caderno aluno 2014

BC 0001 Base Experimental das Cincias Naturais 1

Base Experimental

das Cincias Naturais

BC0001 (0-3-2)

Caderno de laboratrio

ALUNO

2014


NDICE

Cronograma ....................................................................... 3

Segurana e normas de trabalho no laboratrio ....................... 4

Critrios de avaliao ........................................................... 6

Coordenao da disciplina e site ............................................ 6

Experimento 1: O Mtodo Cientfico na Resoluo de Problemas 7

Ficha de Dados ........................................................... 11

Experimento 2: Microbiologia e sade ................................... 16

Experimento 3: Construo de um Sensor de Temperatura 31

Ficha de Dados ........................................................... 38


Cronograma

JUNHO Planejamento

Sem Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sb

I

2h 22 23 24 25 26 27 28

Apresentao da disciplina.

Apresentao das normas de seg. e equipamentos

Definio dos grupos de trabalho do Projeto

Final.

JUNHO/JULHO/AGOSTO Planejamento

Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sb

II

4h 29 30 1 2 3 4 5

Experimento 1: O Mtodo Cientfico na

Resoluo de Problemas

Entregar a Ficha de Dados - Exp.1

I

2h 6 7 8 9

feriado 10 11 12

Entrega de UM caderno por GRUPO para correo

do Exp.1

Incio Projeto Final.

Discusses sobre ideias com os docentes Levantamento da lista de materiais e coordenao

com os tcnicos

II

4h 13 14 15 16 17 18 19

Experimento 2: Microbiologia e Sade

(esse experimento no possui Ficha de Dados)

Devoluo do Caderno de Aluno corrigido (Exp. 1)

I

2h 20 21 22 23 24 25 26 Projeto Final Parte 1

II

4h 27 28 29 30 31 1 2

Projeto Final Parte 2 Entregar UM caderno por GRUPO para correo do

Exp. 2

AGOSTO Planejamento


I

2h 3 4 5 6 7 8 9

Experimento 3: Construo de um sensor de

temperatura.

Devoluo do caderno corrigido Exp. 2.

Entregar a Ficha de Dados - Exp.3

II

4h 10 11 12 13 14 15 16

Projeto Final Parte 3 Entregar UM caderno por GRUPO para correo do

Exp. 3

I

2h 17 18 19 20

feriado 21 22 23

Projeto Final Parte 4 Escrita cientfica iniciar confeco dos resumos

expandidos. ltimos procedimentos prticos.

II

4h 24 25 26 27 28 29 30

Projeto Final Parte 5 Confeco dos resumos expandidos Escrita

cientfica. Devoluo do caderno Exp. 3 corrigido.

SETEMBRO Planejamento


I

2h 31 1 2 3 4 5 6

Finalizao do Projeto Final: Confeco dos

painis (modelos disponveis no site)

#2 de setembro: Prazo mximo para entrega dos

resumos expandidos #

II 7 8 9 10 11 12 13

10 de Setembro: XII Simpsio de BECN (8h00

matutino e 19h00 noturno)

12 de setembro: Premiao (19h00)

14 15 16 17 18 19 20 15 de setembro: Incio do recesso


Segurana e normas de trabalho no laboratrio

Leia integralmente as Normas de segurana para os laboratrios

didticos, disponvel no site da disciplina de Base Experimental das

Cincias Naturais.

Em resumo:

Segurana

Conhea a localizao dos chuveiros de emergncia, extintores e

lavadores de olhos;

Use sempre avental, mantenha os cabelos presos e use calados

fechados;

Os culos so obrigatrios!

Usar a capela sempre que possvel;

Nunca pipete com a boca, no cheire, nem experimente os produtos

qumicos;

Comes e bebes, s fora do laboratrio;

Consulte o professor cada vez que notar algo anormal ou imprevisto;

Comunique qualquer acidente ao professor, por menor que seja;

Se utilizar chama, mantenha-a longe de qualquer reagente!

Nunca brinque no laboratrio;

Evite o contato de qualquer substncia com a pele;

Nunca aquea o tubo de ensaio, apontando a extremidade aberta para

um colega ou para si mesmo;

Cuidado ao aquecer vidro em chama: o vidro quente tem exatamente a

mesma aparncia do frio


Segurana e normas de trabalho no laboratrio

Procedimentos gerais

Siga rigorosamente as instrues fornecidas pelo professor.

Pesquise sempre a toxicidade dos reagentes antes das prticas.

Nunca abra um recipiente de reagente antes de ler o rtulo.

Evite contaminar reagentes, nunca retorne o excedente aos frascos de

origem.

Adicione sempre cidos gua, nunca gua a cidos.

No coloque nenhum material slido dentro da pia ou dos ralos.

No coloque resduos de solventes na pia ou no ralo; h recipientes

apropriados para isso.

No atire vidro quebrado no lixo comum. Deve haver um recipiente

especfico para fragmentos de vidro.

Verifique se as conexes e ligaes esto seguras antes de iniciar uma

reao/destilao

Ao terminar a aula prtica, lave o material utilizado e deixe-o em

ordem na bandeja disponvel sobre a bancada (kit).


Site da disciplina: http://becn.ufabc.edu.br

Critrios de avaliao

A mdia da disciplina ser calculada utilizando a equao abaixo:

Mdia = 0,5 Exp.1 + Exp.2 + Exp. 3 + NIA + 0,5 [Projeto Final]

4

Onde:

Exp. 1 = Nota da atividade (a partir da avaliao no caderno de

laboratrio) do Experimento 1.





NIA = Nota individual de entrega das Fichas de Dados

Projeto Final = Nota da pesquisa desenvolvida na disciplina, que inclui a

nota do projeto, do resumo expandido, do desenvolvimento experimental e

do painel apresentado no Simpsio de BECN.

Coordenao da disciplina e site

A disciplina possui um docente coordenador e dois docentes que

compem a Comisso de BECN. So eles:

Coordenador DE BECN: Prof. Dr. Jeroen Schoenmaker

([email protected]) CECS

Membro da comisso: Profa. Dra. Elizabeth Teodorov

([email protected]) CMCC

Membro da comisso: Prof. Dr. Camilo Andrea Angelucci

([email protected]) CCNH


Experimento 1 O Mtodo Cientfico na


INTRODUO

A determinao da fronteira entre o que pode e o que no pode ser

considerado cincia consiste em um grande tema de discusso para

cientistas e filsofos da cincia. O problema da demarcao, como e

conhecido esse debate, inclui grandes figuras da cincia e da filosofia, tais

como Francis Bacon, Rene Descartes, Karl Popper, Thomas Kuhn e Gaston

Bachelard e esta relacionado com fatores como: a mensurabilidade e a

reprodutibilidade de um experimento, o poder explicativo de uma teoria

cientfica, a correlao com outras teorias aceitas, a falseabilidade, o

conceito de verdade, a aceitao pela comunidade cientifica, etc.

Intimamente correlacionado com o problema da demarcao, o mtodo

cientifico tambm fica em evidencia nas discusses cientificas e filosficas.

O mtodo cientfico e um mtodo ou procedimento que tem caracterizado

as cincias naturais desde o sculo XVII e consiste na: observao

sistemtica, realizao de medidas e experimentos, formulao de

hiptese, novos ensaios para fortalecimento ou modificao de hipteses.

No amago do mtodo cientifico esta a abordagem amplamente utilizada

denominada abordagem hipottico-dedutiva. Nesse experimento

trataremos de forma pratica e intuitiva o mtodo hipottico-dedutivo para

obteno de valores cognitivos em grau elevado (ou seja, obter maior

compreenso da natureza).

OBJETIVO

Utilizar o mtodo cientfico para decidir se dois lquidos com caractersticas

macroscpicas similares so a mesma substncia. Formular a hiptese que

comprove a semelhana ou a diferena na composio dos lquidos com

base nas observaes a serem realizadas.




PARTE EXPERIMENTAL

Material e Reagentes

Balo volumtrico de 50 mL (2 unidades)

Basto de vidro (1 unidade)

Bquer de 100 mL (2 unidades)

Bquer de 250 mL (1 unidade)

Frasco erlenmeyer de 125 mL com tampa (2 unidades)

Proveta de 50 mL (1 unidade)

gua destilada

Glicose P.A.

Hidrxido de sdio P.A.

Soluo de azul de metileno 0,01%

Balana analtica

Cronmetro (1 unidade)

Pipetador automtico (1 unidade)

Caneta de retroprojetor

Papel toalha




Procedimentos

PARTE A Preparo das solues.

Coloque 170 mL de gua destilada a um erlenmeyer com 3,5 g de

hidrxido de sdio, previamente pesado em balana analtica. Agite at a

completa dissoluo. Aguarde alguns minutos at a soluo retornar

temperatura ambiente. Enquanto aguarda, pese 6,0 g de glicose e 0,1 g de

NaCl separadamente.

Dissolva a glicose e o sal na soluo de hidrxido de sdio. Aps completa

dissoluo, adicione 5 mL da soluo de azul de metileno 0,01%. Agite a

soluo at completa homogeneizao. Reserve.

PARTE B Experimentao.

Utilize a soluo para encher um dos erlenmeyers completamente.

DICA: Coloque papel toalha embaixo do frasco j que existe possibilidade

de derramar um pouco de soluo.

Tampe-o em seguida.

Outro erlenmeyer deve ser

preenchido at a metade de seu volume.

Com uma caneta de retroprojetor,

identifique o erlenmeyer totalmente

cheio como FRASCO B e o outro como

FRASCO A.

Agite vigorosamente, usando movimento de cima para baixo, por um

mesmo perodo de tempo, os dois frascos. Garanta que seu polegar prenda

Figura 1. Agitao dos frascos

erlenmeyers.




a tampa do erlenmeyer durante agitao, conforme Figura 1. Observe os

frascos cuidadosamente. Anote suas observaes na Tabela 1.

Faa a quantidade de testes que achar conveniente para explorar todas as

variveis envolvidas no experimento. A partir de todas as observaes,

elabore uma concluso sobre o fenmeno observado.

REFERNCIAS

Glencoe; Biology The Dynamics of Life, Laboratory Manual. McGrawHill.

Columbus, 1999.

Chalmers, A.F.; O que a cincia, afinal? So Paulo: Brasiliense, 1993.

Bachelard, G.; A formao do esprito cientfico: contribuio para uma

psicanlise do conhecimento. Rio de Janeiro: Contraponto, 1996.

Se voc encontrar erros ou tiver sugestes para melhorar este roteiro,

mande um e-mail para [email protected].


Ficha de dados Entregar ao docente

O Mtodo Cientfico na


Nome Docente

Tabela 1. Efeito da agitao nos contedos dos frascos A e B(cheio).

Semelhanas Diferenas

Tabela 2. Testes realizados pelo grupo.

Descrio simplificada do

teste

Observaes e Concluses


Em branco


Atividade 1 O Mtodo Cientfico na


DADOS

Tabela 1. Efeito da agitao nos contedos dos frascos A e B(cheio).

Semelhanas Diferenas

Tabela 2. Testes realizados pelo grupo.

Descrio simplificada do

teste

Observaes e Concluses




ANLISE DOS DADOS

1. Qual sua hiptese inicial sobre o fenmeno observado?

2. Que substncia, presente no frasco A, pode ter sido responsvel pela

mudana observada no lquido? Como chegou a esta concluso?




3. Descreva detalhadamente o procedimento experimental realizado

para explorar as variveis inerentes ao fenmeno estudado.

4. Alm do prprio lquido, alguma outra substncia foi necessria para

que houvesse mudana nas propriedades macroscpicas observadas?




5. Com base nos procedimentos adotados e nas observaes realizadas,

o que se quer dizer com a frase resoluo de problemas utilizando o

mtodo cientfico?

6. A partir das observaes obtidas nos experimentos desenvolvidos

pelo seu grupo, a qual concluso se chegou? A concluso confere com

a hiptese? Justifique.


Experimento 2 Microbiologia e sade

INTRODUO

A microbiologia o estudo de micro-organismos que so definidos,

em princpio, como seres microscpicos. Apesar de ser uma viso bastante

simplificada, de modo geral, correta. Estes seres englobam uma grande

diversidade biolgica cujos principais grupos so os vrus, as bactrias, as

rqueas, os protozorios e os fungos.

Os micro-organismos so encontrados em praticamente todos os

ambientes naturais como o solo, o ar, a gua, o esgoto, as plantas, os

seres humanos e outros animais. Desta forma, para estudar os micro-

organismos, de um determinado material/ambiente, todo o procedimento

deve ser realizado em um ambiente livre de outros micro-organismos

(chamado ambiente estril). Isto significa que o micro-organismo

encontrado no experimento ser oriundo do material/ambiente estudando.

Existem algumas manobras durante a manipulao do material que

impedem a entrada de microrganismos no sistema em estudo, conhecidas

como manobras asspticas. Tais manobras envolvem basicamente o bico

de Bunsen (Figura 1) e a realizao de toda a manipulao dever ser

realizada dentro da zona de segurana. A zona de segurana a regio

em torno mais prxima possvel chama, sem que haja perigo de

superaquecimento ou queimaduras.



Figura 1. Grfico de contorno indicando a variao de temperatura e as zonas da chama produzida

pela combusto de GLP e ar.

A utilizao do bico de Bunsen essencial, pois visa a diminuio de

micro-organismos no campo de trabalho atravs do calor. Para isso, ele

apresenta uma regulagem que torna possvel selecionar o tipo de chama

ideal para o trabalho. No caso da microbiologia, deve ser utilizada a chama

azul j que esta atinge maiores temperaturas e no apresenta fuligem.

importante ressaltar que a chama apresenta diferentes zonas, e tal fato

importante para que o processo de flambagem seja executado

adequadamente. As zonas da chama so: zona neutra ( uma regio mais

fria e no deve ser utilizada para a flambagem), zona redutora e zona

oxidante (so zonas onde ocorre a combusto e podem ser utilizadas para

a flambagem).



O material utilizado na manipulao (meios de cultura, vidraria, entre

outros) tambm deve ser livre de micro-organismos. Para torn-los estreis

ou para controlar o crescimento bacteriano nesse material, diversos

mtodos de assepsia e desinfeco, qumicos ou fsicos, so utilizados. As

Tabelas 1 e 2 mostram os principais mtodos de assepsia de desinfeco.

Tabela 1. Mtodos qumicos de assepsia e desinfeco.

Agente Uso Modo de ao Tempo de

exposio

Alcois (70-

80%)

Antisspticos

Desinfectantes

Desnaturao proteica

Dissoluo de lipdios

Curto (10-15

min)

Fenis Desinfectantes Desnaturao proteica Efeito imediato

Compostos

quaternrios

de amnio

Antisspticos

Sanitizantes

Desinfectantes

(instrumentos cirrgicos)

Alterao da membrana

celular bacteriana

Curto (10-30

min)

Cloro Tratamento de gua Inativao enzimtica

Agente oxidante Efeito imediato

Iodo Antisspticos

Desinfectantes Inativao enzimtica Efeito imediato

Iodforos Antisspticos

Desinfectantes Inativao enzimtica Efeito imediato

Aldedos

Desinfectantes

(instrumentos e

superfcies)

Desnaturao proteica

Agente alquilante

Curto (formas

vegetativas)

Prolongado

(esporos)

Metais

pesados Antisspticos Inativao enzimtica



Tabela 2. Mtodos fsicos de assepsia e desinfeco.

Calor mido

(autoclave)

Vidraria, meios de

cultura, artigos

hospitalares

Desnaturao proteica 20 minutos

Calor seco

(estufa a

170 C)

Instrumentos metlicos,

leos e vidrarias

Desnaturao proteica

Oxidao 2 horas

Filtrao Lquidos e meios de

cultura

Reteno de partculas

maiores que o poro do

filtro

Efeito imediato

Radiao

(ionizante,

ultravioleta)

Vidraia, plsticos,

superfcies, preservao

de alimentos

Formao de dmeros

de piridina no DNA e de

radicais livres

15 minutos

(UV)

Outros procedimentos podem ser realizados para evitar ou restringir

o crescimento de micro-organismos em meios de cultura. Um exemplo a

adio de antibiticos. Antibiticos so compostos que tm efeito citotxico

ou citosttico sobre clulas bacterianas. Os antibiticos mais utilizados so

os que inibem a sntese da parece celular bacteriana (ex: beta-lactmicos),

os que inibem a sntese proteica das bactrias (ex: aminoglicosdicos), os

que inibem a replicao bacteriana (quinolonas) e os que citotoxicidade por

produo de intermedirios reativos (ex: nitrofuranos).

Para identificar se as colnias de micro-organismos em um meio de

cultura so fungos ou bactrias, uma anlise preliminar pode ser feita

analisando-se apenas caractersticas macroscpicas (Figura 2). De acordo

com as caractersticas observadas, como tamanho, forma, resistncia ao

antibitico, possvel identificar a provvel natureza de alguns micro-

organismos. Para sabermos se um determinado micro-organismo bactria

ou fungo, testes mais sofisticados podem ser necessrios.



Figura 2. Chave de identificao dos micro-organismos.

Uma forma simples de diferenciar fungos (Eukarya) de bactrias

(Procarya) observando sua morfologia macro- e microscpica. Os fungos

podem ser morfologicamente divididos em dois grandes grupos:

filamentosos e no-filamentosos (Figura 3). Os fungos filamentosos so

multicelulares e forma estruturas em forma de tubos chamadas hifas. Estes

fungos foram colnias com aspectos morfolgicos semelhantes a fiapos de

algodo, veludos, pelos. Os fungos no-filamentosos so geralmente

organismos unicelulares confundidas com colnias de bactrias. A

diferenciao realizada pela observao em microscpico ptico: clulas

eucariticas so maiores que as procariticas. Alm disso, bactrias podem

ser de diversas formas: cocos (esfricas ou arredondadas), bacilos (na

forma de basto), vibrilo (forma de vrgula), espirilo (forma espiral).



Figura 3. Fotomicrografias de fungos observados ao ptico de contraste interferencial. A, fungo

filamentoso Chytridium confervae. As setas indicam as hifas desse fungo. B, Fungo no filamentoso

(leveduriforme) do gnero Saccharomyces.

OBJETIVO

Verificar a presena de microorganismos em diversos

objetos/ambientes em meios de cultura com ou sem antibitico. Para tal,

todo o procedimento dever ser realizado utilizando manobras asspticas

em ambiente estril.

PARTE EXPERIMENTAL

Material e Reagentes

Balana semi-analtica.

Esptulas de pesagem.

Bqueres de 100 mL.

Proveta de 100 mL.

1 garrafa de vidro com tampa autoclavvel (ex: garrafa de

suco).

Reagentes para preparao do meio de cultura (LB, gar e

glicose).



Colnia de micro-organismos (E. coli).

Autoclave.

Tubos Falcon de 50 mL estreis.

2 placas de Petri pequenas

Caneta de retroprojetor.

Cotonetes estreis.

Fita crepe.

Filme de PVC.

Fita de autoclave.

gua destilada

Ampicilina (antibitico) 50 mg mL-1.

Procedimentos

PARTE A Preparo do meio de cultura para micro-organismos.

Sempre que fizer um experimento, faa apenas a quantidade de meio

de cultura que for usar. Nesta pratica, sero utilizadas 2 placas de Petri

contendo meio de cultura constitudo por LB, gar e glicose.

Calcule quanto de cada reagente voc precisar para preparar 30 mL

de meio, sendo 15 mL para cada placa de Petri. Pese cada reagente

separadamente (LB, gar e glicose) respeitando as propores e junte-os

em um becker. Em uma proveta acrescente o volume final de gua

destilada (i.e., se voc preparar 30 mL de meio, mea 30 mL de gua).

Transfira a gua da proveta para a garrafa de vidro j contendo o LB,

o gar e a glicose e mexa at dissolver completamente. Escreva o nome do

grupo em um pedao de fita crepe e cole na garrafa. Autoclave por 15

minutos.



PARTE B Preparo das placas de Petri com o meio de cultura.

Enquanto a soluo est na autoclave, anote na parte de baixo das

placas de Petri a identificao dos quadrantes, uma identificao do grupo e

a data. Divida a parte de baixo da placa em 4 partes iguais com uma

caneta de retroprojetor (Figura 4). Cuide para que no abra a placa de

Petri fora do bico de Bunsen (zona de segurana).

Figura 4. Esquema de diviso das placas com e sem antibitico.



PARTE C Plaqueamento com micro-organismos e verificao do

crescimento de colnias de bactrias.

Depois que o meio de cultura foi autoclavado, espere o meio esfriar

(at que consiga encostar a garrafa no antebrao). Enquanto isso acenda o

bico de Bunsen: a partir deste ponto, toda manipulao dever ser

realizada na zona de segurana.

Verta todo o meio da garrafa de vidro em um tubo Falcon e adicione

15 ml em uma das placas de Petri, deixando-a semi-aberta. Aos outros 15

mL restantes do tubo Falcon adicione o antibitico. Misture com cuidado e

verta o meio com antibitico na placa de Petri determinada, deixando-a

semi-aberta. Espere o meio das duas placas de Petri solidificar por

completo.

Sempre perto da chama, faa os testes de maneira que nos

quadrantes Controle n 1 e Controle n 3 no sejam esfregados nada. J

nos quadrantes Controle n 2 e Controle n 4 passe o cotonete que foi

previamente esfregado em uma cultura de bactria (neste caso, Escherichia

coli).

Ainda na zona de segurana, passe o cotonete que foi previamente

esfregado em uma superfcie ou soluo que voc queira testar se h

microorganismos nos quadrantes Teste n 1 e Teste n 2 nos dois meios

de cultura (com ou sem antibitico).

Quando terminar, feche as placas de Petri e coloque-as de cabea

para baixo na estufa a 37 C para crescimento durante 2 noites. Aps

incubao das placas na estufa, verifique se houve crescimento de algum

micro-organismo por 4 dias.



REFERNCIAS

Vermelho, A. B.; Pereira, A. F.; Coelho, R. R. R.; Souto-Padrn, T.; Prticas

de microbiologia. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006.

Carlile, M. J.; Watkinson, S. C.; The fungi. London: Academic Press, Hartcourt

Brace & Company Publishers, 1997.

Black, J. G.; Microbiology Principles and applications. 3rd ed. New Jersey:

Prentice-Hall, 1996.

Se voc tiver sugestes para melhorar este roteiro, mande um e-mail para

[email protected]


Atividade 2 Microbiologia e sade

Tabela 1. Meio LB-gua suplementado com glicose com ou sem ampicilina.

Reagentes

Para 1000 mL de

meio sem

antibitico

Para 1000 mL de

meio com

antibitico

Para 30 mL de meio

LB Broth 25 g 25 g

Ampicilina - 50 g.mL-1 50 g mL-1

Glicose 20 g 20 g

gua Para completar 1 L Para completar 1 L

Agar bacteriolgico 15 g 15 g

Figura 1. Fotografias das placas de Petri assim que preparadas.

Figura 2. Fotografias das placas de Petri no primeiro dia.



Figura 3. Fotografias das placas de Petri no segundo dia.

Figura 4. Fotografias das placas de Petri no terceiro dia.

Figura 5. Fotografias das placas de Petri no quarto dia.

.



ANLISE DOS DADOS

1. Qual a funo dos controles n 1, 2, 3 e 4?

2. Voc esperaria que houvesse crescimento de micro-organismos nos

controles n 1 a 4? Por qu?

3. No seu experimento, houve crescimento de algum micro-organismo nos

controles n 1 a 4? E nos testes? Justifique a partir das imagens.



4. Quais foram os controles negativo e positivo neste experimento? Por

qu?

5. Onde foram coletados Teste 1 e Teste 2? O que motivou a escolha?

6. Aponte nas imagens o crescimento das colnias. possvel realizar

uma anlise quantitativa?



7. A partir da observao do crescimento (ou no) de micro-organismos

em seus meios de cultura, quais mtodos de assepsia e desinfeco

voc utilizaria para tornar a soluo estudada um ambiente estril? E

em relao aos procedimentos envolvidos nos experimentos como um

todo?

8. Diante dos resultados obtidos, voc julga necessrio repetir o

experimento para obter uma concluso mais definitiva? Se voc fosse

repetir o experimento, o que voc faria de forma diferente? (no ser

necessrio repetir o experimento de fato)


Experimento 3 Construo de um sensor de

temperatura

INTRODUO1

As cincias naturais se fundamentam fortemente em dispositivos que

medem grandezas fsicas. A maior parte dos cientistas defende que

argumentos cientficos devem, sempre que possvel, basear-se em

parmetros mensurveis como distncia, temperatura, presso,

condutividade eltrica, acidez etc.

No contexto da indstria e laboratrios de pesquisa, busca-se a

integrao dos instrumentos de medida com computadores, de forma que

os processos e ensaios sejam realizados de forma automtica. Nesse

sentido, a definio moderna de sensor a de um dispositivo que

transforma uma grandeza fsica em uma varivel eltrica que pode ser

processada.

O ramo da cincia que trata do desenvolvimento de dispositivos que

medem grandezas fsicas denomina-se instrumentao. Neste experimento,

construiremos um tipo especfico de sensor de temperatura conhecido

como termopar.

A temperatura um parmetro fsico de extrema importncia. De fato,

a medida de muitos outros parmetros, como a umidade, depende da

medida de temperatura, ou seja, dentro de cada sensor de umidade existe

um sensor de temperatura a ele associado. Alm disso, uma medida

confivel de temperatura no tarefa simples. Pense, por exemplo, nos

termmetros que temos em casa para medir a temperatura corporal. Seria

bastante desejvel que esta medida fosse imediata, mas essa tecnologia

ainda no acessvel.

1 O experimento aqui proposto surgiu a partir do projeto final de Base Experimental das Cincias Naturais dos

alunos ingressantes da UFABC do ano de 2013, Agatha Lopes, Bianca Rezende, Mariana Carvalho, Raoan Oliveira e Thabata Provin. O projeto obteve meno honrosa no XI Simpsio de Base Experimental das Cincias Naturais.



temperatura

Os termopares so sensores de temperatura baseados no efeito

Seebeck (Fig. 1). So dispositivos que transformam uma diferena de

temperatura em diferena de potencial eltrico (ddp, conhecida tambm

como tenso eltrica ou voltagem). De forma simplificada, podemos dizer

que uma tenso eltrica pode ser observada nas extremidades de qualquer

condutor quando estas forem submetidas a uma diferena de temperatura.

Sob este ponto de vista, o fio de arame representado na Fig. 1 pode

ser considerado um sensor de temperatura. Uma forma intuitiva de se

entender o fenmeno considerar que os eltrons de conduo de um

metal constituem um gs. Sabemos que estes eltrons so livres para se

mover no condutor (da a possibilidade de haver corrente eltrica nos

metais). Na extremidade quente, os eltrons possuem maior agitao

trmica, ocasionando maior interao entre eles e diminuindo a densidade

eletrnica naquela regio (pense como uma briga de torcida diminui a

densidade de pessoas na regio da arquibancada onde ela ocorre). O efeito

oposto ocorre na extremidade fria. Como o potencial eltrico intimamente

relacionado com a densidade eletrnica, natural esperar uma tenso

eltrica entre as extremidades do arame. Esse efeito maior, quanto maior

for a diferena de temperatura. Para se realizar uma medida da diferena

de temperatura entre o gelo e a chama, bastaria medir a tenso eltrica

nas extremidades do fio. No entanto, o uso do fio dessa forma traz um

problema prtico. Imagine a hiptese de utilizarmos um multmetro para

medirmos a tenso eltrica entre as extremidades do fio de arame. Nesse

caso, um dos cabos do multmetro estaria em contato trmico com a

extremidade fria e outro cabo com a extremidade quente, o que geraria um

efeito Seebeck nos cabos do multmetro, interferindo na medida.



temperatura

Figura 1: Representao esquemtica do efeito Seebeck.

Para resolver esse problema, utiliza-se um par de condutores distintos

arranjados conforme a Fig. 2, da o nome termopar. Nessa configurao, o

multmetro e seus cabos ficam na regio de equilbrio trmico com o

ambiente, no sofrendo dos efeitos termoeltricos. Note que a

caracterstica desse sensor a presena de dois condutores diferentes, e

deseja-se que estes possuam caractersticas Seebeck bastante distintas. Se

o arranjo fosse feito com um mesmo condutor, ou com condutores com

caractersticas similares em termos do efeito Seebeck, a tenso medida

seria nula ou desprezvel, uma vez que suas extremidades (inseridas na

regio de equilbrio trmico com o ambiente) no apresentam variao de

temperatura.



temperatura

Figura 2: Diagrama esquemtico de um termopar em situao tpica de medio.

Observe que nessa configurao, o termopar apresenta duas junes,

denominadas juno quente e juno fria. Por praticidade, e tambm

por motivos histricos, a juno fria considerada uma juno de

referncia, e mantida em uma mistura de gua e gelo a 0 C. A juno

quente levada em contato com o elemento que se deseja saber a

temperatura2. E expresso matemtica que rege o comportamento de um

termopar dada pela eq. 6.1:

(1)

Onde a tenso medida nas extremidades, o coeficiente Seebeck

referente ao par de condutores A e B, e a diferena de temperatura

entre as junes do termopar. Note que a eq. 6.1 a equao de uma reta,

cujo coeficiente angular dado pelo coeficiente Seebeck. Na Fig. 3

podemos observar as curvas caractersticas de termopares convencionais.

2 Por praticidade, os termopares comerciais apresentam apenas a juno quente. A juno fria suprimida e

compensada eletronicamente. Trata-se de uma sofisticao da tcnica que no foco deste roteiro.



temperatura

Cada letra indica um termopar diferente. Por exemplo, o termopar E feito

com as ligas chromel (90% nquel e 10% cromo) e constantan (55% cobre

45% nquel) e o termopar tipo S feito com platina e uma liga de 90% de

platina e 10% rdio. Note tambm a ordem de grandeza do fenmeno,

onde a diferena de temperatura de milhares de graus Celsius gera uma

tenso eltrica da ordem de dezenas de milivolts.

Figura 3: Curvas caractersticas de vrios termopares convencionais.

OBJETIVO

Construir dois termopares diferentes e determinar a curva

caracterstica de cada um deles. Utilizar os termopares construdos para

determinar a temperatura da chama de uma vela.


Atividade 3 Construo de um sensor de

temperatura

PARTE EXPERIMENTAL

Materiais

~ 1,5 metro de trs materiais condutores diferentes. Podem ser

utilizados fios, fitas e at mesmo barras, desde que seja possvel

configurar os termopares de forma que as junes possam ser

inseridas em bqueres diferentes, como na Fig. 2. O material

pode ser qualquer condutor de eletricidade como cobre, ferro,

alumnio, arames, aos, etc. (Esse material deve ser

providenciado pelos integrantes do grupo)

Ferro de solda e fio de estanho para solda.

2 bqueres

Termmetro de coluna de mercrio ou lcool

Gelo

Chapa quente (hot plate)

Vela

Multmetro

Procedimento

Aquecer um bquer com gua na chapa quente at a fervura.

Utilizando os trs materiais condutores trazidos pelo grupo, montar

dois termopares como na Fig. 4. Ficam a critrio do grupo quais so os

condutores A e B para cada caso.



temperatura

Figura 4: Diagrama esquemtico de um termopar

Para garantir a resistncia mecnica e a qualidade do contato eltrico

necessrios, as junes so feitas por meio de solda de estanho. Em

princpio, pouco importa como feita a juno (por solda, fuso ou apenas

contato), o importante que o contato eltrico entre os condutores A e B

seja garantida.

Em seguida, deve-se obter a curva caracterstica dos dois termopares.

Para isso, necessrio obter vrias medidas de tenso referentes a

diferentes variaes de temperatura entre as junes. A juno fria

mantida em um bquer contendo uma mistura de gelo e gua a 0C. A

juno quente inserida no bquer com gua aquecida cuja temperatura

verificada com o termmetro. Com muita cautela, a primeira leitura deve

ser feita com a gua o mais prximo da fervura possvel. Esta corresponde

leitura com a maior variao de temperatura entre as junes. Na

sequncia, conforme a temperatura da gua do bquer vai baixando,

outras leituras de tenso podem ser obtidas. Os resultados, para os

termopares 1 e 2 devem ser colocados nas tabelas 1 e 2.


Ficha de dados Entregar ao docente

Construo de um sensor de

temperatura

Nome Docente

Termopar 1: Condutor A = Condutor B =

Medida Temperatura

Juno fria (C)

Verificar se ocorre

Temperatura Juno quente (C)

(C) V (mV)

1 0 C

2 0 C

3 0 C

4 0 C

5 0 C

6 0 C

7 0 C

8 0 C

9 0 C

10 0 C

11 0 C

12 0 C

13 0 C

14 0 C

15 0 C

16 0 C

17 0 C

18 0 C

19 0 C

20 0 C


Medida Temperatura

Juno fria (C)

Verificar se ocorre


(C) V (mV)

1 0 C

2 0 C

3 0 C

4 0 C

5 0 C

6 0 C

7 0 C

8 0 C

9 0 C

10 0 C

11 0 C

12 0 C

13 0 C

14 0 C

15 0 C

16 0 C

17 0 C

18 0 C

19 0 C

20 0 C


Em branco



temperatura


Medida Temperatura

Juno fria (C)

Verificar se ocorre


(C) V (mV)

1 0 C

2 0 C

3 0 C

4 0 C

5 0 C

6 0 C

7 0 C

8 0 C

9 0 C

10 0 C

11 0 C

12 0 C

13 0 C

14 0 C

15 0 C

16 0 C

17 0 C

18 0 C

19 0 C

20 0 C


Medida Temperatura

Juno fria (C)

Verificar se ocorre


(C) V (mV)

1 0 C

2 0 C

3 0 C

4 0 C

5 0 C

6 0 C

7 0 C

8 0 C

9 0 C

10 0 C

11 0 C

12 0 C

13 0 C

14 0 C

15 0 C

16 0 C

17 0 C

18 0 C

19 0 C

20 0 C



temperatura

No espao abaixo, faa os grficos das curvas caractersticas dos

termopares 1 e 2. Por meio dos dados experimentais, atribua uma reta ao

comportamento da tenso em funo da diferena de temperatura entre as

junes para cada um dos casos. A partir das retas, determine os

coeficientes Seebeck e dos termopares 1 e 2 respectivamente.

= =



temperatura

Aps determinar o coeficiente Seebeck dos termopares, pode-se

utiliz-los para realizao de medidas de temperatura. Como objeto de

teste, utilizaremos a chama de uma vela.

Mantendo-se a juno fria a 0 C, introduza a juno quente na chama

da vela e mea a tenso nas extremidades do termopar. Esse procedimento

deve ser feito com todo o cuidado. O calor da chama propaga-se pelos

condutores do termopar, por isso, eles devem ser mantidos na posio por

meio de uma pina adequada ou um suporte. Alm disso, bem provvel

que o calor da chama provoque a fuso do estanho da solda. A medida

funcionar desde que o contato eltrico seja mantido.

A partir da tenso medida e da Eq. 1, determine a temperatura da

chama da vela.

(espao para clculos)

Temperatura da chama da vela =



temperatura

ANLISE DOS DADOS

1. Compare os coeficientes Seebeck obtidos para os termopares que

vocs construram. Qual deles mais sensvel? Justifique.

2. Compare a temperatura da chama da vela obtida no experimento com

dados obtidos na literatura. Faa uma anlise crtica do resultado

obtido pelo seu grupo, indicando os principais fatores que contriburam

para o resultado do experimento.



temperatura

3. No roteiro foi dito que em princpio, pouco importa como feita a

juno (por solda, fuso ou apenas contato), o importante que o

contato eltrico entre os condutores A e B seja garantida. Isso

procede em primeira aproximao. Discuta com seu grupo o porqu

desse fato.

4. Na Fig. 3 evidente que todas as curvas caractersticas dos

termopares passam pela origem. Note que a abscissa dada em graus

Celsius, e no em Kelvins, o que caracteriza a origem em 0 C como

arbitrria. Porque isso ocorre?



temperatura

5. O coeficiente Seebeck de um termopar comercial da ordem de 40

. Compare esse valor com o obtido pelos termopares montados

pelo seu grupo. Justifique.

caderno aluno 2014

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