compreendendo a radiaÇÃo de corpo negro a … · entre o aluno e o conhecimento para possibilitar...
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Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física
Mestrado Nacional Profissional
Sociedade Brasileira de Física
CADERNO DO PROFESSOR DE FÍSICA
COMPREENDENDO A RADIAÇÃO DE CORPO
NEGRO A PARTIR DO ESTUDO DOS
PROCESSOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR
Marlos Machado
Iraziet da Cunha Charret
Antonio dos Anjos Pinheiro da Silva
LAVRAS – MG
2016
Marlos Machado
Iraziet da Cunha Charret
Antonio dos Anjos Pinheiro da Silva
COMPREENDENDO A RADIAÇÃO DE CORPO
NEGRO A PARTIR DO ESTUDO DOS
PROCESSOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR
Unidade Didática desenvolvida como requisito parcial
para obtenção do grau de Mestre em Ensino de Física,
no Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física da
Universidade Federal de Lavras, fazendo parte da
dissertação de mestrado.
LAVRAS – MG
2016
Caderno do Professor de Física, v. 2, n.3, 2016
Departamento de Ciências Exatas – UFLA
Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física
Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física
L I C E N Ç A
Este trabalho está licenciado sob uma Licença Creative Commons Atribuição-Não
Comercial-Compartilha Igual 4.0 Internacional. Para ver uma cópia desta licença, visite
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/.
Ficha Catalográfica
Machado, Marlos.Compreendendo a radiação de corpo negro a partir dos processos de transmissão de calor / Marlos Machado,
Iraziet da Cunha Charret, Antonio dos Anjos Pinheiro da Silva – Lavras: UFLA, Departamento de Ciências Exatas, 2016.
58 p. : il (Caderno do Professor de Física/ v. 2, n.2)
Produto Educacional (Unidade Didática), do Curso de MestradoProfissional, do Programa de Pós-Graduação em Ensino deFísica, da Universidade Federal de Lavras.
1. Ensino de Física. 2. Radiação de Corpo Negro. 3. Unidades Didáticas. 4. Ensino Médio. 5. Processos de Transmissão de Calor 6. Física Moderna e Contemporânea. I. Charret, Iraziet da Cunha II. Título III. Série.
A G R A D E C I M E N T O S
Ao Unifor-MG pelo apoio, incentivo e compreensão ao produzir
um horário que favorecesse a minha participação em todos as
atividades do mestrado.
Ao Colégio Losango de Formiga por permitir a realização de
todas as atividades cedendo o espaço físico para
desenvolvimento das atividades.
Aos estudantes do segundo ano do Ensino Médio pela
colaboração, incentivo e empenho no desenvolvimento das
atividades.
Sumário1. Apresentação................................................................................................................................62. Estrutura das Aulas......................................................................................................................83. Orientações Gerais.......................................................................................................................94. Objetivos Gerais........................................................................................................................105. Perpectiva Adotada....................................................................................................................105.1 Trabalhos em Grupos...............................................................................................................115.2 Experimentos...........................................................................................................................125.3 Textos de Divulgação Científica..............................................................................................126. Detalhamento Aula a Aula.........................................................................................................13
6.1. Aula I – A História de como chegamos às definições e conceitos................................136.2. Aula II – Concepções iniciais e primeiros experimentos..............................................216.3. Aula III – Primeiros experimentos (parte II).................................................................226.4. Aula IV – Primeiros experimentos (parte III)................................................................266.5. Aula V – Esclarecendo alguns conceitos através da garrafa térmica............................336.6. Aula VI – A Física já está construída?...........................................................................366.7. Aula VII e VIII– Experimental e investigativa com o simulador Phet..........................436.8. Aula IX e X Apresentação dos alunos...........................................................................50
1. Apresentação
O Produto Educacional aqui apresentado contempla à exigência do Mestrado Nacional
Profissional em Ensino de Física (MNPEF). Este Produto consiste de uma unidade didática que
acompanha a dissertação. Segundo Zabala (1998) uma UD é definida como um:
Conjunto de atividades ordenadas, estruturadas e articuladas para a realização de
certos objetivos educacionais, que têm um princípio e um fim conhecidos, tanto
por professores como pelos alunos (ZABALA, 1988, p.18).
Considera-se importante na construção da unidade didática também o que diz Carvalho e
Perez (2001):
É preciso que os professores saibam construir atividades inovadoras que levem os
alunos a evoluírem, nos seus conceitos, habilidades e atitudes, mas é necessário
também que eles saibam dirigir os trabalhos dos alunos para que estes realmente
alcancem os objetivos propostos (CARVALHO & PEREZ, 2001, p. 114).
Seguindo as orientações supracitadas, ao se construir essa unidade didática, estabeleceu-se
como objetivo a inserção de Física Moderna para estudantes do Ensino Médio. O desenvolvimento
se deu a partir de conceitos da Física Clássica, onde foram estudados os processos de transmissão
de calor apresentando, a partir desses estudos, a radiação do corpo negro.
Os documentos oficiais também foram levados em consideração, pois fornecem algumas
orientações importantes, como por exemplo, apresentar aos estudantes as maneiras através das quais
o desenvolvimento da ciência ocorre, como aparece nos Parâmetros Curriculares Nacionais, que
afirmam que:
A Física deve vir a ser reconhecida como um processo cuja construção ocorreu ao
longo da história da humanidade, impregnado de contribuições culturais,
econômicas e sociais, que vem resultando no desenvolvimento de diferentes
tecnologias e, por sua vez, por elas impulsionado (BRASIL, 2002, p.59).
Outro ponto importante é desenvolver nos estudantes, futuros cidadãos críticos, a
capacidade de se orientarem, buscando informações conforme suas necessidades, capazes de fazer
leituras que possam orientá-los na construção do seu próprio conhecimento:
Lidar com o arsenal de informações atualmente disponíveis depende de habilidades
para se obter, sistematizar, produzir e mesmo difundir informações (…). Isso inclui
ser um leitor crítico e atento das notícias científicas divulgadas de diferentes
formas: vídeos, programas de televisão, sites da Internet ou notícias de jornais
(BRASIL, 2002, p.27).
É importante também que ao iniciar um projeto educacional tenhamos em mente o que diz
Libâneo (2004):
a didática precisa incorporar as investigações mais recentes sobre modos de
aprender e ensinar e sobre o papel mediador do professor na preparação dos alunos
para o pensar. Mais precisamente, será fundamental entender que o conhecimento
supõe o desenvolvimento do pensamento e que desenvolver o pensamento supõe
metodologia e procedimentos sistemáticos do pensar. Nesse caso, a característica
mais destacada do trabalho do professor é a mediação docente pela qual ele se põe
entre o aluno e o conhecimento para possibilitar as condições e os meios de
aprendizagem, ou seja, as mediações cognitivas (LIBÂNEO, 2004, p.5).
Por meio dos apontamentos de Libâneo (2004), percebe-se a importância conferida à figura
do professor e aos processos de mediação possíveis entre ele e os estudantes e suas repercussões no
desenvolvimento cognitivo.
Essa unidade didática prevê dez aulas de cinquenta minutos e a sugestão é que todas as
atividades sejam realizadas em grupos. A construção da unidade didática foi pensada de modo a
promover a interação entre os estudantes, materiais e professor, para que o conhecimento fosse
alcançado de modo coletivo.
Espera-se que esse material seja útil para o professor que deseja desenvolver tópicos de
Física Térmica (calor, temperatura e processos de transmissão de calor), bem como, inserir Física
Moderna através da radiação do corpo negro.
Àqueles que por ventura desenvolverem as atividades aqui propostas, junto com seu alunos,
fica nosso agradecimento.
Os autores.
2. Estrutura das Aulas
Aulas Objetivos específicos Conteúdo Metodologia Recursos didáticos
Aula I – A história de comochegamos às definições econceitos
1. Formalizar os conceitos de calor e temperatura.2. Discutir sobre o desenvolvimento da ciência e o papel docientista neste processo.
1. Tempertura.2. Calor.3. Energia térmica.4. Equílibrio térmico.
1. Atividade realizadaindividualmente.2. Realização da leitura do textode divulgação científica.3. Realização de uma atividadeavaliativa - exercícios.
Texto dedivulgação científica
Aula II – Concepções Iniciaise Primeiros Experimentos(Parte I)
1. Identificar as concepções dos estudantes sobre calor etemperatura em situações do cotidiano.2. Investigar os modelos que os estudantes apresentam para oprocesso de propagação de calor por condução.3. Identificar alguns condutores e isolantes.
1. Tempertura.2. Calor.3. Condutores e isolantes.
1. Atividade realizada em gruposde quatro integrantes.2. Realização de um experimento- Tridente com metais condutores- onde os estudantes responderama questões de cunhoinvestigativo.
Experimento 1:
Um tridente feitocom três materiaisdiferentes: ferro,cobre e alumínio; umfogareiro; um suportepara os tridentes.
Aula III – PrimeirosExperimentos (Parte II)
1.Investigar os modelos que os estudantes apresentam para osprocessos de propagação de calor por convecção.
1. Processo de propagação de calorpor convecção.
1. Atividade realizada em gruposde quatro integrantes.2.Realização de doisexperimentos - serragem na águae catavento e espiral - onde osestudantes responderam aquestões de cunho investigativo.3. Socialização e discussão dosresultados encontrados pelosgrupos ao realizarem osexperimentos.
Experimento 2:
Uma panela comágua; um fogareiro e serragem.
Experimento 3:
Uma vela oufogareiro; umcatavento feito defolha de caderno;uma espiral cortadaem folha de papel A4,amarrada em umalinha.
Aula IV – PrimeirosExperimentos (Parte III)
1. Investigar os modelos que os estudantes apresentam para osprocessos de propagação de calor por radiação.2. Discutir o efeito estufa e interpretá-lo a partir dos processos depropagação de calor.
1. Processo de propagação de calorpor radiação.2. Efeito estufa.
1. Atividade realizada em gruposde quatro integrantes.2. Realização de um experimento- latas pintadas - onde osestudantes responderam aquestões de cunho investigativo. 3. Discussão dos resultadosencontrados pelos grupos aorealizarem os experimentos.4. Exibição do vídeo sobre efeitoestufa e discussão.
Experimento 4:
Latas de refrigerantepintadas com coresdiferentes; lâmpadade 60 W etermômetros.
Aula V – Esclarecendo algunsconceitos através de umagarrafa térmica
1. Discutir sobre os processos de transmissão de calor, de modo aesclarecer possíveis dúvidas.2. Discutir quais as concepções que os estudantes têm a respeitode modelos em ciências.
1. Esclarecer possíveis dúvidassobre os processos de propagaçãode calor.2. Modelos.
1. Uso de um esquema de umagarrafa térmica, para promoverdiscussões sobre os processos detransmissão de calor e de queforma eles ocorrem.2. Leitura de um texto sobre ouso de modelos em ciências.
Papel A4 com oesquema de umaGarrafa térmica.Texto de divulgaçãocientífica.
Aula VI – A Física já está construída?
1. Investigar as concepções dos estudantes em relação à emissãode calor por corpos aquecidos.2. Discutir quais problemas eram relevantes para odesenvolvimento da indústria na época da revolução industrial ecomo, a partir da tentativa de solucionar esses problemas, se deuinício ao estudo da Física Quântica.
1. o que são radiações?2. Relação entre cor e temperatura.3. O corpo negro.
1. Atividade investigativa,realizada em grupos de quatrointegrantes.2. Uso de questões de cunhoinvestigativo, onde os estudantesapresentarão suas concepções arespeito da relação entre emissãode radiação e a cor dos corpos.3. Debate entre grupos a fim desocializarem suas respostas.4. Realização da leitura do textode divulgação científica.
Questões de cunhoinvestigativo.Texto de divulgaçãocientífica.
Aulas VII e VIII –Experimental e investigativacom o simulador PhET
1. Investigar os modelos que os estudantes apresentam para aradiação térmica.2. Discutir o modelo de radiação emitida por um corpo negro.
1. Radiação emitida por um corpo negro.2. Lei de Wien.
1. Atividade realizada em gruposde quatro integrantes.2. Realização da simulaçãoPhET – simulação relacionada àradiação de corpo negro1, ondeos estudantes responderam aquestões de cunho investigativo. 3. Tarefa para casa.
Experimento 5:
Computador.Questões de cunhoinvestigativo.
Aulas IX e X – Apresentaçãodos estudantes
1. Identificar as concepções que foram relevantes depois daconclusão das aulas.2. Investigar os modelos que os estudantes apresentam para amudança de paradigma entre a Física Clássica e a FísicaContemporânea.
1. Apresentação dos estudantes.
1. Atividade realizada em gruposde quatro integrantes.2. O tempo previsto é de vinteminutos para cada grupo.3. Realização da apresentaçãodos seminários dos estudantessobre os temas abordados.
Os grupos escolhemlivremente o queusarão.
1Disponível em: http://phet.colorado.edu/en/simulation/blackbody-spectrum, acessado em 25/06/2015
3. Orientações Gerais
Antes do início das atividades descritas a seguir, os estudantes deverão ser informados sobre
as apresentações que farão no final da sequência das aulas. Para ajudá-los, em cada aula serão
fornecidos textos que os auxiliarão na tarefa.
Por meio de uma série de atividades experimentais, a discussão começa com um tema de
Física Clássica, os processos de transferência de calor. Criam-se assim, as condições necessárias
para iniciar as discussões sobre radiação térmica, mostrando como se deu o início do
desenvolvimento da chamada Física Contemporânea.
A sugestão é que a primeira aula inicie com a leitura de um texto de divulgação científica,
mostrando como ocorreu o desenvolvimento histórico dos fenômenos ligados ao calor e à
temperatura. A importância dessa aula está em se verificar se esses termos estão sendo usados
corretamente pelos estudantes.
A segunda, terceira e quarta aulas, devem ser desenvolvidas através da exploração de alguns
experimentos, com os devidos questionários investigativos. Essa abordagem tem como objetivo que
o estudante perceba a forma como a ciência é construída e como novas perguntas surgem a partir da
investigação, de forma que se possa buscar respostas, desenvolvendo assim novos conhecimentos.
Na quinta aula sugere-se a utilização de uma ilustração com um esquema de uma garrafa
térmica, onde pode-se discutir os processos de transmissão de calor, para que dúvidas em relação às
atividades desenvolvidas nas aulas anteriores possam ser sanadas. Logo depois, deve-se fornecer
um texto para que se discuta a construção de modelos em ciência, exemplificando como os
cientistas utilizam esses modelos para descrever a natureza.
Na sexta aula, os estudantes devem responder a um questionário investigativo a respeito da
temperatura relacionada a cor dos corpos. Em seguida, ocorrerá a leitura de um texto de divulgação
científica, mostrando em que contexto surgiu o problema da radiação do corpo negro. Após a leitura
deste texto, deve-se promover um debate entre os estudantes.
Na sétima e oitava aulas serão realizados experimentos com o simulador PhET, que faz parte
de um programa da Universidade do Colorado que pesquisa e desenvolve simulações
computacionais na área de ensino de ciências (http://phet.colorado.edu). A simulação utilizada foi a
relacionada à radiação de corpo negro (blackbody-spectrum2). Associado ao experimento virtual, os
estudantes responderão a um roteiro semiestruturado.
Na nona e décima aulas, os estudantes farão as apresentações sobre os conteúdos das aulas
anteriores, onde se poderá avaliar as percepções dos mesmos sobre os temas estudados.
Este material foi construído para auxiliar professores do ensino médio com a inserção de
2 Disponível em: http://phet.colorado.edu/en/simulation/blackbody-spectrum, acessado em 25/06/2015.
temas de Física Contemporânea em suas salas de aula. As estratégias foram pensadas sempre com a
intenção de tornar os estudantes ativos durante os processos de aprendizagem.
4. Objetivos Gerais
Desenvolver com os estudantes do segundo ano do Ensino Médio temas relacionados aos
processos de transmissão de calor, de forma a contribuir para uma compreensão mais ampla da
realidade e colaborando para o entendimento sobre alguns fenômenos climáticos.
Investigar como os estudantes compreendem os limites da Física Clássica e a importância de
se estudar Física Contemporânea, com vistas a identificar contribuições para uma formação cidadã.
5. Perspectiva Adotada
Para desenvolver um trabalho que considere a importância do professor como mediador de
todo o processo e que assume o compromisso de desenvolver atividades que procuram fazer com
que os estudantes participem ativamente da construção do conhecimento, deve-se desenvolver
estratégias que contribuam para a interação entre os agentes participantes desse projeto, ou seja,
estudantes, professor e materiais utilizados nas aulas. É importante que os estudantes possam
interagir entre si e que o professor não dê respostas prontas, de modo que a busca por respostas e
questionamentos, se dê de forma coletiva.
Pensando em atividades que tem esse potencial, de produzir interação entre os agentes
participantes do processo de ensino-aprendizagem, e tentando alcançar o que sugere Libâneo
(2004), ao falar de uma “pedagogia mais atualizada”, onde deve-se considerar,
o papel ativo dos sujeitos na aprendizagem escolar, a construção de conceitos a
partir das representações dos alunos, a relação entre o conhecimento e a realidade,
a formação de valores por meio do currículo, a criação de situações de interação e
cooperação entre os alunos (LIBÂNEO, 2004, p.5).
Optou-se pelo uso das seguintes estratégias: trabalhos em grupos, experimentos, textos de
divulgação científica, as quais serão detalhadas a seguir.
5.1 Trabalhos em Grupos
A opção que se faz pelos trabalhos em grupos se alicerça na teoria histórico-cultural de
Vygotsky, que nos ensina que para ocorrer aprendizagem significativa é necessário haver interação
entre os atores participantes do processo, ou seja, estudantes, professor e materiais educacionais
usados nas práticas realizadas em cada atividade. Com exceção das duas primeiras aulas, o
desenvolvimento das atividades deve ocorrer em grupos, onde os estudantes possam se manifestar
livremente, dando opiniões e trocando informações, de forma que suas dúvidas e anseios possam ser
discutidos nos momentos em que ocorrem.
A teoria histórico-cultural explica o desenvolvimento da mente tomando como base o
materialismo dialético, e tem como expoente máximo seu fundador Vygotsky. As concepções de
muitos teóricos da escola histórico-cultural, como Leontiev e Davydov foram determinantes para o
desenvolvimento deste projeto, pois consideram a escola como local de interações sociais.
Libâneo (2004) esclarece ainda que “com Vygotsky a apropriação da cultura se dá pela
comunicação com outras pessoas”. A educação e o ensino tem papel fundamental no
desenvolvimento dos estudantes. Leontiev não considera a atividade docente como abstrata, pois o
professor ao pensar uma atividade prática tem uma intenção. O professor também pode aprimorar
seu trabalho ao longo de sua vida, a medida que se apropria de novas práticas, desenvolvidas tanto
por ele, quanto por outros professores. Davydov se preocupa com a organização dos currículos, pois
está no programa os conteúdos que serão trabalhados e que vão desenvolver a forma de pensar do
estudante. Desenvolve a teoria de que os processos de mediação propostos pelo professor devem se
conectar à atividade de aprendizagem do estudante, pois dessa forma, esses poderão alcançar um
pensamento teórico científico, ampliando o seu desenvolvimento mental, de modo que esse
estudante aprenda a pensar.
5.2 Experimentos
Nesta unidade didática, os experimentos sempre serão acompanhados de um questionário
investigativo, esperando-se que com isso, os estudantes consigam estabelecer relações entre os
conhecimentos do seu cotidiano e o conhecimento teórico. De acordo com Zanon e Silva (2000), o
experimento tem essa potencialidade de: “ajudar os alunos a aprender através do estabelecimento
de inter-relações entre os saberes teóricos e práticos inerentes aos processos do conhecimento
escolar em ciências (ZANON & SILVA, 2000, p.134).”
O experimento também é importante, no sentido do estudante ser ativo no processo, como
nos informa Carvalho et al. (1999), quando explica que: “O experimento é uma forma de levar o
aluno a participar de seu processo de aprendizagem, sair de uma postura passiva e começar a
perceber e a agir sobre o seu objeto de estudo… (CARVALHO et al., 1999, p.42)."
Durante o desenvolvimento dos experimentos, os estudantes responderão a roteiros
semiestruturados de cunho investigativo, que darão apoio à experimentação, levando-os a pensar a
partir de uma situação-problema de forma que os participantes do experimento se sintam à vontade
para perguntar, trocar informações e discutir suas ideias, tanto no seu grupo, quanto com outros
grupos.
5.3 Textos de Divulgação Científica
Esses textos serão utilizados de forma que cada estudante deverá ler um parágrafo do texto
e tanto o professor quanto os estudantes promoverão discussões em pontos que considerarem
importantes. No que se refere à adoção de textos de divulgação científica, que se utiliza de
linguagem mais simples, vários autores afirmam que estes tornam o conhecimento científico mais
próximo da vida do estudante, o que contribui para apontar a relevância da leitura para a formação
de cidadãos críticos. Nesse aspecto concorda-se com Terrazan e Gabana (2003) quando afirmam
que:
É de fundamental importância que os professores percebam o potencial didático de
outros textos, que estejam mais próximos da leitura espontânea de seus alunos do
que os livros didáticos. Seria desejável também que estas leituras fossem
organizadas em atividades didáticas que permitissem e estimulassem um maior
grau de discussão e participação dos alunos nas próprias aulas (TERRAZAN &
GABANA, 2003, p.2).
Estes textos de divulgação científica também serão utilizados como referência, para que se
aponte aos estudantes as maneiras através das quais o desenvolvimento da ciência ocorre.
Dessa forma, o que se deseja é apresentar também os paradigmas existentes entre Física
Clássica e Física Contemporânea. Ainda de acordo com Terrazan e Gabana (2003), esses textos
contribuem para mostrar aos estudantes, como ocorre o desenvolvimento da ciência, tendo ainda a
função de ajudar na leitura, escrita, interpretação e produção textual, dada a proximidade de sua
linguagem com o cotidiano do estudante.
Assim, os textos de divulgação científica podem ser o veículo de mediação, para levar para
o ambiente escolar a discussão sobre o que está acontecendo atualmente nos meios científicos.
A mediação do professor é fundamental para que as tarefas sejam desenvolvidas de forma
a dar importância ao processo de construção do conhecimento sem que respostas prontas sejam
dadas.
6. Detalhamento Aula a Aula
Nessa unidade didática trata-se inicialmente dos processos de transmissão de calor:
condução, convecção e radiação. Logo depois, inicia-se o estudo da radiação do corpo negro. Para
isso, espera-se que os estudantes tenham os seguintes pré-requisitos para realizar as atividades:
• Conhecimentos acerca de grandezas diretamente e inversamente proporcionais.
• Conhecimentos sobre as operações básicas com potências de dez.
• Noções de teoria atômica.
• Conceito de densidade.
• Conhecimentos sobre as diferenças entre calor e temperatura.
• Conhecimentos básicos de mecânica ondulatória.
6.1. Aula I – A História de como chegamos às definições e conceitos
Conversa com o professor
Essa aula foi desenvolvida em 50 minutos, sendo 30 minutos para discussão do texto e 20
minutos para responderem ao questionário. Para início da aula cada estudante lia um parágrafo e o
professor tecia comentários de acordo com a relevância do tema, muitas vezes os estudantes
também faziam intervenções. Alertamos o professor no sentido de que se deve ler o texto com
cuidado na preparação da aula, pois corre-se o risco de não se desenvolver todo o texto em 30
minutos, caso os comentários sejam longos. A leitura antecipada, como preparação da aula, também
é muito útil para se apropriar do contexto histórico em que os conceitos foram desenvolvidos pois,
de acordo com o que se pode verificar, os estudantes foram muito participativos nessa parte.
Cabe ainda salientar que as discussões devem ser socializadas, para que todos construam o
conhecimento de forma social. Isso significa que os conhecimentos do cotidiano trazidos pelos
estudantes devem ser considerados e postos no debate e o professor não deve dar as respostas
prontas, mas sim instigá-los para que pensem sobre elas.
Na análise das respostas dos estudantes, relativas à aula I, foi possível perceber que
conceituar temperatura, calor e entender como ocorre o equilíbrio térmico, não é uma tarefa fácil.
Durante as aulas no formato mais tradicional, alguns professores são levados a pensar que os
estudantes entendem esses temas com facilidade, mas quando se promovem discussões e debates e
os estudantes tem a oportunidade de se expressar livremente, percebe-se o oposto. Através dessas
discussões pode-se corrigir erros conceituais e melhorar a linguagem científica dos estudantes.
Materiais Didáticos
Texto de Divulgação Científica
CALOR: UMA FORMA DE ENERGIA
(Adaptado de MARQUES, N. L. R. & ARAUJO, I. S. Textos de Apoio ao Professor de Física –IFUFRGS, v. 20, nº 5).
Duração: 30 min
Prof. Escola:
Nome
1. Energia
A origem do termo energia é a palavra grega “érgon”, que significa trabalho. Assim, “en +érgon” quer dizer, na Grécia Antiga, “em trabalho”, “em atividade”, “em ação”.
Energia é um termo muito usado nos meios de comunicação e tem um significado especialpara a ciência e a tecnologia. É comum ouvirmos frases do tipo: “as crianças têm muita energia”, “aenergia dos cristais”, “aquela pessoa tem uma energia negativa”, “algumas plantas trazem energiapositiva para a casa”. Na ciência, o termo energia tem um significado um pouco diferente que, namaioria das vezes, pode não coincidir com o uso cotidiano.
A energia é uma grandeza particularmente importante, porque está relacionada com os maisdiversos fenômenos. Na verdade, todos os fenômenos que ocorrem na natureza envolvemtransformações de energia. Enquanto caminhamos ou lemos um livro, estamos transformandoenergia. Para o nosso organismo manter as funções vitais, como por exemplo, pulsar o coração,respirar ou manter a temperatura corporal constante, estamos também transformando energia.
Até o momento o termo “energia” foi usado várias vezes sem, no entanto, apresentarmosuma definição para ele. Mesmo sendo um dos conceitos mais importantes da Física, ele é abstrato, oque o torna de difícil definição pois abrange fenômenos extremamente diferentes entre si. A energiaafeta tudo que existe na natureza e as leis que governam seu comportamento estão entre as maisimportantes e abrangentes da ciência. Podemos pensar em energia como algo que se transformacontinuamente e que pode ser usado para realizar trabalho. Segundo Moreira (1998):
“Se tivéssemos que citar um único conceito físico como o mais importante para a Física, e paratoda a Ciência de um modo geral, este seria o conceito de energia. De maneira análoga, setivéssemos que citar qual o mais útil princípio físico para toda a Ciência a escolha, certamente,recairia sobre o princípio da conservação da energia. Aliás, não é difícil perceber que estasescolhas estão relacionadas” (MOREIRA, 1998, p.2).
Estamos acostumados a ouvir falar em “energia elétrica”, “energia elástica”, “energiaeólica”, “energia química”, “energia nuclear”, mas, na realidade, todas essas formas estão incluídasnas três formas fundamentais de energia: a cinética, devido ao movimento; a potencial, devido aoefeito das forças de interações; e a energia devido à massa, dada pela equação de Einstein, E = mc2
(MOREIRA, 1988, p.2).Existe um princípio que se aplica a qualquer processo físico até hoje conhecido, e para o
qual não se conhece exceções: o princípio da conservação da energia. A energia, em qualquerprocesso físico, apenas pode ser transformada e a sua quantidade total sempre permanece constante.E, precisamente nisso reside sua importância, ou seja, em um sistema físico isolado existem váriasformas de energia, podendo umas se transformarem nas outras porém, no geral, a energia não podeser criada nem destruída.
O calor é uma das formas de energia mais utilizadas pela humanidade. Por exemplo, para o
funcionamento de máquinas térmicas, fornos siderúrgicos, geração de energia elétrica,termoterapia3, entre outras aplicações. Existem registros da tentativa de se explicar o calor quedatam aproximadamente de 600 anos antes de Cristo, mas estas tentativas reduziam-se a merasespeculações. Os filósofos do século VII a.C. Anaximandro, Heráclito e Empédocles e, até mesmoPlatão e Aristóteles, possuíam noções muito limitadas sobre a natureza do calor. Platão aceitava ocalor como algo que estava associado aos corpúsculos do elemento fogo. Aristóteles acreditava queo frio e o quente eram duas das quatro qualidades primárias da matéria, além do seco e do úmido.
No século XIII, foi desenvolvida uma teoria por Roger Bacon (1214-1294) segundo a quala causa do calor era o movimento interno das partículas do corpo, porém não se sabia se era o calorque produzia movimento ou se o movimento é que produzia o calor. Galileu Galilei (1564-1642)considerava o calor como uma espécie de fluido capaz de penetrar e abandonar qualquer corpo comgrande facilidade.
Francis Bacon (1561-1626) observou o fato de que fortes e frequentes marteladasproduziam o aquecimento de um pedaço de ferro. Conhecia-se, igualmente, o método de obtençãodo fogo pelo atrito. Ele concluiu que o calor era um movimento interno das pequeníssimaspartículas que constituem a matéria, onde a temperatura do corpo depende da velocidade associadaao movimento dessas partículas.
Até meados do século XVII, pode-se observar a existência de duas hipóteses queprocuravam explicar o calor: uma associada à ideia de fluido e outra que o considerava comomovimento das partículas do corpo. Nessa época não existia a preocupação em se chegar a umconsenso sobre a validade de cada uma delas e isso pode ser entendido pelo fato de não sernecessário tratar o calor quantitativamente.
O aperfeiçoamento nos termômetros, feitos por Fahrenheit (1686-1736), melhorou aprecisão das medidas, o que permitiu que no final do século XVIII, Joseph Black (1728-1799),professor de química da Universidade de Glasgow, estabelecesse distinções entre os conceitos detemperatura e calor, a partir de estudos sobre a fusão do gelo. O aperfeiçoamento ocorrido natécnica de construção de termômetros também contribuiu para melhorar o entendimento de váriaspropriedades térmicas dos materiais.
Até o final do século XIX, os fenômenos térmicos ainda eram explicados admitindo-se aexistência de uma substância material chamada calórico4. Joseph Black observou que todos osmateriais, a diferentes temperaturas, tinham a tendência de entrar em equilíbrio térmico quandopostos em contato. Ele estudou as transformações nos materiais enquanto o calor ‘entrava’ ou ‘saía’deles.
Em 1770, Black propôs que o calórico seria um fluido composto de partículas minúsculasque se repeliriam umas às outras, mas seriam atraídas pela matéria. A teoria do calórico permitiaexplicar um conjunto de fenômenos ligados ao calor. A contração e a expansão observadas com oresfriamento e o aquecimento, respectivamente, eram exemplos de observações ligadas ao calórico.A expansão e a contração eram resultados do acúmulo e da liberação de calórico.
Já a geração de calor por atrito era explicada devido ao fato desse reduzir a atração entre ocalórico e a matéria. A teoria era baseada em dois postulados: (1) o fluido material (calor) não podiaser criado ou destruído e (2) a quantidade de fluido material (calor) transferido de um objeto paraoutro era proporcional à sua massa e à variação de temperatura. O termo calórico foi proposto porLavoisier, em 1817.
Os problemas da teoria do calórico tornaram-se críticos frente a argumentação formuladapor Benjamin Thompson (1753-1814), Conde de Rumford. Thompson, ao inspecionar a fabricaçãode canhões de bronze, observou que os blocos desse metal tornavam-se incandescentes à medidaque a broca os perfurava, e ainda, que o bronze continuava a esquentar mesmo que a broca estivesse
3 Termoterapia é a variação de temperatura corporal, controlada através de equipamentos próprios oumanipulação, que resulta no aumento ou diminuição da temperatura dos tecidos corporais com finsterapêuticos ou estéticos.
4 O valor calórico dos alimentos está relacionado com a energia química liberada pelos alimentos após a sua digestão.
sem fio. Ele sugeriu na época que o calor liberado na perfuração do cano dos canhões não estarialigado ao calórico que era transferido da broca para o bronze, mas ao trabalho efetuado pela brocasobre os canhões. Então, como explicar o aquecimento que ocorria quando a broca não tinha maisfio? Convencido de que o calor era gerado pelo atrito, Rumford realizou a seguinte experiência.Mergulhou na água um canhão a ser perfurado, a fim de que o calor produzido pela broca fossetransferido para a água. Para fazer a perfuração, usou uma parelha de cavalos, atrelados ao eixo dabroca, fazendo-a girar. Após aproximadamente duas horas e meia girando com a broca, omovimento dos cavalos havia fervido a água.
Convenceu-se, assim, que trabalho podia ser convertido em calor e vice-versa, e que anatureza do calor era de fato movimento. Ele argumentou que uma esponja não poderia liberarindefinidamente água se apertada e, ao contrário, a taxa de produção de calor poderia ser mantidaindefinidamente enquanto o trabalho de usinagem fosse realizado. A ideia de que o calor é energiafoi introduzida por Rumford.
James Joule, entre 1840 e 1849 realizou medições bastante precisas sobre a equivalênciamecânica do calor (isto é, calor e trabalho são apenas diferentes manifestações da mesma coisa, queé a energia) por diversos métodos e confirmou, experimentalmente, que calor é uma forma deenergia. A lei de conservação da energia ganhou grande aceitação após a publicação em 1848 de umtrabalho por H. Helmholtz, um cirurgião do exército prussiano, mostrando as aplicações da lei emdiversos campos. As dificuldades crescentes enfrentadas pela teoria do calórico foram contornadascom a introdução do conceito de energia interna5 e com o conceito de calor como a transferênciade energia entre o sistema e a sua vizinhança.
Todas as substâncias são formadas por átomos e moléculas que possuem uma grandequantidade de energia armazenada. As moléculas estão em constante movimentoindependentemente do seu estado físico, ou seja, as moléculas possuem energia cinética.
Devido às interações com as moléculas vizinhas elas também possuem energia potencial.Nas substâncias também existe energia devido a sua massa. A energia interna é a soma de todas asenergias que existem no interior das substâncias. É importante salientar que não temos interesse emcalcular a energia interna de um corpo ou sistema, mas sim, determinar a sua variação.
A temperatura é a medida da energia cinética média de translação dos átomos e moléculas.Quando essa energia cinética média aumenta, a temperatura também aumenta. Convém ressaltarque pode haver variação de energia interna sem que ocorra variação na temperatura, como porexemplo, nas mudanças de fase.
É possível variar a energia interna de um sistema fornecendo ou retirando energia. Quando atransferência de energia ocorre exclusivamente devido a uma diferença de temperatura entre osistema e a vizinhança, a energia transferida recebe o nome de calor.
É importante observar que umcorpo ou sistema não contém calor, ele
5 Energia interna é sinônimo de energia térmica. Em vários momentos a seguir é usado o termo energiatérmica, tendo em vista que é a nomenclatura mais usada nos livros de Ciências do Ensino Fundamentale nos livros de Física do Ensino Médio.
Figura 1: Representação do fluxo de calor entre dois corpos com temperaturas diferentes. A energia na forma de calor flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.
possui energia interna. Uma vez transferida, a energia não pode mais ser chamada de calor.Salientemos uma vez mais: calor é o processo de transferência de energia entre os corpos devidoexclusivamente à diferença de temperatura entre eles.
A energia está presente em toda parte, seja na forma de energia cinética de um corpo emmovimento, de energia potencial gravitacional de um corpo a certa altura do solo, de energiatérmica sendo transferida entre dois corpos com temperaturas diferentes (calor) ou de energiaquímica contida nos alimentos. A energia não é criada nem destruída, mas transformada de umaforma para outra.
2. A temperatura e seus efeitos
Temperatura
A temperatura é uma das grandezas físicas mais conhecidas e citadas atualmente. Todos osdias as pessoas leem em jornais, ouvem no rádio ou veem na televisão os boletins meteorológicosindicando as temperaturas máximas e mínimas para a sua região. Ajustamos a temperatura do fornodo fogão e do aparelho de ar condicionado e verificamos nossa temperatura corporal quandoestamos nos sentindo febris. Como podemos ver, a temperatura pode ser percebida de váriasmaneiras. Entretanto, ela nos traz a informação de quão quente ou frio está um determinado corpoem relação a um outro corpo de referência, ou ainda, serve como indicador do sentido da troca deenergia na forma de calor entre o corpo e sua vizinhança.
São as sensações táteis de “quente” e de “frio” que nos transmitem a primeira noção detemperatura. Dizemos então que quanto mais quente é um corpo, maior é a sua temperatura.
É do nosso conhecimento que, ao tocarmos com a mão uma porta de madeira e a maçanetade metal, ambas à mesma temperatura, temos sensações térmicas diferentes. A avaliação de umatemperatura por intermédio do tato merece pouca confiança. Vemos assim que, para avaliar atemperatura com certo rigor, temos que recorrer a outros efeitos.
Do ponto de vista microscópico, a temperatura está associada à energia cinética média detranslação das partículas (átomos, moléculas ou íons). Análises microscópicas mostram quequalquer corpo, seja ele sólido, líquido ou gasoso, é composto por partículas em constante agitação.Para um mesmo estado físico, a agitação das partículas está relacionada com a temperatura. Assim,a temperatura está intimamente ligada à energia cinética média das partículas que compõem ocorpo. Uma temperatura mais alta indica maior agitação das partículas e, portanto, maior energiacinética média.
O físico irlandês William Thomson, conhecido como Lorde Kelvin, chegou à conclusão deque havia uma temperatura mínima possível, que recebeu o nome de zero absoluto e que seriaatingida quando todas as partículas de um corpo estivessem imóveis. Sabemos hoje que quando umcorpo é resfriado continuamente, os átomos não chegam a ficar completamente imóveis, ou seja, aenergia cinética das moléculas do sistema tende a um valor mínimo e não nulo, mas atingem umestado no qual é impossível extrair mais energia do corpo; essa é a definição moderna de zeroabsoluto, e que corresponde à temperatura de zero kelvin, equivalente à -273ºC.
Referências:
MARQUES, Nelson L. R.; ARAÚJO, Ives S. Física Térmica. Textos de apoio ao professor defísica. v. 20. n. 5. Porto Alegre: UFRGS, Instituo de Física, 2009.
Testes e questões – Calor e Temperatura Duração: 20 min
Prof. Escola:
Nome
T.1 – (Cescea-SP – Adaptado) Escolha a opção que completa corretamente as lacunas dotexto: “Por muito tempo, na história da Física, considerou-se que o calor era uma propriedadedos corpos, que a possuíam em uma quantidade finita. Esse conceito errôneo desapareceu noséculo XIX. Hoje sabe-se que o calor é uma forma de (1)_________________ e, portanto, nãotem sentido falar em (2)_________________”.a) (1) energia em trânsito (2) calor contido nos corposb) (1) temperatura (2) aquecimento dos corposc) (1) energia em trânsito (2) energia interna dos corposd) (1) temperatura (2) trabalho realizado por um corpoe) (1) temperatura (2) calor contido nos corpos
T.2 - (AFA-SP) Assinale a alternativa que define corretamente calor.a) Trata-se de um sinônimo de temperatura em um sistema.b) É uma forma de energia contida nos sistemas.c) É uma energia em trânsito, de um sistema a outro, devido à diferença de temperatura entreeles.d) É uma forma de energia superabundante nos corpos quentes.e) É uma forma de energia em trânsito do corpo mais frio para o corpo mais quente.
T.3 - (PUC-SP) Assinale a frase mais correta conceitualmente.a) “Estou com calor”b) “Vou medir a febre dele”c) “O dia está quente; estou recebendo muito calor”.d) “O dia está frio; estou recebendo muito frio.”e) As alternativas c e d estão corretas.
T.4 - (Fatec-SP) Três corpos encostados entre si estão em equilíbrio térmico. Nessa situação:a) os três corpos apresentam-se no mesmo estado físico.b) a temperatura dos três corpos é a mesma.c) o calor contido em cada um deles é o mesmo.d) o corpo de maior massa tem mais calor que os outros dois.
T.5 – (Fatec-SP) Um sistema A está em equilíbrio térmico com um outro B e este não está emequilíbrio térmico com um outro C. Então, podemos dizer que:a) os sistemas A e C possuem a mesma quantidade de calor.b) a temperatura de A é diferente da de B.c) os sistemas A e B possuem a mesma temperatura.d) a temperatura de B é diferente da de C, mas C pode ter temperatura igual à do sistema A.e) nenhuma das anteriores.
T.6 – (Unifesp-SP) Quando se mede a temperatura do corpo humano com um termômetro clínicode mercúrio em vidro, procura-se colocar o bulbo do termômetro em contato direto com regiõesmais próximas do interior do corpo e manter o termômetro assim durante algum tempo, antes defazer a leitura. Esses dois procedimentos são necessários porque:a) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre dois corpos e porque demandasempre algum tempo para que a troca de calor entre o corpo humano e o termômetro se efetive. b) é preciso reduzir a interferência da pele, órgão que regula a temperatura interna do corpo, e
porque demanda sempre algum tempo para que a troca de calor entre o corpo humano e otermômetro se efetive. c) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre dois corpos e porque é precisoevitar a interferência do calor específico médio do corpo humano. d) é preciso reduzir a interferência da pele, órgão que regula a temperatura interna do corpo, eporque o calor específico médio do corpo humano é muito menor que o do mercúrio e o do vidro. e) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre dois corpos e porque é precisoreduzir a interferência da pele, órgão que regula a temperatura interna do corpo.
Q.1 - Temos dois corpos A e B, de tal forma que TA>TB. Esses corpos são colocados em contato eisolados de outros corpos, ou seja, de influências externas. O que acontecerá com as temperaturasde cada corpo? Explique.
Q.2 - Quanto maior a temperatura de um corpo, mais calor ele possui? Explique.
Q.3 - Pode-se dizer que a temperatura é a medida da quantidade de calor de um corpo? Explique.
6.2. Aula II – Concepções iniciais e primeiros experimentos
Conversa com o professor
No planejamento inicial, essa seria uma aula com previsão de uso de tempo menor do que
o tempo reservado. No entanto, a preparação, bem como a divisão dos grupos, e também as
primeiras considerações sobre segurança e seriedade com relação a realização dos experimentos
demandaram tempo além do previsto. Os estudantes que não têm costume com esse tipo de
atividade, podem demorar um pouco na elaboração das respostas contidas no roteiro. Nesse
momento o professor deve se esforçar em não dar respostas prontas, sempre levando as dúvidas
para uma discussão socializada para que todos participem do processo de construção do
conhecimento.
Ao se fazer a análise dessa aula, ficou evidente que os experimentos tem a potencialidade
de colocar o estudante como participante ativo no processo de aprendizagem, permitindo ao
professor perceber como eles usam a linguagem, escrita ou falada, para explicar os fenômenos e
isso facilita verificar como está ocorrendo a apropriação da linguagem científica. Esse tipo de
avaliação é muito diferente de avaliações tradicionais, pois você percebe a evolução dos estudantes
e não apenas um retrato de um momento individualizado como numa prova tradicional.
Materiais didáticos
Roteiro 1 – Propagação de Calor por Condução Duração: 50 min
Prof. Escola:
Grupo 1.2.3.4.
Você está recebendo os seguintes materiais:
• Um tridente feito com três materiais diferentes: ferro, alumínio e cobre.• Um fogareiro.• Um suporte para os tridentes.
Sabendo que nunca fizemos atividades experimentais em nossas aulas, o aparato será todomontado pelo professor. Sua atenção será muito importante nas observações para responder àsquestões abaixo.
Apesar de você não ter contato com os materiais é necessário que tenha cuidado com suasegurança, levando muito a sério nossa primeira experiência.
Durante a atividade sinta-se à vontade para discutir com colegas e professor. Suaparticipação é muito importante.
Bom proveito!
Questões:
a) Observando a montagem que se encontra na bancada, escreva o que vocês acham que aconteceráquando a parte enrolada for aquecida. Tentem justificar essa resposta inicial.
Assim que responderem à pergunta acima, aqueçam a parte enrolada dos fios e, através daobservação do experimento, tentem explicar as questões abaixo:
b) Vocês conseguiram perceber alguma diferença de comportamento entre os três metais? Qual ouquais? Tentem explicar as diferenças, caso elas tenham sido observadas.
c) Identifiquem algum fenômeno parecido com esse no dia a dia. Descreva-o.
d) Como vocês acham que ocorre o aquecimento dos arames? Alguma coisa é transferida para elespela chama? Tentem propor um modelo que explique esse processo de aquecimento.
e) O que vocês observaram? Relatem em detalhes as suas observações. Se for preciso, façamdesenhos que ajudem na explicação.
6.3. Aula III – Primeiros experimentos (parte II)
Conversa com o professor
Essas atividades experimentais devem ser realizadas com muito cuidado com relação a
segurança, pois a água quente pode representar perigos se as atividades não forem desenvolvidas
com seriedade.
Os estudantes costumam ser muito participativos nesse tipo de atividade e por isso é uma
aula mais agitada em termos de comentários e perguntas. O professor deve se conter em não dar
respostas prontas, pois nessa aula as perguntas foram muito frequentes. A discussão entre grupos
também é bem-vinda, lembre-se que o conhecimento será construído socialmente. O papel
mediador do professor é muito importante.
Aqui também se percebe, pela análise dessa aula, que os trabalhos em grupos e as
atividades experimentais tem a potencialidade de tornar os estudantes ativos durante todo o
processo. E como foi destacado na análise da aula II, o professor, nesse tipo de metodologia,
consegue avaliar o estudante todo o tempo, observando suas argumentações ao tentar explicar os
fenômenos. A chance de sanar possíveis erros é muito maior com esse tipo de atividade. Outo fator
que merece destaque é como se percebe que tipo de conhecimento os estudantes trazem do seu
cotidiano, facilitando possíveis intervenções.
Materiais didáticos
Roteiro 2 – Propagação de Calor por Convecção na Água Duração: 25 min
Prof. Escola:
Grupo 1.2.3.4.
Você está recebendo os seguintes materiais:• Uma panela com água.• Um fogareiro.• Serragem.
Mesmo sabendo que essa é a nossa segunda atividade experimental, por precaução, oaparato experimental será todo montado por mim (professor). Sua atenção será muito importantenas observações para responder às questões abaixo.
Dessa vez, seu contato com os materiais será na colocação da serragem dentro da água. Énecessário que você tenha cuidado com sua segurança, levando muito a sério nossa segundaexperiência.
Durante a atividade sinta-se à vontade para discutir com colegas e professor, suaparticipação é muito importante.
Bom proveito!
Questões:
a) Antes de iniciarem o experimento, o que vocês acham que acontecerá quando colocarmos orecipiente com água e serragem sobre a chama?
Assim que responderem à pergunta acima, coloquem o vasilhame sobre a chama e, através daobservação do experimento, tentem explicar as questões abaixo:
b) Colocando o recipiente sobre a chama, à medida que a água se aquece, o que você observa?Descreva em detalhes as suas observações.
c) Será que este fenômeno tem alguma coisa em comum com o fenômeno estudado na primeiraexperiência? Em caso afirmativo, descreva o que você considera que seja similar ao primeiroexperimento.
d) O que a chama fornece para a água? E o que isso tem a ver com as suas observações?
e) Se colocarmos um termômetro neste líquido onde você acha que a indicação será maior? próximaao fundo ou na superfície da água?
f) O que este termômetro indicará?
g) Como se dá o processo de aquecimento deste líquido? Será que está ocorrendo transferência dematéria dentro dele? Tente construir um modelo para explicar este aquecimento.
Roteiro 3 – Propagação de Calor por Convecção no Ar Duração: 25 min
Prof. Escola:
Grupo 1.2.3.4.
Você está recebendo os seguintes materiais:
• Uma vela ou fogareiro.• Um catavento feito de folha de caderno.• Uma espiral cortada em folha de papel A4, amarrada em uma linha.
Mesmo sabendo que essa é a nossa terceira atividade experimental, ainda assim o aparatoserá todo montado por mim (professor), por segurança. Sua atenção será muito importante nasobservações para responder às questões abaixo.
Dessa vez seu contato com os materiais será na colocação do catavento em determinadasposições, bem como a espiral de papel. É necessário que você tenha cuidado com sua segurança,levando muito a sério nossa terceira experiência.
Durante a atividade sinta-se à vontade para discutir com colegas e professor, suaparticipação é muito importante.
Bom proveito!
Obs: Ao iniciar essa atividade é muito útil que se oriente os estudantes quanto as possíveis posiçõesem que eles podem e devem colocar os cataventos, de modo a perceberem onde o fenômeno é maisacentuado, de forma que possam avaliar melhor o fenômeno. O mesmo vale para espiral de papel.
Questões:
a) O que você observa? Descreva.
b) Será que ocorreu transferência de matéria para que o catavento se movimentasse?
c) Você conhece algum processo de aquecimento parecido com esse no seu dia a dia?
d) Este fenômeno é parecido com algum dos fenômenos vistos nas aulas anteriores? Em casoafirmativo, em que eles são parecidos?
e) Como foi formado o “vento”?
f) Será que os ventos que percebemos no nosso dia a dia são formados desta maneira?
TAREFA PARA CASA
Prof. Escola:
NomeTAREFA PARA CASA
Pensando um pouco além…
01. Por que quando colocamos a mão numa maçaneta metálica de uma porta ela parece mais friaque a porta de madeira?
02. Um grupo de amigos compra barras de gelo para um churrasco, num dia de calor. Como asbarras chegam com algumas horas de antecedência, alguém sugere que sejam envolvidas numgrosso cobertor para evitar que derretam demais. O que vocês acham dessa sugestão? Explique.
03. Ao cozinhar um alimento que precisa ser mexido por muito tempo, geralmente se utiliza umacolher de pau. Para se fazer churrasco, geralmente a carne é atravessada por um espeto de metal.Justifique a diferença dos materiais escolhidos.
04. Como as questões acima estão associadas com os experimentos que vocês realizaram?
05. Uma panela com água está sendo aquecida num fogão. O calor das chamas se transmite atravésda parede do fundo da panela para a água que está em contato com essa parede e daí para o restanteda água. Na ordem desta descrição, o calor foi transmitido, predominantemente, por quais processosde transmissão de calor? Explique.
06. Seria possível ocorrer transferência de calor por convecção no vácuo? Explique.
07. Você deseja resfriar algumas latinhas de refrigerante em uma caixa de isopor, mas dispõe deuma quantidade de gelo insuficiente para envolver completamente as latas. Onde você colocaria aspedras de gelo, na parte superior ou inferior do recipiente? Explique.
08. Agora que você terminou a tarefa para casa, leia o texto de apoio a seguir para aprender umpouco mais.
Primeiro texto de apoioO fenômeno El Niño
(Fonte: Livro Didático Ser Protagonista6)
O El Niño é um fenômeno caracterizado pelo aquecimento das águas superficiais esubsuperficiais do oceano Pacífico Equatorial. A expressão espanhola El Niño faz alusão aoaquecimento da água que ocorre todos os anos na costa norte do Peru na época do Natal, daí areferência ao Niño Jesus ou Menino Jesus.
Figura 2: Diagrama esquemático dos processos que ocorrem com o El Niño. Figura gentilmentecedida pelo Dr. Michael McPhaden do Pacific Marine Environmental Laboratory (PMEL/NOAA),Seathe, Washington, EUA. Fonte: Ser Protagonista, vol.2, p.30.
Anomalias do sistema climático (o El Niño é uma delas) são, em geral, uma consequênciada alteração do sistema oceano-atmosfera, no oceano Pacífico tropical, com reflexos no tempo e noclima em todo o planeta. Nessa definição, considera-se não somente a presença das águas quentesda corrente El Niño, mas também as mudanças na atmosfera próxima à superfície do oceano, entreelas o enfraquecimento dos ventos alísios (que sopram de lesta para oeste) na região equatorial.Com esse aquecimento do oceano e com o enfraquecimento dos ventos, começam a ser observadasmudanças da circulação da atmosfera nos níveis baixos e altos, determinando mudanças nos padrõesde transporte de umidade e, portanto, variações na distribuição das chuvas em regiões tropicais e delatitudes médias e altas. Em algumas regiões do globo também é observado aumento ou queda detemperatura.
Se você quiser assistir a um vídeo muito interessante sobre esse tema, acesse o link:https://www.youtube.com/watch?v=oF4naKtTo6 o, visto em 28/09/2015.
6 VÁLIO, A. B. M. et. al. Ser Protagonista, vol. 2, São Paulo: Editora SM Ltda, 2009, p. 30.
6.4. Aula IV – Primeiros experimentos (parte III)
Conversa com o professor
Nessa aula os estudantes devem ser avisados antecipadamente sobre as medidas que
deverão fazer. Deve-se usar parte do tempo para orientá-los quanto a leitura do termômetro, pois
muitos não sabem como realizá-la. Deve-se mostrar que cada estudante é fundamental para o
sucesso da atividade. Assim, outra orientação importante é com relação à indicação inicial do
termômetro que deve ser anotada, para depois que se efetuarem as medidas, verificar-se qual foi a
variação de temperatura alcançada. É essa variação que é importante, já que nem todos os
termômetros terão a mesma medida inicial.
Os resultados alcançados pelos estudantes costumam ser muito bons, o que motiva as
discussões.
Lembre-se sempre do papel mediador do professor, não dê respostas prontas.
No final será apresentado um vídeo sobre efeito estufa. Se a atividade anterior não deixar
sobras de tempo superior a 15 minutos, sugere-se que o vídeo seja indicado para casa, de acordo
com o nível social dos estudantes é claro, ou que seja utilizado em outro momento, pois na agitação
que os estudantes ficam depois da atividade experimental é necessário um tempo para acomodação
e logo depois para discussão do que se assistiu no vídeo, assim se não sobrar esse tempo melhor não
apresentar o vídeo.
Analisando essa atividade, foi possível perceber a participação dos estudantes no processo
de aprendizagem, pois as medidas que eles tiveram que realizar foram importantes para todo o
grupo. Com isso, o que se percebeu foi que a cooperação entre os integrantes foi intensa. Como os
resultados são, em geral, muito bons, os estudantes ficam muito eufóricos e se sentem úteis no
processo. As respostas sobre o processo de condução de calor por radiação foram muito
satisfatórias.
Materiais didáticos
Roteiro 4 – Propagação de Calor por Radiação Duração: 35 minutos
Prof. Escola:
Grupo 1.2.3.4.
Lista de materiais: quatro latas de refrigerante pintadas com cores diferentes, lâmpada de 60 W equatro termômetros.
Orientações iniciais: tome as quatro latas de refrigerante, cada uma com uma pintura externadiferente: preta, azul, amarela e branca e uma lâmpada incandescente de 60 W. Coloque a lâmpadaacesa entre as latas, igualmente distantes. A partir desse momento cada integrante do grupo deverámarcar nos seus registros qual a temperatura do seu termômetro. Em seguida, coloque o termômetrodentro da lata reservada para você.
a) A partir desse momento aguarde 5 minutos e faça a nova leitura.
b) Houve aumento da indicação no termômetro? O que representa essa indicação?
c) O que foi transmitido à lata para que a indicação do termômetro se modificasse?
e) Será que ocorreu transferência de matéria para que as latas se aquecessem?
f) A indicação dos termômetros é a mesma? Se não, explique porque isso acontece.
Neste momento os estudantes assistirão a um vídeo sobre efeito estufa, identificado a seguir.Ficha técnica do vídeo
Descrição: videoaula abordando o efeito estufa, as mudanças climáticas e o aquecimento global, desenvolvida pela Mamute Mídia. Categoria: Ciência e tecnologiaLicença: Licença padrão do youtube.Disponível em: https://www.youtube.com/channel/UCAgrj2RiWWwJx4vwNCrQC2A, acessadoem 25 de setembro de 2015.
Após a exibição do vídeo, os estudantes deverão ler o texto de divulgação científica apresentado aseguir.
Segundo texto de apoio
O Efeito Estufa(Fonte: Livro Didático Ser Protagonista7)
Os meios de comunicação apresentam várias reportagens sobre o aquecimento global. Amaioria afirma que o crescimento da atividade industrial e do consumo humano está provocando aelevação da temperatura média do nosso planeta, enquanto um grupo de cientistas afirma que nãohá fatos que comprovem ser a ação humana significativa para justificar o aquecimento observado.
Sabe-se com certeza que o efeito estufa é fundamental para a manutenção da vida na Terra– e isso é bem diferente de atribuir a esse fenômeno todas as mazelas que podem ocorrer em virtudedo aumento da temperatura da Terra.
O efeito estufa ocorre porque o calor que chega à Terra vindo do Sol é transferido porirradiação. Quando as radiações eletromagnéticas atingem o topo da camada atmosférica, parte érefletida, enquanto uma fração a atravessa, chegando à superfície da Terra. Dessa fração, umapequena parte é absorvida pelo processo de fotossíntese, nas plantas, e pelo solo, que se aquece,devolvendo essa energia, também na forma de irradiação, mas numa frequência menor do que a dasondas vindas do Sol. O gás carbônico e o vapor de água, presentes na atmosfera, são inócuos emrelação aos raios que penetram na atmosfera do planeta, mas dificultam a saída das ondas que foramrefletidas pelo solo, já que houve mudança em sua frequência. Dessa forma, parte do calor éaprisionada, o que mantém a temperatura média da Terra estável, garantindo o seu clima. Essefenômeno é semelhante ao efeito artificial criado nas estufas para cultivar plantas em um ambienteprotegido das variações extremas de temperatura.
A energia “aprisionada” na Terra garante a manutenção da temperatura e um relativoequilíbrio no clima do planeta. Um aumento de concentração dos chamados gases estufa, porém,pode provocar um desequilíbrio nas condições climáticas em nível mundial, provocando secas emalgumas regiões e excesso de chuvas em outras. A elevação da temperatura provoca ainda oderretimento de parte das calotas polares, elevando o nível dos oceanos, o que pode provocar o
7 VÁLIO, A. B. M. et. al. Ser Protagonista, vol. 2, São Paulo: Editora SM Ltda, 2009, p. 37.
Figura 3: Representação do efeito estufa na Terra. Fonte: Ser Protagonista, vol.2, p.37.
desaparecimento de várias cidades litorâneas em todo o globo.O aumento da temperatura média da Terra é o que se chama de aquecimento global. Parte
desse aquecimento se deve ao crescimento populacional, que gera um aumento da produçãoindustrial e da queima de combustíveis orgânicos. Esses fatores elevam a concentração de gáscarbônico e de outros gases que dificultam a saída da radiação do solo.
Contudo, não se sabe até que ponto os fatores gerados pelos seres humanos são realmentedeterminantes para esse aquecimento, uma vez que há estudos que mostram haver ciclos geológicosnaturais em que a Terra apresenta elevação ou diminuição de temperatura. Há diferentes fatores queinfluem no clima da Terra, além dos fatores humanos. Entre outros, destacam-se: a variabilidadesolar (variações da energia emitida pelo Sol), as variações da órbita da Terra, mudanças de correntesoceânicas e atividades vulcânicas.
De acordo com o texto:1. Diferencie os fenômenos: efeito estufa e aquecimento global.2. O efeito estufa é prejudicial ao meio ambiente? Justifique.3. Enumere as ações do ser humano que podem estar agravando o aquecimento global.
TAREFA PARA CASA
Prof. Escola:
Nome
Parte I - Pensando um pouco além…
01. Por que as prateleiras da geladeira são feitas de grades com espaçamentos e não devem sercompletamente cobertas?
02. Observando o voo dos urubus, pode-se notar que muitas vezes eles abrem suas asas e, semmovê-las, atingem alturas cada vez maiores. Explique de que modo os urubus conseguem alcançargrandes altitudes sem bater suas asas.
03. Durante uma aula de laboratório de Física, um professorabre um cilindro de aço e de dentro parece escapar umafumaça branca, que em vez de subir desce para o chão. Emseguida, explica que o conteúdo é nitrogênio líquido. Elaborehipóteses para justificar por que a fumaça está descendo.
04. Agora que você terminou essa parte da tarefa para casa,leia o texto abaixo para aprender um puco mais.
Figura 4: Professor realizando uma experiência em uma aula de Física. Fonte: Ser Protagonista, vol.2, p.31.
Terceiro texto de apoio
Brisa Marítima e Terrestre
(Fonte: http://penta3.ufrgs.br/CESTA/fisica/calor/brisa.html, visto em 22/09/2015.)
Para entender um pouco sobre as brisas marítimas e terrestres temos que saber um poucosobre a formação dos ventos.
Ventos
Os ventos são causados por diferenças na pressão do ar. O aquecimento desigual dasuperfície terrestre e da atmosfera resultam em diferenças na pressão do ar. O ar morno é menosdenso do que o ar frio exercendo, portanto, uma menor pressão. Há dois tipos principais de ventos:locais e globais. Os ventos locais ocorrem a pequenas distâncias, enquanto os globais ocorrem adistâncias muito longas (em torno do globo). Trataremos apenas dos ventos locais nesta página, mascaso você tenha interesse em saber mais sobre ventos globais visite o seguinte endereço:http://www.waterkid.net/curriculum/unit2/heat_tra nsfer/
Os ventos locais são causados pelo aquecimento desigual da superfície da Terra em umapequena região. Este fato se torna evidente na costa marítima, onde, durante o dia o solo costeiroesquenta mais facilmente do que a água. Dessa forma, o ar logo acima do solo é empurrado paracima pelo ar frio que vem das camadas mais próximas à água para substituí-lo. Temos, então, abrisa marítima.
À noite o processo se inverte, pois o solo esfria mais rapidamente que a água. Isto faz comque o ar mais aquecido se encontre agora acima do mar e seja então empurrado pelo ar frioproveniente do solo.
Parte II
05. Qual a principal diferença do processo de transmissão de calor por radiação em relação àcondução e à convecção?
06. Um amigo seu reclamou que no verão o interior de sua casa é muito quente, devido à laje doteto de sua casa ser exposta ao Sol. Ele disse também que seu pai não tem condições financeiraspara cobrir a laje com telhado. Qual dica você daria a ele para que sua família tivesse um melhorconforto térmico? Explique.
07. O papel-alumínio pode ser usado para facilitar o cozimento de alguns alimentos como carnes ebatatas. Se você fosse se utilizar desse procedimento para assar batatas em um forno de fogão a gás,de que lado você colocaria a parte mais espelhada? Voltada para as batatas? Explique.
08. Agora que você terminou a tarefa para casa, leia o texto abaixo para aprender um puco mais.
Quarto texto de apoio
ILHAS DE CALOR(Adaptado do livro de Física Ser Protagonista8 p.33)
Entre os diversos problemas ambientais relacionados à ocupação desordenada do uso dosolo, estão as “ilhas de calor”, fenômeno climático que ocorre principalmente nos centros urbanos,fazendo com que a temperatura nesses locais seja mais elevada, se comparada à temperatura dezonas fora das cidades. A Física explica que essas ilhas de calor ocorrem devido à grandeimpermeabilização do solo que ocorre por causa das construções. A impermeabilização acarreta umaumento de temperatura, pois o material utilizado (em geral, o concreto) absorve mais calor que osolo. Dessa forma, a camada de ar sobre essa superfície se aquecerá acima do normal, formando ailha de calor. Além de tornar o ar mais quente e gerar desconforto aos seus habitantes, oaquecimento anormal provoca rápida evaporação da água e, como consequência, tem-se formaçõesde chuvas que caem de forma concentrada e em curtos intervalos de tempo. Esses temporais,associados ao solo impermeabilizado, favorecem a ocorrência de enchentes.
ATENÇÃO:Nesse momento deverá ser entregue o texto – EFEITO ESTUFA E AQUECIMENTO GLOBAL– que servirá de guia para um dos grupos que farão a apresentação do seminário no final da UnidadeDidática.
8 VÁLIO, A. B. M. et. al. Ser Protagonista, vol. 2, São Paulo: Editora SM Ltda, 2009, p. 33.
Quinto texto de apoio
EFEITO ESTUFA E AQUECIMENTO GLOBAL(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3. p. 216.9)
A atmosfera terrestre, composta por cerca de 78% de gás nitrogênio (N2), 20% de gásoxigênio (02) e 2% de gás carbônico (C02), vapor de água, gases nobres e outros, é particular,comparada com a de outros planetas. Esses gases praticamente transparentes à luz, fazem com que70% da energia solar que atinge a atmosfera terrestre chegue à crosta terrestre, promovendo osciclos da água e do ar, assim como a fotossíntese realizada pelas plantas e algas, em que é absorvidaparte da energia incidente. Um dos produtos da fotossíntese é 02 que se acumulou na atmosferagraças aos primeiros seres vivos fotossintetizantes que se formaram na Terra, há cerca de 2 bilhõesde anos.
A energia radiante que atinge a superfície da crosta terrestre é absorvida e reemitida naforma de radiação infravermelha pelos corpos aquecidos. A atmosfera terrestre é opaca a essaradiação, pois principalmente vapor d’água e dióxido de carbono (C02) a absorvem, diminuindo aperda de energia para o espaço e evitando as abruptas mudanças de temperatura que ocorrem, porexemplo, em Mercúrio ou em outros planetas. A esse fenômeno de retenção da radiaçãoinfravermelha pela atmosfera terrestre dá-se o nome de efeito estufa.
A queima de combustíveis fósseis nos últimosséculos, acelerada nas últimas décadas, temprovocado um aumento significativo naconcentração natural de C02 na atmosfera. Esse eoutros gases emitidos em inúmeras atividadeshumanas parecem ser responsáveis pelaintensificação do efeito estufa natural, o queelevaria a temperatura média global. Essefenômeno tem sido chamado de aquecimentoglobal.
A elevação da temperatura média da Terrapode provocar o derretimento das camadas de gelonos polos, com consequente aumento do nível domar e eventual submersão de cidades costeiras.Devido ao aquecimento global, pode tambémocorrer alteração do ciclo natural do ar e da águano planeta, causando mudanças climáticas aoredirecionar ventos e correntes marítimas,deslocando zonas desérticas e zonas férteis.
CHUVA ÁCIDA
O aumento na frequência de chuvas ácidas é outro grave problema relacionado com o usode energia em larga escala. Além do C02, a queima de combustível fóssil libera dióxido de enxofre(S02) e óxidos de nitrogênio Nx 0y), que se somam à emissão natural desses mesmos óxidos naserupções vulcânicas. Esses compostos de enxofre e de nitrogênio interagem com outros gases ecom a água presente na atmosfera e absorvem a energia de descargas elétricas e radiações de altaenergia, produzindo ácidos que, diluídos na água da chuva, chegam ao solo e à água de rios e lagos,causando alterações nas cadeias alimentares terrestres e marinhas. Os óxidos de enxofre e denitrogênio que poluem a atmosfera afetam também a saúde humana, causando problemas
9 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 216.
respiratórios entre outros.
MATERIAL PARTICULADO
A intensa atividade industrial e o grande número de veículos automotivos são responsáveispela concentração no ar de materiais particulados, compostos de chumbo, monóxido de carbono(C0) e outros gases que, além de doenças respiratórias, causam irritações nos olhos e outros efeitosmenos perceptíveis, mas não menos graves.
INVERSÃO TÉRMICA(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3. p. 217.10)
Em grandes cidades, é muito comum, durante o inverno,a ocorrência do fenômeno da inversão térmica, deixando o céucom aspecto acinzentado e causando muitos desconfortosrespiratórios e irritações nos olhos.
Normalmente, os gases poluentes emitidos pelasindústrias e pelos veículos automotivos são mais quentes que oar, tendendo, por isso, a subir por convecção e se dispersar nascamadas superiores de ar quente.
No entanto, pode ocorrer uma inversão nessa situação, quando o ar próximo ao solo está mais frio e, portanto, maisdenso que o das camadas superiores, provocando uma drásticadiminuição dessa circulação de ar, por falta de correntes de convecção. Esse efeito causa umaconcentração excessiva de gases poluentes na camada de ar frio da cidade, junto da superfície,agravando as condições de saúde da população.
Na ocorrência desse efeito, são comuns notícias do uso de máscaras, de suspensão de aulase proibição da circulação de veículos em centros urbanos de muitas partes do mundo, a exemplo daCidade do México.
A UTILIZAÇÃO DE RECURSOS RENOVÁVEIS TAMBÉM TRAZ IMPACTOS AOAMBIENTE
A extração de fontes de energia, mesmo a partir de recursos naturais renováveis, podeprovocar alterações no meio ambiente.
A construção da barragem de uma usina hidrelétrica, por exemplo, envolve o alagamentode extensas áreas e altera o ecossistema local. Ainda que seja feito um planejamento para remanejarexemplares dediferentesespécies animaise para reflorestaroutras áreas afim decompensar aárea a seralagada, isso nãoé suficiente paraevitar danos aomeio ambiente.Um exemplo deproblema
10 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 217.
Figura 6: Representação esquemática do fenômeno de inversão térmica.fonte: Kantor (2010), vol. 3.p. 217.
Figura 7: Exemplos da ação do homem sobre o meio ambiente.
ambiental decorrente da construção de represas e barragens é a interrupção do caminho de espéciesde peixes que nadam rio acima durante o período de procriação – a piracema. Além disso, criam-seproblemas sociais com o deslocamento e realocação de populações inteiras que vivem junto dos riosrepresados, ou cuja sobrevivência depende dos rios.
Da mesma forma, diversos modos de extrair energia do solo e das árvores provocamdesmatamentos e desertificações: o uso de lenha para cozinhar ou para aquecimento, a produção decarvão vegetal para a indústria de certos aços e o preparo da terra para monoculturas e pastagens.
POLUIÇÃO AMBIENTAL DE ORIGEM ENERGÉTICA, INDUSTRIAL E AGRÍCOLA(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3. p. 218.11)
O desmatamento e a desertificação podem trazer mudanças climáticas que se somam àsdemais perturbações ambientais geradas por contaminação e poluição, em fluxos contínuos eregulares de poluentes, assim como em acidentes de transporte energético, como vazamentos deóleo de navios, oleodutos, trens e caminhões.
Nem sempre é possível separar essa poluição derivada da utilização de recursosenergéticos naturais da poluição industrial e agrícola em geral. A produção de alimentosindustrializados, por exemplo, envolve o uso de máquinas agrícolas que utilizam óleo diesel comocombustível e a aplicação de agrotóxicos cujos resíduos também são danosos. Dependendo da áreaplantada, essa aplicação pode ser feita a partir de pequenos aviões, que também poluem. Otransporte da safra até a indústria e a energia elétrica consumida pelas máquinas industriais tambémentram na conta. Ou seja, mesmo para a produção em larga escala de produtos consideradosnaturais, como pão de forma integral, ocorre poluição causada desde a plantação do trigo até aprodução do pão. Na realidade, os problemas relacionados à poluição derivada da utilização derecursos energéticos naturais e à poluição industrial e agrícola estão interligados e devem sertratados conjuntamente.
Vimos no exemplo da hidrelétrica, que a renovabilidade de certos recursos naturais nãosignifica necessariamente que sejam renovados sem prejuízos ou sequelas ambientais. Dessa forma,é preciso prever problemas que surgirão devido ao uso de recursos energéticos, mesmo que naturais.Em outras palavras, é preciso um planejamento de médio e longo prazos, considerando os vários econflitantes interesses econômicos, sociais e ambientais envolvidos, e procurando o que se podedenominar desenvolvimento social, econômica e ambientalmente sustentável.
KANTOR, Carlos A. et al. Coleção Quanta Física: Física 3º ano. São Paulo: PD, 2010. 240 p.
11 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 218.
6.5. Aula V – Esclarecendo alguns conceitos através da garrafa térmica
Conversa com o professor
Essa aula é importante para pontuar possíveis falhas com relação aos conceitos adquiridos
pelos estudantes até o momento. A sugestão é que na discussão dos processos de transmissão de
calor ocorridos no funcionamento da garrafa térmica, possa-se discutir quais processos necessitam
de um meio material para se propagar, bem como, provocar uma reflexão entre o que foi
conquistado pelos estudantes através das atividades e o que ainda aparece como dúvidas.
Se houver sobra de tempo, discutir as tarefas de casa, pontuando aspectos relevantes, como
por exemplo aspectos climáticos, transpondo o que foi discutido em sala de aula para fenômenos
vistos no cotidiano.
Usou-se parte do tempo dessa aula para se discutir o que são modelos em ciência, pois
mediante as respostas dos estudantes, percebeu-se que eles não tinham uma noção clara do que
representam os modelos. Desa forma deixamos a critério do professor a maneira que ele achar
melhor para inserir essa discussão, se antes das atividades ou em outro momento. A sugestão é que
seria melhor antes das atividades, mas nessa situação também funcionou bem, pois os estudantes se
mostraram interessados, por haverem respondido questões sobre o tema anteriormente.
Depois de analisar as respostas dos estudantes em relação às outras atividades, percebeu-se
ainda alguns equívocos Esta aula cria as condições para promover uma discussão sobre os processos
de transmissão de calor, onde dúvidas puderam ser sanadas, bem como possíveis erros conceituais.
Material didático
Esclarecendo alguns conceitos através de uma garrafa térmica
Sexto Texto de Apoio
Modelos(Elaborado pelo Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria.)
Vocês fizeram várias atividades até o momento. A importância de se levar a sério asatividades, como mostrado até então por vocês, faz com que possamos interferir no sentido deajudar a preencher algumas lacunas que foram percebidas como pontos que devem ser melhordiscutidos. Dessa forma, segue um texto para discutirmos a importância do uso dos modelos noestudo da ciência.
A ciência constrói representações do mundo. Os elementos básicos dessas representaçõessão os modelos.
Um modelo é uma imagem mental simplificada e idealizada, que permite representar, commaior ou menor precisão, o comportamento de um sistema.
O modelo incorpora apenas as características consideradas importantes para a descrição dosistema, selecionadas intuitivamente ou por conveniência matemática. De modo geral, o propósitode um modelo é simplificar certa realidade para que ela possa ser analisada. A construção de ummodelo se dá no contexto de uma teoria, quando fatos estabelecidos pela observação e hipótesessobre a estrutura do sistema e sobre o comportamento dos seus constituintes básicos sãocorrelacionados por leis e princípios.
Um modelo muito interessante é o modelo da Teoria Cinética para um gás ideal, construídoa partir das seguintes hipóteses:
• O gás é constituído por um número muito grande de moléculas em movimentodesordenado, descrito pelas leis de Newton.
• O volume próprio das moléculas é desprezível quando comparado ao volume dorecipiente.
• As forças entre as moléculas são desprezíveis, exceto nas colisões mútuas e com asparedes do recipiente.
É importante compreender que o modelo da Teoria Cinética para um gás ideal não é odesenho de uma caixa fechada com bolinhas no seu interior representando as moléculas, como seencontra nos livros didáticos. Nem uma caixa de papelão com bolinhas de isopor no seu interior,que o professor sacode para que as bolinhas se movimentem aleatoriamente.
O modelo da Teoria Cinética para um gás ideal é simplesmente a idéia de que existempartículas (as moléculas) e que elas se movem segundo as leis de Newton. Sendo assim, essaspartículas não são necessariamente reais no mesmo sentido que o são um tijolo ou um lápis. Em vezdisso, elas são ideias desenvolvidas para explicar o que se observa dos gases reais e fazer previsõessobre o que pode ser observado no futuro.
Outro modelo interessante é o modelo atômico de Bohr, construído com as seguinteshipóteses:
• Num referencial em que o núcleo do átomo está em repouso, os elétrons se movimentamao redor dele, percorrendo órbitas circulares de acordo com as leis de Newton.
• Os elétrons podem ocupar apenas certas órbitas especiais ao redor do núcleo, chamadasórbitas estacionárias.
• Um elétron pode passar de uma órbita estacionária para outra se o átomo emitir ouabsorver radiação eletromagnética.
Como os modelos são construídos para dar sentido ao mundo, é necessário que sejamvalidados. Em outras palavras, através da verificação experimental das suas previsões, as hipóteses,aproximações e limites de aplicabilidade do modelo são testados. Se o modelo tem apenas umsucesso parcial na predição do comportamento do sistema que procura descrever, as hipóteses
iniciais devem ser modificadas. Pode acontecer também que um modelo seja abandonado com baseem novas descobertas.
O modelo da Teoria Cinética para um gás ideal, por exemplo, permite explicar com boaprecisão as leis dos gases reais e fazer previsões sobre seu comportamento, desde que em situaçõesnão muito diferentes das usuais. Contudo, o modelo apresenta falhas na descrição docomportamento de um gás em altas pressões e/ou baixas temperaturas.
O modelo atômico de Bohr permite compreender alguns aspectos da estrutura e docomportamento dos átomos, em particular, dos átomos mais simples, mas falha redondamente naexplicação de muitos outros aspectos.
De qualquer modo, mesmo tendo sido substituídos por modelos mais elaborados, o modeloda Teoria Cinética para um gás ideal e o modelo atômico de Bohr ainda são úteis para uma primeiraabordagem dos respectivos sistemas de interesse.
Um modelo pode ser também uma representação matemática de um conceito. Assim, porexemplo, o modelo associado ao conceito de força é construído a partir das seguintes proposições:
• Toda força é representada por um vetor. • As forças que atuam sobre uma determinada partícula, causadas por um número qualquer
de outras partículas, são independentes umas das outras. Em outras palavras, os efeitos de uma dadaforça sobre uma partícula são independentes dos efeitos das demais forças sobre a mesma partícula.
• Os efeitos de um número qualquer de forças sobre uma partícula são idênticos aos efeitosde uma única força, chamada força resultante, representada pelo vetor que resulta da soma dosvetores que representam aquelas forças.
As duas últimas proposições, tomadas em conjunto, constituem o que chamamos princípiode superposição. Estritamente falando, podemos dizer que as forças devem ser representadasmatematicamente por vetores devido ao princípio de superposição.
A qualidade de um modelo depende de certos fatores como, por exemplo, do número dehipóteses e proposições iniciais necessárias para construí-lo. Um bom modelo é aquele para o qualesse número é mínimo. Além disso, um bom modelo é aquele que explica o maior número possívelde características das observações já realizadas sobre o comportamento do sistema em questão.
Finalmente, um bom modelo deve ser capaz de predição. Em outras palavras, um modelodeve ser capaz de explicar não apenas as observações já realizadas, mas também as futurasobservações sobre o comportamento do sistema em questão.
6.6. Aula VI – A Física já está construída?
Conversa com o professor
Essa aula tem dois momentos importantes, o primeiro é quando os estudantes respondem a
um questionário, com questões investigativas, para mostrarem o que conhecem sobre as radiações.
Esse questionário é individual e seria bom que cada um recebesse as perguntas em uma folha sem o
texto que será discutido a seguir. O professor recolhe essa folha e a partir daí distribui o texto de
divulgação científica para leitura.
Cada estudante deverá ler um parágrafo, onde o professor fará paradas pontuais para
discussões, lembre-se sempre de levar em consideração as paradas provocadas por estudantes no
sentido de manter a discussão, e que respostas prontas sejam evitadas, pois o professor mediador
deve promover a construção socializada do conhecimento.
O estudante está sendo apresentado pela primeira vez à Física Moderna. Deve-se ter
cuidado para que os estudantes possam participar efetivamente das discussões a respeito da
mudança de paradigma. Nesse ponto a mediação do professor é fundamental, mas o que se deseja
não é esgotar a discussão desse tema e sim que o estudante seja apresentado à nova Física.
Analisando essa aula, percebeu-se que o tempo que se dá para o estudante mostrar o que
conhece sobre o tema radiação é muito importante. Esse tempo faz com que ele pense sobre o tema,
assim, quando se inicia o segundo momento, esse estudante estará mais concentrado. O segundo
momento é a leitura do texto de divulgação científica, com o professor mediando discussões sobre
partes do texto. Nessa aula, os estudantes são apresentados à situações, que mostram como a ciência
é construída. O estudante também conhecerá a radiação do corpo negro, bem como será apresentado
aos paradigmas da Física Clássica e Física Moderna, por isso é fundamental que o professor seja
capaz de ser um mediador nesse processo buscando sempre a participação de todos.
Material didático
Questionário Investigativo – Emissão de Radiação e Cor dos Corpos Duração: 15 minutos
Prof. Escola:
Nome
Q1-Você já observou uma lareira acesa ou um resistor de secador de cabelo ou mesmo um pedaçode carvão em uma churrasqueira? Eles possuem alguma coisa em comum? Descreva quecaracterísticas podem ser atribuídas aos três.
Q2-Será que a cor indica alguma coisa? O que você acha?
Q3-Você já reparou na cor das estrelas? E do Sol? O que observou?
Q4-Lembra-se da cor da chama do fogão a gás da sua casa? Descreva-a.
Q5-Será que a radiação é visível?
Q6-Qual a relevância de se estudar radiações?
Q7-As radiações são perigosas?
Sétimo texto de apoio A Radiação do Corpo Negro
Duração: 35 minutos.
Prof. Escola:
Nome
“A Física desenvolvida até então já é completa, no entanto, temos apenas duas pequenas nuvensno horizonte”. (Lord Kelvin)
1-Introdução
Já imaginou um mundo em que você não saiba o que é uma tela touchscreen, umsmarphone, um tablet, um GPS, um computador, uma televisão a cores, enfim, toda tecnologia àqual somos bombardeados diariamente? Será que esta realidade está muito distante dos dias atuais?A frase com que iniciamos este texto foi uma frase defendida por Lord Kelvin no final do séculoXIX, quando a realidade da época era muito semelhante à realidade imaginada com o auxílio dasnossas perguntas. Nesta época, os conhecimentos e teorias desenvolvidos pelos cientistas(“grandes” e “pequenos”) levaram a crença de uma natureza contínua, completamente previsível eque obedeciam ou às Leis de Newton ou às equações de Maxwell. Entretanto, duas coisas nãobatiam: (1) Como explicar as radiações emitidas por um pequeno orifício aquecido, ou melhor, porum “corpo negro”? (2) Seriam os fenômenos eletromagnéticos variantes, ou seja, o fenômenoobservado a partir de um referencial seria diferente em outro referencial? Se não, o que teria deerrado nos modelos científicos adotados até então? O objetivo deste texto é trazer discussõesreferentes ao desenvolvimento da Física ao longo do século XX. 2-A Ideia da Quantização
Conversaremos aqui sobre a “primeira pequena nuvem” com a qual os cientistas do finaldo século XIX se depararam: explicar a radiação emitida por um corpo negro. Como você já deveter percebido, uma característica bastante comum dos cientistas é a de usar as teorias que possuem“à disposição” buscando explicar questões completamente novas.
Algumas vezes percebemos que o modelo disponível não dá conta de uma coisa ou outra e,então, nos propomos a definir modificações nos mesmos ou até mesmo um completo abandonodeles e adoção de outros. Como já vimos em diversos momentos da história da Física Clássica, essemovimento nunca é imediato. Sempre surgirão adendos ao modelo utilizado, sendo necessáriosproblemas chaves para causarem uma ruptura na Ciência Normal, iniciando a chamada fase pré-paradigmática, definida por Thomas Kuhn, em seu famoso livro Estrutura das RevoluçõesCientíficas, publicado em 1975.
Com a radiação de Corpo Negro não foi nem um pouco diferente. Durante os séculosXVIII e XIX, a relação da sociedade europeia com o trabalho passou por uma transformaçãobrusca. Uma população que até então vivia no campo e produzia o que consumia substituiu seutrabalho por um trabalho assalariado e também pelo uso das máquinas.
Foi envolta por este contexto que surgiram na Física os primeiros estudos sobre a FísicaTérmica, buscando uma maior eficiência para as máquinas utilizadas. E também surge, dentro destecontexto, uma outra questão que trouxe implicações diretas para o desenvolvimento do queconhecemos como Radiação de Corpo Negro: como relacionar a temperatura dos fornos dassiderúrgicas, com a radiação eletromagnética emitida?
2.1-Radiação de corpo negro
Mas, afinal, o que vem a ser a radiação de corpo negro? Para termos uma ideia, pensemosna seguinte situação: Quando, da janela do quarto de um apartamento, olhamos, durante o dia, para
a janela de um edifício vizinho, ela parece escurecida. Entretanto, no interior de nosso quarto, tudoparece claro, mesmo sem acendermos qualquer lâmpada. Curiosamente, o nosso vizinho poderiadizer o mesmo da nossa janela. Por que isso acontece?
Ao olharmos para uma janela aberta em um dia claro, ela nos parecerá escura, porque a luzdo Sol desaparece na cavidade em que o quarto se constitui; cavidade esta delimitada por umorifício de acesso da radiação, que é a janela. Esta cavidade é uma boa representação do conceitofísico de um corpo negro.
Dizemos que um corpo negro, é aquele que não reflete nenhuma radiação que incide sobreele. Isso porque qualquer feixe de luz incidente sobre o pequeno orifício é refletido, para todos oslados, nas paredes interiores da cavidade, até a luz ser absorvida por estas paredes ou pelo gásexistente no interior da cavidade.
Deste modo, as chances de a luz incidente conseguir abandonar a cavidade é mínima. Issonão significa que o orifício não possa emitir a sua própria radiação, a qual pode ser medida ao sairdo orifício. A luz que entra na cavidade é absorvida pelas suas paredes e se alguma radiação(diferente da radiação incidente) vier a sair desta cavidade, não o será por reflexão; mas, sim poremissão destas mesmas paredes, e ela será uma função da temperatura das mesmas.
Entretanto, na ausência de qualquer tipo de radiação proveniente da cavidade, ela entãoparecerá realmente negra porque nenhuma parte da luz que incide sobre a mesma é redirecionada ouespalhada em direção aos nossos olhos.
Na verdade, um corpo negro não precisa ser de cor preta. Por exemplo, ao olharmos ajanela do edifício distante, ela nos parece escura, mesmo se suas paredes estiverem pintadas debranco; então, a janela é considerada por nós um corpo negro.
Contudo, se pessoas, no interior do quarto em questão, ligarem uma lâmpada, ele não maisnos parecerá escuro (mesmo à noite). A janela, porém, permanece, em uma primeira aproximação,sendo uma boa representação de um corpo negro, pois a luz externa continuará desaparecendo aoatravessar a mesma.
A luz incidente ainda será toda absorvida nas paredes da cavidade (as paredes do quarto,cuja entrada é a referida janela).
2.2 – Tentando explicar
Em 1879, para estudar sobre esta questão, o físico esloveno Joseph Stefan ao estudar aenergia radiada por corpos aquecidos, propõe que: “o poder emissor de um corpo negro (energiaemitida pelo corpo negro na forma de luz e calor em cada segundo) era proporcional àtemperatura absoluta elevada à quarta potência.” (SERWAY e JEWETT, 2007, p.307).
Em 1884, apenas cinco anos mais tarde, Ludwig Boltzmann deu uma explicação teórica,partindo da termodinâmica clássica, sendo a partir daí este resultado conhecido como Lei de Stefan-Boltzmann.
Anos mais tarde, o físico alemão Wilhelm Wien observou que ao aumentar a temperaturado corpo negro, o comprimento de onda correspondente ao brilho máximo da luz emitido pelomesmo torna-se mais curto, deslocando-se para a região do violeta no espectro.
Esta lei, conhecida como Lei do Deslocamento de Wien, evidencia que quanto maior for atemperatura menor será o comprimento de onda na qual a radiação é mais intensa. No dia-a-dia issoé verificado quando se aquece uma barra de ferro: inicialmente ela não emite luz visível, masinvisível (infravermelho); depois de certo tempo começa a brilhar em um vermelho-escuro e, àmedida que a temperatura aumenta a sua cor se desloca para comprimentos de ondas menores e elabrilha com a cor amarelo-alaranjada. A lei de Wien também pode ser aplicada na determinação datemperatura superficial das estrelas. Estrelas vermelhas (de maior comprimento de onda) possuemtemperaturas mais baixas que as estrelas azuis (de menor comprimento de onda).
No entanto, restavam dúvidas se as propriedades de emissão e absorção dependiam, emtermos quantitativos, de outros fatores tais como o material de que é feito o corpo, a forma e arugosidade do corpo, etc. O problema teórico era encontrar uma função matemática que descrevesse
a curva experimental para tornar possível fazer previsões e estimar as temperaturas dessascavidades.
Embora as previsões teóricas concordassem bem com os dados experimentais em umregime de baixa frequência, para as regiões do espectro eletromagnético de grandes frequências(ultravioleta), a teoria divergia do resultado experimental. Como a teoria representava bem a partedo espectro de baixa frequência, mas falhava ao descrever regiões de alta frequência, a discordânciaentre a teoria e o experimento ficou conhecida como “catástrofe do ultra violeta”.
Ao comparar os resultados Planck verificou que, para baixas frequências a energia dasondas coincidia com a previsão clássica, mas para altas frequências esta energia deveria diminuir,ou seja, de alguma maneira esta energia deveria depender da frequência das ondas e não apenas datemperatura.
Na época os modelos teóricos consideravam que a radiação térmica emitida por um corpodecorria da vibração de osciladores moleculares e que a intensidade da radiação dependia donúmero destes osciladores. Estes osciladores moleculares seriam análogos a osciladores mecânicossendo suas energias determinadas pelas grandezas físicas relevantes do sistema.
Para desenvolver a teoria das radiações térmicas admitia-se que os átomos nas paredes dacavidade (equivalente ao corpo negro ideal), oscilam em movimento harmônico simples, em tornode uma posição de equilíbrio. Segundo a teoria eletromagnética as cargas elétricas destes átomos,deveriam emitir radiação eletromagnética devido à aceleração, como se fosse antenas transmissoras.Como a aceleração é contínua, a energia emitida também deveria ser contínua.
No entanto, segundo Planck, o argumento apresentado acima (emissão contínua deenergia) “(…) deverá ser então abandonado e substituído de forma apropriada”. Planck deu umgrande salto intuitivo, abandonando o conceito de emissão contínua de energia e propondo suasubstituição. Na proposta de Planck: A energia do oscilador é linearmente proporcional à suafrequência e pode assumir somente certos valores discretos dados por: E = n.h.f, onde n assumeapenas valores inteiros (n = 1, 2, 3…), h é uma constante de proporcionalidade (mais tarde ficouconhecida como constante de Planck) e f é a frequência do oscilador. Hoje n é chamado de númeroquântico e diz-se que a energia é quantizada.
Os osciladores emitem ou absorvem energia realizando transições de um estado quânticopara outro, ou seja, absorve ou emite uma quantidade mínima de energia, que se denomina dequantum de energia.
Aplicando as ideias de osciladores quânticos, Planck conseguiu obter uma função queconcordava extraordinariamente bem com os dados experimentais para as curvas de emissão deradiação e que contém, como casos particulares, todos os resultados obtidos anteriormente poroutros pesquisadores como as leis de Wien e Stefan.
Referências bibliográficas:
PEREIRA. S. J., ZARA, R. A. Salto Quântico e a Constante de Planck. In: Elaboração da ProduçãoDidática-Pedagógica, Paraná: UNIOESTE, s/data. Disponível emhttp://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/portals/pde/arquivos/1971-6.pdf, acessado em 08 dedezembro de 2015.
BUENO.L.; PALMIERI, M.; LEOPOLDO, W. M. Fisistória, Unidade VI – Física Moderna eContemporânea. 1ª edição, São Paulo, junho de 2015. Disponível em http://disciplinas.stoa.usp.br/pluginfile.php/324048/mod_resource/content/1/Material%20Did%C3%A1tico%20-%20Leonardo%2C%20Mayara%20e%20Walter.pdf, acessado em 08 dedezembro de 2015.
ATENÇÃO:
Nesse momento será entregue o segundo texto – AS MOLÉCULAS DA VIDA E AS
RADIAÇÕES – que servirá de guia para um dos grupos que farão a apresentação dos semináriosno final da Unidade Didática.
Oitavo texto de apoio
AS MOLÉCULAS DA VIDA E AS RADIAÇÕES(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3, p. 85-86.12)
A vida que conhecemos não se sustenta sem a radiação solar, pois é a fotossíntese,realizada pelas plantas e algas com a absorção da luz do Sol, que dá início a toda cadeia alimentarenvolvendo o conjunto das muitas espécies vivas. Cada ecossistema, cada conjunto de espéciesinterligadas que vivem em cada região depende do clima e da geomorfologia locais, diretamenteassociados ao regime de radiação: em latitudes polares, por exemplo, há, em média, bem menoshoras diárias de luz solar direta do que em zonas equatoriais, o que condiciona o tipo de plantas eanimais que podem viver nessas regiões; seres vivos que habitam locais de grandes altitudes e deatmosfera mais rarefeita, como os Alpes ou os Andes, recebem maior intensidade de radiaçãocósmica e de alta frequência do que os que vivem no fundo dos oceanos ou dos vales, o que tambéminterfere em seu desenvolvimento.
12 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 85-86.
Pesquisas sobre o surgimento da vida na Terra indicam que a radiação solar foi essencialpara a síntese das primeiras moléculas orgânicas. As principais teorias sobre a origem da vida noUniverso baseiam-se na hipótese da preformação de compostos orgânicos. Para testá-la, foramrealizadas experiências em laboratório mostrando que certas moléculas orgânicas podem serproduzidas, a partir de substâncias elementares, em uma solução aquosa submetida a descargaselétricas ou intensa radiação ultravioleta, simulando as condições ambientais da Terra em umperíodo em que nossa atmosfera ainda não tinha sua atual composição.
UTILIDADE E PERIGO DAS RADIAÇÕES(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3, p. 87.13)
Todos os seres vivos estão expostos a diversas radiações naturais, em diferentes doses:infravermelho; luz visível, do vermelho ao violeta; e radiações de maior frequência, do ultravioletaà radiação cósmica. Sobretudo estas últimas permanecem responsáveis por contínuas alterações naestrutura química dos seres vivos, muitas vezes resultando em mutações do DNA. Hoje, além dasradiações naturais, há também aquelas produzidas de forma artificial, que são utilizadaspropositadamente em exames radiológicos, por exemplo, ou por acidente, às vezes, nos causandodanos. Como tudo o mais na natureza e na tecnologia, asradiações podem ser essenciais para certos processos degrande utilidade e, ao mesmo tempo, constituir ameaça ourisco.
Sem uma compreensão quanto a relação essencialentre as radiações e a vida não é possível avaliar aimportância ou o perigo da exposição de seres vivos adeterminadas formas de radiação. Há mais de um século,foram descobertos os raios-X, com sua capacidade depenetração nos tecidos orgânicos, e a radioatividade naturalde certas substâncias, como o rádio. Não havia aindaconhecimento de como essas radiações interagiam com amatéria em geral, muito menos com a matéria viva.
Além do uso dos raios-X em diagnósticos defraturas e tumores, houve, logo após a época da descobertada radioatividade, uma indiscriminada propaganda depoderes “magicamente” curativos de toda forma deradiação.
Só meio século depois, com o desenvolvimento dabiologia molecular, que desvendou os mecanismos de organização e reprodução da vida,codificados em longas moléculas, como o DNA, é que foi possível perceber como as radiações quetêm energia capaz de quebrar ligações químicas, alteram genes e produzem mutações. Essasmutações promoveram a biodiversidade necessária para a evolução das espécies, mas também sãoresponsáveis por vários tipos de malformações celulares, principalmente aquelas conhecidas comocâncer. Assim, a radiação que diagnostica e que cura não é nada diferente da que prejudica e mata.
GOIÂNIA, RUA 57(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3, p. 88.14)
Produzido pela fusão artificial de urânio ou plutônio, o césio 137 (55 Cs137) é um isótoporadiativo com meia-vida de 30 anos que, ao decair emite radiações beta e forma o bário 137(56Ba137), que, por sua vez, emite raios gama. Essas radiações são úteis no tratamento contra ocâncer, em que se utilizam aparelhos radiológicos contendo pastilhas encapsuladas de césio 137
13 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 87. 14 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 88.
como fonte de radiação. Manipulado, no entanto, de forma irresponsável, o césio 137, e qualqueroutro material radioativo, pode causar muitos estragos. Foi o que aconteceu em Goiânia (GO), emsetembro de 1987, quando dois sucateiros inocentemente violaram uma pequena cápsula contendoesse elemento radioativo, de cerca de 2 cm de comprimento e 0,2 cm de diâmetro. A cápsula foiencontrada dentro de uma bomba de césio 137 abandonada pelo Instituto Goiano de Radiologia, emum terreno baldio da Rua 57, do Bairro Popular de Goiânia.
O relato do escritor Fernando Gabeira expressa de forma rica e comovente o drama dapopulação de uma cidade que, por não ter usinas ou centros de pesquisas nucleares, parecia escaparde qualquer risco de acidente nuclear:
Tudo o que se conhece é que Roberto e Wagner [os dois catadores de papel] retiraram aenorme peça num carrinho de mão e venderam o cabeçote de chumbo num ferro-velho. […] O donodo ferro-velho e os próprios catadores ficaram curiosos.
Quando aos golpes de marreta, chegaram à brilhante pedra azul, ficaram maravilhados.[…]Um dos catadores tentou traçar uma cruz no peito e o dono do ferro-velho quis reparti-la entre osamigos, gratuitamente, para que fizessem anéis. Um deles levou um pedaço para casa.[…] A pedrabrilhava tanto que incomodava o sono da mulher com quem vivia.[…] O mais trágico dosmovimentos aconteceu na casa do outro dono do ferro-velho, Ivo. Sua filha Leide, de seis anos,brincou próxima do pó de césio, tocou nele comendo um pedaço de pão com ovo e se contaminouinternamente. [Ela morreria um mês depois]
[…] Os primeiros sintomas começaram a aparecer – vômitos, queimaduras na pele, quedade cabelo. […] Fizeram de tudo o que estava ao seu alcance. Foram ao farmacêutico comprarampomada, foram ao pronto-socorro e se medicaram como vítimas de queimadura, e um dos catadoresde papel, mais atingido, chegou a ser internado no hospital especializado em doenças tropicais.
Foi no auge dessa busca que a pedra começou a ficar sob suspeita e o veterinário PauloRoberto Monteiro formulou, pela primeira vez, a descoberta do acidente. […] a partir daí, omistério se desfez, o mundo desencantou e o pedaço azul do céu se transformou num pedaço azuldo inferno.
[…] Cerca de 43 técnicos desembarcaram em Goiânia.[…] Cinco mil pessoas, por dia, noprincípio, acorriam ao Estádio Olímpico, onde foi instalada uma equipe incumbida de testar acontaminação.
[…] Desde o momento em que os pacientes foram examinados no Estádio Olímpico até omomento de seu enterro […]o nuclear revelou a capacidade de militarizar cada passo da medicina,transformando-a numa atividade secreta, protegida por guardas armados que só desaparecem deperto dos corpos quando sepultados em caixões de chumbo, recobertos por uma camada deconcreto.
[…] Mas foi chegando o momento em que o verdadeiro “calcanhar de Aquiles” de todoprojeto nuclear apareceria para todos, com luminosidade mais intensa que a do próprio césio-137.Esse momento se deu quando começou a discussão em torno do lixo atômico [as roupas recolhidasno Estádio Olímpico, por exemplo].
[…] Diante dessa realidade [recusa do Governo Estadual em guardar o lixo atômico emGoiás], o Governo Federal resolveu indicar um lugar definitivo para o lixo atômico: a Serra doCachimbo, no sul do Pará.
[…] De todas as demonstrações[contrárias à decisão do Governo Federal], a mais popularfoi a realizada durando o Círio de Nazaré, a grande festa religiosa do norte do país. Uma centena demanifestantes entrou na procissão com cartazes e máscaras de protesto e foi, progressivamente,ganhando o apoio dos fiéis, estimulados também pelas declarações das autoridades católicas doPará, contrárias ao depósito de lixo atômico. Os participantes do Círio de Nazaré viveram narealidade a grande cerimônia política do ano, porque manifestantes que protestavam contra aviolência dos latifundiários do Pará também estavam presentes. Os dois movimentos se uniram aolongo do caminho, simbolizando dramaticamente as contradições de um Brasil incapaz de realizarao mesmo tempo uma aspiração do século passado, a reforma agrária, e uma aspiração do séculoXX, a superação do projeto nuclear. (Fonte: Fernando Gabeira. Goiânia Rua 57 – O nuclear na Terra
do Sol, in: www.gabeira.com.br)
TERAPIAS E DIAGNÓSTICOS RADIOTIVOS(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3, p. 89.15)
Hoje, é tão variada a utilização de radiação em associação com a vida, especialmente nasáreas médicas, que seriam necessários vários livros para descrever as principais técnicasempregadas. Os raios-X são uma das formas mais tradicionais de uso da radiação: são usados paraimpressionar filmes fotográficos que permitem ver através de corpos vivos porque diferentestecidos orgânicos são mais ou menos radiopacos, ou seja, apresentam distintas transparências a essaradiação. O emprego de equipamentos de computação associados ao de raios-X possibilita tambéma formação de imagens tridimensionais, a chamada tomografia computadorizada.
15 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 89.
6.7. Aula VII e VIII– Experimental e investigativa com o simulador Phet
Conversa com o professor
Nessa aula, o professor deve realizar, previamente, a atividade como preparação da aula
para se apropriar das potencialidades do simulador. Observe que isso é fundamental, pois os
estudantes farão várias perguntas em relação à leitura e interpretação da função utilizada. A sugestão
é que o professor discuta essa função, bem como o funcionamento do simulador, antes que os
estudantes comecem os trabalhos. Ajudas por parte do professor no início das atividades serão
fundamentais, depois os estudantes começam a entender o funcionamento e a interpretação da
função, nesse ponto os trabalhos se desenvolvem mais naturalmente.
Seria muito bom que essas aulas fossem geminadas, pois a atividade é extensa e a parada
em uma aula pode prejudicar o seu desenvolvimento.
A análise dessa aula mostrou que os estudantes se apropriaram das potencialidades do
simulador, conseguindo fazer interpretações observando a função da radiação do corpo negro e
sentindo um pouco como o cientista trabalha.
Material didático
Roteiro 5 – Blackbody-spectrum Duração: 80 min
Prof. Escola:
Grupo 1.2.3.4.
Lista de materiais: computador com o simulador instalado ou com acesso a internet e folhaimpressa com as perguntas abaixo.
Orientações iniciais: Abra a simulação e reconheça os comandos que podem ser manipulados porvocê.
01. Observando o gráfico da radiação do corpo negro, responda:
a) Qual é a grandeza física representada no eixo das abscissas?
b) Qual é a grandeza física representada no eixo das ordenadas?
02. Observe a representação para o espectro eletromagnético mostrada abaixo:
Agora váaté o
simulador, que representa o espectro de emissão de um corpo em uma dada temperatura. Observeque o gráfico gerado é uma função, onde o eixo das abscissas contém a faixa de comprimentos deonda emitidos por esse corpo. Para sabermos se esse corpo emite luz visível nessa temperatura,devemos observar a posição da barra vertical em relação à função gerada. Sempre que necessáriouse os comandos de forma a tornar a visualização a melhor possível.Como exemplo de utilização dos comandos, faça os seguintes ajustes:Temperatura: 3 000 K. Eixo das ordenadas (vertical): 3.16. Eixo das abscissas (horizontal): 3
O que você está observando é o espectro de emissão de uma lâmpada incandescente, que éuma boa aproximação para um corpo negro.
a) De acordo com suas observações, a lâmpada emite luz visível? Explique.
b) Essa lâmpada emite raios-X? Explique.
c) Qual comprimento de onda tem maior intensidade? Observando o espectro acima, como vocêclassificaria esse comprimento de onda?
03. Ajuste a temperatura em 5600 K (use o zoom na vertical e horizontal). Sabendo que essa é atemperatura aproximada da superfície do Sol, faça o que se pede:
a) Compare o comprimento de onda mais intenso produzido pela lâmpada com o comprimento deonda mais intenso produzido pelo Sol.
b) O que você percebe observando a radiação emitida pelo Sol e o espectro da luz visível?
c) O Sol produz radiação ultravioleta? Explique.
04. Construa uma tabela com três colunas, onde uma coluna expresse a temperatura, a outra, ocomprimento de onda correspondente ao pico de maior intensidade (λmáx) e a outra para representaro produto de T x (λmáx ).. Use temperaturas de 600 K, 1200 K, 2500K, 3500K, 4500K e 5500 K.
05. Construa o gráfico para representar os dados da tabela.
Considerações:
Na aula de hoje você fez experimentos no simulador, esses experimentos são muitoparecidos com aqueles realizados pelos cientistas da época, que tentavam obter uma explicaçãoteórica para esta curva experimental. Você conheceu uma dessas tentativas com a expressão que éconhecida como Lei do deslocamento de Wien. Com ela é possível estimar a temperatura de umafonte a partir do conhecimento de seu espectro de emissão. O comprimento de onda máximoemitido é inversamente proporcional à temperatura do corpo negro. lmáx.T = 2,898.10-3 m.K.
Essa expressão é uma tentativa de explicação usando a Física Clássica, cuja dedução sebaseou em considerações extraídas da termodinâmica e do eletromagnetismo. A lei de Wien está emconcordância com os resultados experimentais apenas no caso de comprimentos de ondas pequenos(ou frequências altas).
Quem conseguiu explicar o espectro da radiação foi Max Planck, como visto nas duasúltimas aulas.
TAREFA PARA CASA
Agora que você conhece melhor como funciona o simulador e as características de emissão de umcorpo negro, responda as questões abaixo (o uso do simulador é só para a questão 01). Entreguena próxima aula. Bom trabalho!
01. Para as questões abaixo, considere como aproximação a lâmpada e o sol como corpos negros.
a) Selecione a temperatura de 3000 K (temperatura aproximada do filamento em uma lâmpada defilamento). Analise o espectro obtido e o utilize para qualificar a eficiência de uma lâmpada defilamento.
b) Selecione a temperatura para 5750 K, temperatura aproximada da superfície solar. Analise oespectro emitido pelo sol e o utilize para explicar o fato da maioria dos animais na superfícieterrestre enxergarem na “faixa do visível”. c) Selecione a temperatura para 288 K, temperatura aproximada da superfície terrestre. Analise oespectro emitido pela Terra. Use este espectro e o espectro indicado no item anterior para discutir eentender o efeito estufa terrestre.
02. (Nessa questão não deve ser usado o simulador) Suponha que os corpos a seguir irradiemcomo corpos negros, isto é, que seja válida a Leido Deslocamento de Wien.
a pele de uma pessoa à temperatura de 33,0ºC;
uma brasa de carvão a 1 530 ºC.
a) Qual a frequência de máxima intensidade daradiação emitida por esses corpos?
b) Dado o esboço dos gráficos da intensidade daradiação emitida por um corpo negro em função dafrequência, para as temperaturas de 306 K e 1 800K, é possível saber se esses corpos emitem radiação visível? Justifique.
03. (UFRN) A radiação térmica proveniente de uma fornalha de altas temperaturas em equilíbriotérmico, usada para fusão de materiais, pode ser analisada por um espectrômetro. A intensidade daradiação emitida pela fornalha, a uma determinadatemperatura, é registrada por esse aparato em funçãodo comprimento de onda da radiação. Daí se obtém acurva espectral apresentada na figura. A análise dessetipo de espectro levou o físico alemão Wilhelm Wien,em 1894, a propor que, quando a intensidade daradiação emitida é máxima, o comprimento de ondaassociado obedece à expressão:(λmáx.T = 3.10-3 μm.K), em que λmáx é ocomprimento de onda do ponto de máximo da curvaespectral e T é a temperatura da fornalha para umdeterminado espectro. De acordo com essasinformações, é correto afirmar que a temperatura dafornalha é, aproximadamente,
a) 2000 K e que λmáx aumenta quando a temperatura aumenta. b) 1500 K e que λmáx diminui quando a temperatura diminui.c) 2000 K e que λmáx diminui quando a temperatura aumenta. d) 1500 K e que λmáx aumenta quando a temperatura diminui.
04. (UFRN) As lâmpadas incandescentes são pouco eficientes no que diz respeito ao processo deiluminação. Com intuito de analisar o espectro de emissão de um filamento de uma lâmpadaincandescente, vamos considerá-lo como sendo semelhante ao de um corpo negro (emissor ideal)que esteja à mesma temperatura do filamento (cerca de 3000 K). Na figura abaixo, temos o espectrode emissão de um corpo negro para diversas temperaturas. Diante das informações e do gráfico,podemos afirmar que, tal como um corpo negro,
a) os fótons mais energéticos emitidos por uma lâmpadaincandescente ocorrem onde a intensidade é máxima.b) a frequência em que ocorre a emissão máximaindepende da temperatura da lâmpada. c) a energia total emitida pela lâmpada diminui com oaumento da temperatura. d) a lâmpada incandescente emite grande parte de suaradiação fora da faixa do visível.
ATENÇÃO:
Nesse momento será entregue o terceiro texto – O ÁTOMO QUÂNTICO – que servirá de guiapara um dos grupos que farão a apresentação no final das atividades.
Nono texto de apoio
O ÁTOMO QUÂNTICO(Fonte: Coleção Quanta Física. Volume 3, p. 26-27.16)
ENERGIA GRANULADA
As descobertas do elétron, dos raios-X, das emissões radiativas α, β, γ e do núcleoatômico, denso e positivo, eram apenas as primeiras revelações de um panorama submicroscópicoque se desvendava por meio das radiações. Nas primeiras décadas do século XX, fatos inesperadospuseram em dúvidas teorias antes consideradas definitivas. No mundo submicroscópico, novidadesmuito estranhas se manifestariam: partículas que se moviam sem descrever trajetórias, e ondas quecolidiam como se fossem objetos.
GRÃOS DE ENERGIA
Quando um feixe de luz solar atravessa um prisma ou uma gota d’água, a luz branca sedispersa nas cores do arco-íris , do vermelho ao violeta, revelando o que se chama espectro solar. Oestudo das cores e de suas intensidades no espectro emitido por objetos incandescentes daria oprimeiro golpe na visão clássica do mundo.
Por interesses práticos no campoda metalurgia, faziam-se experimentospara conseguir medir com precisão atemperatura de fornos, analisando a luzque vinha de seu interior. Os resultadosmostravam que a cor e o brilho da luzemitida dependiam apenas datemperatura do forno e não do materialde que eram feitos. Enquanto o vermelho-amareladopredomina em aquecimentosmoderados, a cor dominante emtemperaturas elevadas era o brancoazulado. Em outras palavras, um fornoproduz um espectro de luz: quanto maisquente está, maior é a predominânciade azul e violeta na radiação que eleemite.
As teorias anteriores, clássicas, nãoacertavam a dose de azul e de violeta,problema que foi solucionado em 1900,pelo físico alemão Max Planck(1858/1947) com uma hipótese muitoestranha: a energia da luz emitida pelointerior dos fornos somente poderia tercertos valores múltiplos de umaunidade mínima (quantum) igual a hf,sendo f a frequência da radiação.Podemos fazer uma analogia com odinheiro, que só existe como múltiplode um centavo: não há moedas de meio
16 KANTOR, Carlos, et al. Coleção Quanta Física. Volume 3, 1ª. Edição, Editora PD, São Paulo-SP, 2010, p. 26-27.
Figura 8: Gráficos como este revelam uma forte relação entre temperatura e intensidade da luz emitida. Observe que para temperaturas elevadas, como 6000 K, há uma emissão muito intensa de todas as frequências de luz visível, resultando em uma composição de cores com tendência oa branco azulado, enquanto para temperaturas menores, como 3000 k, a cor predominante é o vermelho, pois a luz visível emitida é de baixa frequência.
centavo. De forma semelhante, de acordo com a teoria de Max Planck, somente poderiam ocorrertrocas de energia com valores iguais a 1 hf, 2 hf, 3 hf. O valor h = ( 6,6. 10-34 J . s) ficou conhecidocomo constante de Planck.
Apesar da exatidão matemática da solução encontrada por Planck, nem mesmo eleconseguia formular uma interpretação física do fenômeno, que, no fundo, significava impor saltosnos valores energéticos, como se cada valor correspondesse a um grão de energia. A energia era, atéentão, pensada como algo com valor contínuo, sem saltos nem grãos e, muito menos, com valoresmínimos. É como se Planck houvesse descoberto que qualquer montanha fosse feita de“microdegraus” sendo impossível subir por ela de forma contínua, mesmo usando cordas, pois nãoexistiriam alturas intermediaras.
GRÃOS DE LUZ
Hoje, todos estamos acostumados a ver, diariamente, claras relações entre luz e fenômenoselétricos. Sabemos que cada ponto da tela da TV ou de um monitor de computador brilha porque foiatingido por um feixe de elétrons, assim como a porta automática do centro comercial ou doelevador abre ao detectar nossa presença porque nosso corpo interrompe um feixe de luz invisívelou infravermelha. Isso tudo, agora, no início do século XXI, é trivial, mas não era no começo doséculo XX, quando nem se sabia que partículas de luz existiam e que eram capazes de colidir comelétrons.
A solução quântica de Planck para o problema da relação entre temperatura e cor da luzemitida pelos fornos trouxe indícios sobre o fracionamento, em valores discretos, da energialuminosa e das ondas eletromagnéticas, mas não para seu caráter corpuscular.
Foi Einstein, em 1905, explicando o efeito fotoelétrico, quem interpretou, pela primeiravez, a interação entre elétrons e partículas de luz. O fenômeno recebeu o nome de efeito fotoelétricoporque se trata da emissão de elétrons por placas metálicas quando atingidas por luz de frequênciasuficientemente alta.
Utilizando a ideia de quantum de Planck, Einstein propôs que a luz se propaga pelo espaçocomo pacotes, denominados fótons, contendo energia de valor múltiplo de hf. Assim, a luz de baixafrequência, como a radiação infravermelha, como a radiação infravermelha, corresponde a fótons debaixa energia, e a luz de alta frequência, como a ultravioleta, corresponde a fótons de alta energia.Quando um material é atingido por fótons de energia suficientemente alta, a luz arranca elétronsinstantaneamente. Dessa maneira, a luz que era descrita como onda, passou a ser entendida tambémcomo constituída de partículas, que podem colidir com elétrons e arrancá-los de um material.
6.8. Aula IX e X Apresentação dos alunos
Conversa com o professor
Nessa aula o professor deve ficar atento às apresentações, mas deve-se esperar que todos
os grupos se apresentem para depois fazer os comentários. Os estudantes costumam se sentir
intimidados nesse tipo de atividade. Por isso, a não ser por questões de ordem, o professor será
durante as apresentações somente um espectador.
Apresentação dos alunos
Essas aulas foram estruturadas de forma que cada grupo de estudantes apresentasse suas
conclusões sobre as atividades realizadas.
Ao assistir as apresentações das atividades propostas, fica-se surpreso com as
competências de certos estudantes em fazerem apresentações, bem como com a pesquisa que
realizam para melhorarem seu conhecimento em torno do tema que abordaram. Esse tipo de
atividade tem potencialidades que vão muito além do conteúdo da disciplina.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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