determine, a partir dos resultados de Joule, a capacidade térmica mássica da água.
Apresente todos os cálculos efetuados.
Determina o valor solicitado, percorrendo as etapas seguintes:
• Calcula a diminuição da energia potencial gravítica do sistema discos + Terra
numa queda dos discos (4,128 × 10² J)
OU
Calcula a diminuição da energia potencial gravítica do sistema discos + Terra
para 20 quedas dos discos (8,256 × 10³ J)
• Calcula o aumento da energia interna da água (7,860 × 10³ J)
• Calcula a capacidade térmica mássica da água (4,16 × 10³ J kg⁻¹ °C⁻¹)