ficha para catÁlogo - diaadiaeducacao.pr.gov.br · autor aluizio torres da silva ... palavras,...
TRANSCRIPT
FICHA PARA CATÁLOGO PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA
Título: UTILIZAÇÃO DE UM LABORATÓRIO VIRTUAL NO PROCESSO ENSINO-APRENDIZAGEM DA
FÍSICA: EXPERIÊNCIA COM O SEGUNDO ANO DO ENSINO MÉDIO
Autor ALUIZIO TORRES DA SILVA
Escola de Atuação COL. EST. PROFESSOR BENTO MUNHOZ DA ROCHA NETO
Município da escola PARANAVAÍ
Núcleo Regional de Educação PARANAVAÍ
Orientador SHALIMAR CALEGARI ZANATA
Instituição de Ensino Superior UNESPAR – CAMPUS PARANAVAÍ
Disciplina/Área (entrada no PDE) FÍSICA
Produção Didático-pedagógica UNIDADE DIDÁTICA
Relação Interdisciplinar
(indicar, caso haja, as diferentes
disciplinas compreendidas no
trabalho)
MATEMÁTICA E QUÍMICA
Público Alvo
(indicar o grupo com o qual o
professor PDE desenvolveu o
trabalho: professores, alunos,
comunidade...)
ALUNOS DO ENSINO MÉDIO
Localização
(identificar nome e endereço da
escola de implementação)
RUA ENIRA BRAGA, 313
Apresentação:
(descrever a justificativa,
objetivos e metodologia utilizada.
A informação deverá conter no
máximo 1300 caracteres, ou 200
palavras, fonte Arial ou Times
New Roman, tamanho 12 e
espaçamento simples)
Tendo em vista o acelerado desenvolvimento das tecnologias, as
quais estão presentes no cotidiano, o presente material didático
deverá contribuir para a busca do conhecimento através das
tecnologias, principalmente por intermédio do uso de sítios
educativos, objetivando promover uma relação entre o aluno e os
conceitos da física utilizando-se de laboratórios virtuais na física,
onde se congregará o real ou concreto através de simulações de
imagens, sons e movimento simultaneamente, onde haverá uma
correspondência entre o uso da linguagem virtual, verbal, escrita e
também matemática.
Palavras-chave ( 3 a 5 palavras) MULTIMÍDIA; TECNOLOGIA DIGITAL; SIMULAÇÃO;
INTERAÇÃO; CONCEITOS FÍSICOS.
PROJETO DE INTERVENÇÃO PEDAGÓGICA NA ESCOLA
Utilização de laboratório virtual no processo ensino-aprendizagem da
Física: experiência com o segundo ano do Ensino Médio
Área: FÍSICA
Professor PDE: ALUIZIO TORRES DA SILVA
IES: UNIVERSIDADE ESTADUAL DO PARANÁ – CAMPUS PARANAVAÍ
Professor orientador: SHALIMAR CALEGARI ZANATTA
Agosto 2011
SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO
SUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO
PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO
EDUCACIONAL - PDE
PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL
1. DADOS DE IDENTIFICAÇÀO
Professor PDE: Aluizio Torres da Silva
Área PDE: Física
NRE: Paranavaí
Professora Orientadora IES: Dra. Shalimar Calegari Zanatta
IES vinculada: UNIVERSIDADE ESTADUAL DO PARANÁ - Campus Paranavaí
Escola de implementação: Colégio Estadual Prof. Bento Munhoz da Rocha Neto
Público objeto da intervenção: Ensino Médio - 2ª série
APRESENTAÇÃO
O Programa de Desenvolvimento Educacional (PDE) desenvolve uma política pública que
estabelece o diálogo entre professores da rede Estadual de Educação do Paraná. Trata-se de um
programa de Formação Continuada diferenciado, que tem por objetivo qualificar o professor através
de estudos teóricos e experiências vivenciadas, com objetivos de buscar alternativas que superem
problemas da escola em que atua e da educação paranaense. Problemas, estes, identificados na
elaboração do Projeto de Intervenção Pedagógica na Escola. É nesse contexto que uma produção
Didático-pedagógica, é elaborada. Esta produção se caracteriza como uma Unidade Didática
voltada para o tema de estudo escolhido pelo professor em função das necessidades observadas na
sala de aula. Em consonância aos propósitos do PDE, observa-se que os alunos do Ensino Médio
têm diversas dificuldades na apropriação dos conceitos de termologia e, principalmente relacioná-
los com fenômenos cotidianos onde os expressam. Sendo assim, esta unidade didática apresenta
uma proposta de trabalho que aborda as leis da termodinâmica, em acordo com os princípios
educacionais e com as diretrizes curriculares da SEED. Por outro lado, nossa sociedade vive um
acelerado desenvolvimento das tecnologias, as quais estão presentes no cotidiano e, que a escola
não deve ignorar, pelo contrário, as novas tecnologias devem ser usadas como ferramentas didáticas
para auxiliar o processo ensino-aprendizagem. Sob a orientação da professora Dra. Shalimar
Galegari Zanatta esta unidade apresenta uma metodologia de ensino que busca o conhecimento
através das tecnologias, principalmente por intermédio do uso de sítios educativos, objetivando
promover uma relação entre o aluno e os conceitos da física utilizando-se de laboratórios virtuais na
física, onde se congregará o real ou concreto através de simulações de imagens, sons e movimento
simultaneamente. Desta forma, proporcionará ao educando fazer uma correlação entre os
fenômenos físicos relacionados com a termodinâmica através do uso da linguagem virtual, verbal,
escrita e matemática. A escolha é justamente por ser um conteúdo que quando trabalhado em
laboratório necessita de muito cuidado, porque as grandezas físicas envolvidas são: pressão,
temperatura e calor exigem cuidados especiais.
TERMODINÂMICA - CONTEÚDOS ESPECÍFICOS
A termodinâmica investiga as grandezas macroscópicas (temperatura, pressão e volume),
definidas por coordenadas termodinâmicas em função da energia interna do sistema. Aqui se
entende sistema como um conjunto de átomos ou moléculas, constituintes de um gás, inserido num
recipiente de volume (V). O sistema estará em equilíbrio se os valores, que representam suas
grandezas, se mantêm constantes por um longo período de tempo. Quando o sistema sofre variações
em uma de suas grandezas, ele sai momentaneamente do equilíbrio e, depois de um intervalo de
tempo – tempo de relaxação, encontra-se em outro estado de equilíbrio. Vários processos podem
mudar o estado de equilíbrio de um sistema, como por exemplo, compressão ou aumento de sua
temperatura através da transferência de energia na forma de calor. É digno de nota que um gás
contido num recipiente de dimensões macroscópicas é formado de um número (N) gigantesco
(tipicamente, N 1024
) de partículas (moléculas ou átomos). Porém, um estado termodinâmico
específico fica completamente caracterizado por apenas duas, das três variáveis macroscópicas (P,
V, T) porque estão relacionadas entre si. A pressão está relacionada com o valor médio da
transferência de momento nas colisões das partículas com as paredes do recipiente. A temperatura
está relacionada com a energia cinética média das partículas. A descrição termodinâmica é sempre,
portanto, uma descrição macroscópica, que só se aplica a sistemas com um número suficientemente
grande de partículas, por isso sempre relacionada a valores médios. As partículas do gás movem-se
de forma extremamente complicada e desordenada, colidindo constantemente umas com as outras e
com as paredes do recipiente, variando apreciavelmente numa escala de distâncias 10-8
cm e
tempos 10-13
s. É por isso, que as leis da mecânica Newtoniana sofram profundas modificações na
escala atômica e subatômica. Em resumo, a termodinâmica é a área da Física que relaciona as
grandezas macroscópicas como resultados obtidos pela Mecânica Quântica e pela Mecânica
Estatística.
Devemos, portanto, fazer algumas considerações importantes, por sistema termodinâmico
vamos empregar um gás ideal, ou seja, um gás rarefeito contido num volume a baixa pressão, qu
pode ser descrito pelos parâmetros macroscópicos: pressão (P), volume (V) e temperatura (T).
Estado Termodinâmico
Os parâmetros termodinâmicos são quantidades de medidas macroscópicas associadas com
o sistema, e elas podem ser definidas experimentalmente.
Assim, o estado termodinâmico de um gás é descrito por três parâmetros macroscópicos (P,
V, T), que fornecem algumas informações médias sobre seu estado dinâmico.
LEIS DA TERMODINÂMICA
Historicamente, as leis da termodinâmica foram obtidas como leis empíricas, de natureza
fenomenológica. Somente mais tarde, com a formulação da teoria cinética dos gases, precursora da
teoria atômica da matéria, é que se procurou a explicação microscópica das leis da termodinâmica.
As três leis em que a termodinâmica se fundamenta compõem um curto e conciso código de
limitações, proibições ou definições de conceitos que, segundo a física, estão estabelecidas pela
natureza. De acordo com esse código:
É proibida a existência de transformações de energia sem que parte dela se dissipe ou se
transforme em energia não aproveitável;
Calor é uma forma de energia em trânsito;
Existe uma grandeza macroscópica, denominada temperatura, que apresentará o mesmo
valor a qualquer corpo quando em contato entre si;
São proibidos ainda quaisquer dispositivos que se movimentam continuamente, sem
consumo de energia, como o moto-perpétuo;
É proibida a transferência espontânea de calor dos corpos mais frios para os mais quentes. A
transferência no sentido oposto é o sentido natural e se processa até que todos os corpos
atinjam o mesmo estado térmico;
É impossível, por qualquer processo natural ou artificial de resfriamento, atingir o mais
baixo nível térmico do universo. Ele existe, tem valor numérico conhecido, mas não pode
ser alcançado.
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA E EQUILÍBRIO TÉRMICO ENTRE DOIS SISTEMAS.
Identifica a temperatura absoluta como uma função de estado macroscópico. É um fato
experimental que um sistema isolado (gás numa caixa com paredes isoladas) sempre tende ao
equilíbrio termodinâmico. Neste estado, suas variáveis macroscópicas não mudam com o tempo e
representam valores médios de variáveis microscópicas.
Podemos afirmar que cada sistema está caracterizado por um parâmetro (T),
convencionalmente chamado de temperatura absoluta, a qual está relacionada com a energia média
por átomo ou molécula que compõem o sistema.
A troca contínua de energia durante as colisões é o mecanismo que seja autor regulador do
equilíbrio térmico.
A termodinâmica estatística, desenvolvida posteriormente às leis da termodinâmica, mostra
que na situação de equilíbrio térmico o sistema está no seu macroestado que contém o maior
número de microestados – este macroestado é o estado de equilíbrio.
Macroestado – estado do sistema descrito, por coordenadas termodinâmicas mensuráveis.
Microestados – estados quânticos permitidos para um dado macroestado.
O valor da temperatura é o parâmetro comum entre dois sistemas em contato entre si que
atingem o equilíbrio térmico.
Temperatura
O conceito de temperatura está associado a uma propriedade comum de sistemas em
equilíbrio térmico. Para definir de forma objetiva o conceito de temperatura, vamos analisar
detalhadamente as propriedades do equilíbrio térmico.
Quando dois sistemas em contato um com o outro por meio de uma parede adiabática,
(paredes isolantes) o estado de equilíbrio termodinâmico do A não é afetado pelo estado
termodinâmico do B, conforme podemos ver na figura 1.
Figura 1. Dois sistemas A e B separados por uma parede adiabática, a temperatura do sistema A é diferente da temperatura do sistema B.
Mas substituindo a parede adiabática por uma diatérmica, (paredes que permitem a troca de
energia na forma de calor) e novamente colocando os dois sistemas em contato térmico, o sistema
evoluirá para um estado de equilíbrio diferente do caso anterior, isto significar que as variáveis
macroscópicas tanto do sistema A quanto do sistema B após certo intervalo de tempo evoluirão para
um estado de equilíbrio térmico que contempla os dois estados. Neste caso dizemos que o sistema
termodinâmico A está em equilíbrio térmico com o sistema termodinâmico B, conforme podemos
ver na figura 2.
Figura 2. Os dois sistemas em contato por meio de uma parede diatérmica, os dois estado evoluirá para um estado de equilíbrio térmico.
Suponhamos agora que os sistemas A e B estão em equilíbrio térmico e, um terceiro sistema
C com temperatura diferente dos dois anteriores é colocado em contato por meio de uma parede
diatérmica. Os três sistemas evoluirão para um estado de equilíbrio térmico diferente do estado da
figura 2. Esta situação está representada na figura 3.
Figura 3. Os três estados estão em equilíbrio térmico entre si.
Este fato é chamado muitas vezes de lei zero da termodinâmica: Dois sistemas em equilíbrio
térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si.
A noção intuitiva de temperatura mostra que dois sistemas em equilíbrio térmico entre si
têm a mesma temperatura. É graças a lei zero da termodinâmica que podemos medir a temperatura
de um corpo com o auxílio de um termômetro.
O conceito de temperatura como parâmetro macroscópico é uma grandeza empírica porque
depende de uma propriedade termométrica do termômetro. Os termômetros mais conhecidos de
mercúrio ou álcool contidos num bulbo utilizam a dilatação dessas substâncias como propriedade
termométrica. A temperatura absoluta como definida sendo proporcional a energia média do
sistema ou o parâmetro de ajuste que leva o sistema ao macroestado de equilíbrio térmico deve ser
obtida sem depender da substância termométrica. Os termômetros mais familiares no cotidiano
estão graduados nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, esta última é considerado como escala
absoluta.
O CONCEITO DE CALOR E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Calor era visto como uma substância que fluía de um corpo para outro, numa quantidade
medida em calórico. A conexão entre calor como uma das formas de energia só foi estabelecida no
séc XIX por um médico, Julius R. Meyer.
Em 1843 James Joule estabeleceu o equivalente mecânico, ou seja, a relação quantitativa
entre trabalho e calor como uma das formas de energia (1cal=4,186J). Uma consequência do
experimento realizado por Joule foi à observação de que o trabalho adiabático (ou seja, sem troca de
calor) necessário para elevar a temperatura (pelo mesmo valor) de uma substância é independente
do caminho utilizado. Na mecânica, temos que o trabalho realizado por uma força externa para
levar um corpo da superfície até uma altura h, independe dos pontos iniciais e finais. Como
consequência, existe uma função de estado que caracteriza o sistema, podemos afirmar que existe
uma função de estado que caracteriza o sistema, denominada de energia interna U, cuja variação
entre os estados iniciais e finais é igual ao trabalho adiabático (sem trocas de calor) necessário para
levar o sistema de i até f.
E se o sistema trocar calor com a vizinhança? Isso implica que a variação de energia interna
pode ocorrer devido à execução de trabalho ou transferência de calor. Utiliza-se a convenção de que
o trabalho realizado pelo sistema e calor cedido ao sistema são positivos. Esta convenção originou
da aplicação da termodinâmica as máquinas térmicas.
A primeira lei da termodinâmica, que equivale ao princípio de conservação da energia,
identifica a contribuição de U que não é devido a trabalho fornecido ao sistema com uma nova
forma de energia, o calor Q transferido ao sistema, ou seja:
fiifWQUUU
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA E ENTROPIA
A primeira lei da termodinâmica é uma lei de conservação de energia, mas observando o
funcionamento das máquinas térmicas, verifica-se que calor não pode ser convertido 100% em
trabalho, mas trabalho pode ser integralmente convertido em calor. Estas observações estão
relacionadas com a segunda lei da termodinâmica. Que impõem uma direção para a conservação de
energia.
A segunda lei da termodinâmica descreve aquilo que não pode ocorrer de forma espontânea,
isto é, há uma lei limitante restringindo as ocorrências, apontando os limites da natureza.
Um dos enunciados da segunda lei da Termodinâmica é:
O calor não passa de forma espontânea de um corpo de menor temperatura para outro que
esteja em temperatura mais alta.
O fluxo de calor entre dois corpos não ocorre de forma espontânea do corpo de menor
temperatura para o corpo de maior temperatura.
É impossível construir um dispositivo (máquina) que, operando em ciclos, produza como
único efeito a transferência de calor de um corpo frio para um quente.
Por esse enunciado podemos dizer que não existem máquinas perfeitas, ou seja, máquina
que faça a transferência total do calor de um corpo de menor temperatura para um de temperatura
mais alta.
É impossível construir uma máquina térmica que, ao operar em ciclos, transforme
integralmente em trabalho todo o calor que fornece.
Máquinas térmicas, como as locomotivas a carvão e os motores de automóveis, são
dispositivos que transformam calor em trabalho mecânico por meio de ciclos. De acordo com a
segunda lei da termodinâmica, não é possível construir máquinas térmicas cujo rendimento seja
100%.
Entropia
Num sistema contendo um grande número de partículas parece haver uma tendência natural
da desordem sobre a ordem e degradação da energia, Clausius, no início da segunda metade do
século XIX, desenvolveu uma relação matemática que expressa quantitativamente o aumento da
desordem e a degradação de energia, alterações referidas como variação da entropia. A entropia,
representada pela letra S, característica intrínseca de todo e qualquer sistema, aumenta à medida que
a desordem dos fenômenos aumenta. Uma vez que em todos os fenômenos naturais há tendência a
se alcançar um estado de menor grau de ordenação, dizemos que existe uma tendência ao aumento
na entropia do Universo.
Nos processos e transformações é interessante quantificar a variação de entropia do sistema
(S), e não a entropia em cada estado. A variação de entropia de um sistema que esteja passando
por transformação isotérmica, com temperatura absoluta T e trocando com o meio uma quantidade
de calor Q, pode ser expressa como:
T
QS
A variação de entropia depende dos estados, inicial e final, do sistema.
MÁQUINAS TÉRMICAS E REFRIGERADORES
Diante da lei de Entropia, a questão agora é: Qual o melhor rendimento para uma máquina térmica?
Sadi Carnot se propôs a responder esta questão, investigando o limite teórico para o rendimento
máximo de uma máquina térmica. O ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente para a operação de uma
máquina Térmica, conforme mostra a figura 4.
Figura 4. O ciclo reversível de Carnot é composto de duas transformações isotérmicas (transformações a temperatura constante).
Máquina térmica
Uma máquina térmica (motor) produz trabalho a partir de calor, operando ciclicamente.
Conforme já anunciado anteriormente, é impossível com um único reservatório térmico: precisamos
ter pelo menos dois reservatórios térmicos a temperatura diferentes, T1 T2. O reservatório com
temperatura T1 será chamado de Fonte Quente, e o reservatório com temperatura T2 por Fonte Fria,
conforme mostra a figura 5.
Figura 5. Esquema de máquina térmica: Q1 é a fonte quente, Q2 é a fonte fria e W o trabalho.
Seja Q1 o calor fornecido ao sistema pela fonte quente e Q2 o calor fornecido pelo sistema à fonte
fria, e seja W o trabalho realizado pelo motor num ciclo, então:
21QQW
Algumas restrições com relação a está equação: Q2 não pode ser zero, caso isto ocorresse,
todo calor fornecido pela fonte quente (Q1) seria convertido integralmente em trabalho (W), e
teríamos uma máquina perfeita, violando um dos enunciados da segunda lei da termodinâmica. A
fonte Q1 não pode ser igual Q2 (Q1 = Q2), nesta situação não haveria realização de trabalho. A fonte
Q2 não pode ser menor que zero (Q2 0) o que equivaleria a absorver calor de ambas as fontes.
Rendimento
Uma vez que é impossível construir uma máquina térmica que, ao operar em ciclos,
transforme integralmente em trabalho todo o calor que fornece, podemos associar a cada máquina
térmica uma grandeza para medir seu grau de eficiência, que será denominada de rendimento (),
consiste na razão entre o trabalho mecânico realizado pela máquina e a quantidade de calor
fornecida pela fonte.
1
2
1
1Q
Q
Q
W
O rendimento de uma máquina térmica é sempre menor que 1, ou seja, é sempre menor que 100%.
Refrigerador: transformação de trabalho em calor
Os refrigeradores são máquinas que convertem trabalho em calor, ou seja, uma máquina que
transfere calor de uma fonte fria, que se encontra a uma temperatura mais baixa (os compartimentos
internos), para uma fonte quente, que está a uma temperatura mais alta (o ambiente externo).
Trata-se então de um dispositivo que contraria a segunda lei da termodinâmica? Não, pois
essa transferência de calor de uma fonte fria para outra quente, só é possível graças ao trabalho
realizado por um agente externo. Nas geladeiras e freezers, um compressor realiza o trabalho, na
figura 6 mostra o esquema de uma máquina deste tipo.
Figura 6. Esquema básico de um refrigerador.
IMPLEMENTAÇÃO
As simulações computacionais colaboram de maneira significativa no processo ensino e
aprendizagem da Física, facilitando em muitos momentos o processo de entendimento como os
fenômenos físicos ocorrem. Desta forma, os conteúdos acima abordados serão trabalhados em
sala de aula através de diferentes simulações didáticas, todas disponíveis na internet. O aluno
irá elaborar suas conclusões que correlacionam as grandezas abordados com as leis da
termodinâmica. Esta metodologia irá proporcionar aos alunos o manuseio de editor de texto e
planilhas de gráficos que nem sempre são de uso cotidiano dos mesmos. No final da
implementação desse projeto pedagógico, uma nova avaliação será aplicada com o intuito de
avaliar o rendimento de cada participante em relação aos conceitos trabalhados. Trata-se de
uma metodologia diferenciada, onde o material didático será exclusivamente a mídia. Em
resumo, temos que:
As simulações permitem aos alunos relacionarem mais facilmente as equações
matemática com as medidas físicas. Porque os alunos podem variar os parâmetros
envolvidos nos fenômenos estudados e observar os efeitos dessas variações.
Em muitos tópicos dos conteúdos trabalhados, somente a explicação do professor não é
suficiente para levar os alunos a desenvolver um modelo físico do sistema exposto.
Uma simulação bem concebida ajuda os estudantes compreenderem e analisarem os
modelos físicos propostos.
Como a física trabalha com equações, gráficos, vetores, muitos alunos têm dificuldades
de relacionar os dados das situações proposta com as equações matemática, bem como,
fazer sua interpretação gráfica. As simulações colaboram na obtenção destes dados,
permitindo aos estudantes traçar gráficos do fenômeno estudado.
Com as simulações facilita uma relação melhor entre teoria prática, melhorando o nível
de entendimento e compreensão do conteúdo estudado.
O trabalho desta unidade temática será desenvolvido em trinta e duas aulas, que serão
distribuídas em oito encontros. Onde os alunos desenvolverão atividades relacionadas a
termodinâmica, utilizando os recursos da multimídia, produzindo relatórios, gráficos e interpretando
as simulações computacionais.
Primeiro encontro 4horas/aulas
Explanação oral sobre as atividades desenvolvidas durante a execução da unidade
temática;
Aplicação de uma avaliação diagnóstica, individual, para verificar o nível de
conhecimento dos educandos sobre o tema que será abordado.
Aluno(a):
Avaliação do conteúdo Termodinâmica.
1- Assinale a opção correta sobre o conceito de temperatura.
( ) temperatura e calor são sinônimos.
( ) temperatura é o aumento de calor que o corpo sente.
( ) é sensação térmica de quente e frio.
( ) é um estado de agitação das moléculas do corpo.
2- Equilíbrio térmico ocorre:
( ) entre corpos com temperatura iguais.
( ) entre corpos com temperatura superior ao ponto de ebulição da água.
( ) entre corpos com temperatura diferente,
( ) entre corpos com temperatura muito baixa.
3- Pressão mede:
( ) o número de partículas dentro do recipiente.
( ) o choque das partículas com a parede do recipiente.
( ) a velocidade das partículas dentro do recipiente.
( ) a força do choque entre as partículas.
4- Calor é:
( ) a diferença entre duas fontes com temperatura diferente.
( ) é energia estacionária entre dois corpos com temperatura diferente.
( ) é energia em movimento entre dois corpos com temperatura diferente.
( ) é a sensação de temperatura elevada.
5- Cite as escalas termométricas que você conhece.
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
6- Fale sobre o funcionamento de um termômetro.
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
7- Qual a definição de uma máquina térmica?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
8- Uma expansão isotérmica é;
( ) quando ocorre a volume constante.
( ) quando ocorre a pressão constante.
( ) quando ocorre a temperatura constante.
( ) quando ocorre troca de temperatura entre sistema.
9- Uma compressão adiabática é:
( ) quando o sistema perde calor para o meio ambiente.
( ) quando o sistema recebe calor do meio ambiente.
( ) quando ocorre troca de calor no sistema.
( ) quando há troca de calor do sistema com o meio.
10- Quando uma transformação ocorre à pressão constante, é denominada de:
( ) isobárica.
( ) isotérmica.
( ) isométrica.
( ) isocórica.
11- Quando uma transformação ocorre, a temperatura constante, é denominada de:
( ) isobárica.
( ) isotérmica.
( ) isométrica.
( ) isocórica.
12- A lei da termodinâmica que está diretamente relacionada com a conservação de energia é:
( ) a lei zero da termodinâmica.
( ) a primeira lei da termodinâmica.
( ) a segunda lei da termodinâmica.
( ) a transformação cíclica de um gás.
13- A lei da termodinâmica que estabelece o sentido da transformação de energia em processos
naturais é:
( ) a dos gás perfeito.
( ) a primeira lei da termodinâmica.
( ) a segunda lei da termodinâmica.
( ) a transformação cíclica de um gás.
14- As máquinas que convertem trabalho em calor são:
( ) motor a combustão.
( ) motor elétrico.
( ) freezer, geladeira e ar condicionado.
( ) forno de micro-ondas.
15- Nos carros novos que circulam nas cidades e rodovias, a conversão da energia proveniente do
combustível utilizado em energia útil (aquele que faz o veículo se mover), é aproximadamente de:
( ) 10%
( ) 20%
( ) 30%
( ) 50%
( ) 100 %
Segundo encontro 4 horas/aulas
TEMPERATURA, CALOR E PRESSÃO
Temperatura é a grandeza física macroscópica associada ao grau de agitação térmica média
das partículas de um corpo ou de um sistema termodinâmico.
Calor é energia térmica em trânsito de um corpo para outro devido à diferença de
temperatura entre eles.
Pressão é a razão entre a intensidade de uma força e a área da superfície sobre a qual sua
ação se distribui. Assim, como as moléculas de um gás estão em um constante estado de
movimentação, a pressão do gás surge em decorrência dos choques de suas moléculas com as
paredes do recipiente que as contém.
OBJETIVOS
Neste encontro vamos explorar os fenômenos relacionados à energia térmica, abordando os
fundamentos da Termometria, os estados físicos da matéria, o comportamento térmico de líquidos e
gases. Definindo o conceito de temperatura, calor e pressão.
CONCEITOS PRINCIPAIS
Energia térmica, calor, temperatura, pressão, volume, unidades das grandezas
termodinâmicas (P, T, V) e de calor.
METODOLOGIA
No primeiro momento identificar o que o aluno associa ao conceito de temperatura, calor e
pressão, por intermédio de pergunta lançada pelo professor. E a partir das respostas dos alunos
explorarem os conceitos corretos das grandezas envolvidas, utilizando recursos computacionais.
Simulação 1
Esta aplicação em java mostra um modelo microscópico para um gás ideal. A pressão que um gás
exerce nas paredes de seu recipiente é uma conseqüência das colisões das moléculas de gás com as
paredes. Neste modelo:
As moléculas obedecem à lei de Newton de movimento.
As moléculas se mudam para todas as direções com probabilidade igual.
As moléculas sofrem colisões elásticas com as paredes.
Você pode mudar os seguintes parâmetros:
N: Número total de moléculas
P: A pressão do sistema
V: A velocidade de cada molécula.
A largura do recipiente (Clique na parede do recipiente e arraste para o lado).
O volume do recipiente é ajustado automaticamente de acordo com os parâmetros anteriores. A
animação será suspensa enquanto você mantiver o botão do mouse pressionado, e retomado quando
você soltar o botão.
Nesta animação pode achar as relações entre:
número total de moléculas (N) - volume (V)
a pressão (P) do sistema - volume (V)
a velocidade média das moléculas (v) - volume (V)
http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/portuguese/simulacoes.html
www.schulphysik.de/ntnujava/idealGas/idealGas.html.
Simulação 2
Visto microscopicamente, um gás é composto de um número enorme de moléculas que se
movem incessantemente em todas as direções. Esse movimento, denominado movimento de
agitação térmica, leva as moléculas a se chocar umas com as outras e também contra as paredes do
recipiente. A pressão que o gás exerce sobre as paredes do recipiente é devida aos inúmeros
choques das moléculas contra essas paredes. É um bombardeamento contínuo, gerando uma força
que se distribui uniformemente sobre a superfície interna do recipiente.
Como usar este applet: Pode-se variar a temperatura do gás. Quanto maior a temperatura, mais
velozmente as moléculas se movem, maior é sua energia cinética e maior a pressão final sobre as
paredes do recipiente.
www.science.or.kr
Simulação 3
Em uma porção qualquer de gás, a quantidade total de moléculas é muito grande; mas a
distância média entre elas é também muito grande. Por isso é que, quando se condensa um gás, seu
volume diminui bastante. As partículas de um gás, sendo livres, descrevem cada uma um
movimento retilíneo uniforme. Somente quando colidem entre si ou com as paredes do recipiente, é
que sofrem a ação de um impulso e, devido a conservação do momento linear, alterando, portanto
sua velocidade. As moléculas se encontram em movimento desordenado e obedecendo às leis
fundamentais da Mecânica.
Como usar este applet: Inicialmente clique em Start. Este applet permite observar a trajetória de
uma só molécula (Green), em uma porção de gás, quando se altera: o volume (denominado -
Volume), a temperatura (denominado - Temperatuur), a quantidade de moléculas (denomiando -
Aantal Moleculen) e a massa das moléculas (denomiando - Molecuulmassa).
www.oocities.org/br/saladefisica3/laboratorio/.../gases.htm
Terceiro encontro 4 horas/aulas
EQUILÍBRIO TÉRMICO E A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Calor é energia térmica em trânsito, fluindo entre sistemas com diferentes temperaturas, até
o estabelecimento do equilíbrio térmico.
OBJETIVO
Observar como ocorre a troca de energia entre dois corpos com temperaturas diferentes.
CONCEITOS PRINCIPAIS
Energia térmica, calor, temperatura.
METODOLOGIA
Será lançado aos alunos questionamentos sobre equilíbrio térmico entre corpos com temperaturas
diferentes. Partindo das respostas obtidas, vamos conduzir a resposta adequada e mostrar, através da
simulação o tempo necessário para que um sistema atinja o equilíbrio térmico. Este tempo,
denominado de tempo de relaxação pode variar dependendo da natureza dos corpos envolvidos, e
das temperaturas iniciais dos mesmos.
A simulação vai mostrar como a energia é trocada entre os corpos A e B, que representam dois
sistemas termodinâmicos termicamente isolados do meio ambiente. O gráfico exibe como a energia
está sendo transferida de um corpo para o outro.
Quarto encontro 4 horas/aulas
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Uma das leis fundamentais da Física é a lei da conservação da energia, que pode ser assim
enunciada:
A energia não pode ser criada nem destruída; pode apenas ser transformada de uma forma
em outra; e sua quantidade total permanece constante.
Segundo esse princípio de conservação, se dois sistemas estiverem em contato e isolados de
outros sistemas, uma forma de energia poderá ser transformada em outra e, se a energia de um
diminuir, a de outro terá de aumentar.
A primeira lei da Termodinâmica é uma lei que expressa o princípio de conservação de
energia de um sistema considerando três formas diferentes de energia: o trabalho mecânico (W), a
variação da energia interna (U) e o calor (Q).
OBJETIVO
Estudar e compreender que as transformações gasosas ocorrem quando, pelos menos duas
variáveis de estado sofrem uma alteração. Assim, o trabalho envolvido na transformação e a
variação da energia interna do sistema estão relacionados às variações, respectivamente, de volume
e de temperatura do sistema. Desta forma o trabalho será pelo sistema se o volume do gás aumentar;
e, trabalho será recebido pelo sistema se o volume do gás diminuir. O sistema apresenta uma
variação da energia interna será positiva, quando a temperatura do gás aumenta, e uma variação
negativa da energia interna se a temperatura diminuir.
CONCEITOS PRINCIPAIS
Energia térmica, calor, transferência de energia, trabalho, energia interna do sistema.
METODOLOGIA
Para a explanação detalhada da lei da conservação de energia será usado um vídeo de 1
minuto de duração. O vídeo trata do funcionamento do cilindro de um motor e pode ser encontrado
em (www.youtube.com/watch?v=UA9H2WLV9M0). Em seguir os alunos usarão os sites:
www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo1/termo1.html
http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html. Neles, será possível simularem diferentes
situações que envolvam as relações entre trabalho termodinâmico, variação de energia interna e
quantidade de calor. A primeira simulação permite aos alunos variarem energia interna e calor. A
segunda permite analisar o gráfico da pressão versus volume.
Simulação 1
O estado inicial é especificado introduzindo a pressão, volume e temperatura na primeira
coluna do painel a direita.
Escolha o tipo de transformação (isocórica, isobárica, isotérmica e adiabática), clicando no
botão apropriado localizado no painel esquerdo.
Introduza os dados necessários para o estado final, conforme indicado na linha de status nos
botões à direita.
Pressione o botão Calcular.
Pressionando o botão <<<< e o estado final converte-se em estado inicial.
www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo1/termo1.html
Simulação 2
O "Simulador de Transformações Termodinâmicas" foi concebido com o objetivo de
oferecer um ambiente onde possa correlacionar os conceitos: volume e sua variação, massa e sua
variação, força, área, pressão absoluta e manométrica, energia interna, temperatura e trabalho. A
figura abaixo representa um caso particular do comportamento entre a pressão e o volume do gás
num cilindro provido de um êmbolo. Esta simulação permite variar os volumes dos cilindros ou
fixar o volume de apenas um deles.
http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html
Quinto encontro 4 horas/aulas
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
A primeira lei da Termodinâmica estabelece que a energia se conserva sempre, não
importando em que forma se apresenta. Entretanto, os processos de conversão de energia de uma
forma em outra nem sempre são possíveis, apesar de eles não violarem a primeira lei da
termodinâmica. Quem prevê se os processos são ou não possível é, a segunda lei da
Termodinâmica. Há eventos que podem satisfazer a primeira lei, mas são “vetados” pela segunda.
Por exemplo, podemos estabelecer a quantidade de energia mecânica que pode ser obtida de certa
quantidade de energia térmica, porém essa conversão não se dá de modo simples, e é a segunda lei
que estabelece as condições em que ela pode acontecer.
É impossível a construção de uma máquina térmica que opere em ciclos, tendo como efeito
único retirar calor de uma fonte térmica e convertê-lo integralmente em trabalho.
OBJETIVO
Verificar o funcionamento das máquinas térmicas, relacionando o processo de conversão de
energia (Fonte quente – Q1), realizando trabalho (W) e calor transferindo parte para o reservatório
da (Fonte fria – Q2).
CONCEITOS PRINCIPAIS
Energia térmica, calor, temperatura, fonte quente, fonte fria e trabalho mecânico.
METODOLOGIA
O estudo da segunda lei da termodinâmica será iniciado propondo aos alunos uma questão
do Enem 2009 – Questão 39 como um desafio, que após serem analisada pelos alunos, será
comentada pelo professor.
A invenção da geladeira proporcionou uma revolução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir que
fossem armazenados e transportados por longos períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico de
funcionamento de uma geladeira, em que um gás no interior de uma tubulação é forçado a circular entre o
congelador e a parte externa da geladeira. É por meio dos processos de compressão, que ocorre na parte
externa, e de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior
e o exterior da geladeira.
Disponível em: http://home.howstuffworks.com.
Acesso em: 08 de agosto 2011 (adaptado).
Nos processos de transformação de energia envolvidos no funcionamento da geladeira,
a) a expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao resfriamento da parte interna da
geladeira.
b) o calor flui de forma não espontânea da parte mais fria, no interior, para a mais quente, no exterior da
geladeira.
c) a quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da geladeira.
d) a eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente externo for o seu
compartimento interno.
e) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu
consumo de energia.
Em seguida os alunos assistirão a dois filmes com a duração de aproximadamente 6 minutos
cada um, que estão nos sites relacionados abaixo.
www.youtube.com/watch?v=YQBLmI8HEHE
www.youtube.com/watch?v=nAIdk6sLmvc
Apresenta, então, a segunda lei da Termodinâmica como uma lei que estabelece o sentido da
transformação de energia em processos naturais: o calor por si só jamais flui espontaneamente de
um corpo frio para um corpo quente.
A simulação computacional onde os alunos poderão simular o funcionamento de uma
máquina térmica, atribuindo valores a fonte quente, fonte fria e obtendo o trabalho realizado pela
máquina será através do site http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html
http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html
Sexto encontro 4 horas/aulas
CICLO DE CARNOT
O princípio de funcionamento das máquinas térmicas foi estabelecido pelo físico francês
Nicolas Sadi Carnot antes de ser enunciada a segunda lei da Termodinâmica. Estudando essas
máquinas, Carnot percebeu que era fundamental uma diferença de temperaturas para que uma
máquina térmica funcionasse.
Então, para converter calor em trabalho, a máquina térmica deve funcionar entre duas fontes
térmicas: uma fonte quente a uma temperatura T1, da qual retira uma quantidade de calor Q1, e uma
fonte fria a uma temperatura T2, para a qual rejeita uma quantidade de calor Q2. A diferença entre
essas duas quantidades de calor, que serão considerados sempre em módulo, é exatamente o
trabalho obtido da máquina.
OBJETIVO
Mostrar os quatros estágios de um ciclo de Carnot e o diagrama (P, V) correspondente para
esse sistema, da seguinte forma:
Partindo do ponto (A), faz-se uma expansão isotérmica reversível à temperatura T1, até o ponto (B).
O gás realiza trabalho e absorve uma quantidade de calor Q1 da fonte quente.
A partir de (B), o sistema sofre uma expansão adiabática reversível: o gás realiza trabalho e sua
energia interna diminui, com consequente queda de temperatura de T1 para T2 (C).
Partindo de (C), o recipiente é colocado em contato térmico com a fonte fria e é submetido a uma
compressão isotérmica reversível à temperatura T2 da fonte fria. O gás recebe trabalho e fornece
uma quantidade de calor Q2 à fonte fria, até chegar ao ponto (D), situado sobre a adiabática que
passa por (A).
Finalmente, a partir de (D), o sistema é submetido a uma compressão adiabática reversível,
aquecendo o gás até que ele retorne à temperatura T1 da fonte quente. A partir deste ponto o ciclo
fecha.
CONCEITOS PRINCIPAIS
Trabalho mecânico, temperatura, fonte quente, fonte fria, expansão isotérmica, expansão
adiabática, compressão isotérmica e compressão adiabática.
METODOLOGIA
Por meio de duas simulações que mostram a expansão isotérmica, a expansão adiabática, a
compressão isotérmica e a compressão adiabática, analisaremos o ciclo de Carnot. As simulações
podem ser encontradas nos sites http://www.fisica.ufs.br/egsantana/estadistica/carnot/carnot.htm.
http://www.oocities.org/br/saladefisica3/laboratorio/carnot/carnot.htm.
A primeira simulação (fornecida pelo primeiro site descrito) o aluno verá o ciclo de Carnot
independente de dados atribuídos. A segunda simulação, bem mais completa, mostra as relações
entre as grandezas termodinâmicas durante o ciclo. No entanto, valores devem ser atribuídos a
alguns relacionados.
http://www.oocities.org/br/saladefisica3/laboratorio/carnot/carnot.htm http://www.fisica.ufs.br/egsantana/estadistica/carnot/carnot.htm
Sétimo encontro 4horas/aulas
RENDIMENTO DAS MÁQUINAS TÉRMICAS
Carnot demonstrou que o rendimento máximo de qualquer máquina térmica que opere entre
duas fontes de calor, será máximo se for reversível, e também existe uma relação de
proporcionalidade entre as quantidades de calor da fonte fria e da fonte quente e as temperaturas
dessas duas fontes, da seguinte maneira:
1
2
1
2
T
T
Q
Q
OBJETIVO
Obter o rendimento () da máquina térmica pela relação entre a energia útil obtida da
máquina, que é o trabalho (W) e a energia total, que é a quantidade de calor (Q), recebida da fonte
quente.
1Q
W
Observando que o rendimento de 100% ( =1) contraria a segunda lei da termodinâmica.
CONCEITOS PRINCIPAIS
Energia útil (trabalho mecânico), energia total, temperatura, fonte quente, fonte fria,
rendimento.
METODOLOGIA
O programa mostra uma máquina térmica na qual podemos especificar o valor das
temperaturas da fonte fria e quente e também calor fornecido.
www.cs.sbcc.edu/~physics/flash/.../Carnot%20cycle.html
http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html
Nesta simulação os alunos podem observar e analisar o rendimento de uma
máquina térmica atribuindo valores as fontes quente e fria e o calor da fonte quente.
O professor aplicará novamente a mesma prova que foi aplicada no primeiro encontro, com
o objetivo de avaliar o nível de crescimento dos alunos em relação ao conteúdo ministrado.
Também serão debatidos com o grupo os pontos positivos e negativos da unidade temática
trabalhada, o professor acolhe todas as sugestões propostas pelo grupo que poderá ser utilizada para
melhoria da unidade.
Oitavo encontro
Os resultados aqui obtidos serão socializados com o corpo docente e discente do colégio de
aplicação.
ORIENTAÇÕES/RECOMENDAÇÕES AO PROFESSOR
Está unidade didática poderá ser desenvolvida em quantidades diferentes de aulas,
dependendo da implementação que o professor deseja explorar;
Para rodar (funcionar), muitas animações necessita que no computador esteja instalado o
Java Virtual Machine (http://www.java.com/pt_BR/download/).
As simulações serão úteis no ensino da física, somente se o professor explorar o conteúdo
didático na sua totalidade.
As simulações computacionais auxiliam muito ao professor no desenvolvimento do
conteúdo programático, mas não pode substituir uma prática de laboratório.
Bibliografia
[1] Nussenzveig, H. M., Curso de Física Básica – Vol. 2, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo
(1981).
[2] GREF – Grupo de Reelaboração do Ensino da Física, Vol. 2, 2ª Edição, Edusp, São Paulo
(1993).
[3] Blaidi, Sant’Anna; Martini, G; Reis, H. C; Spinelli, W., Conexões com a Física – Vol. 2,
Editora Moderna, São Paulo (2010).
[4] Torres, C. M. A; Ferraro, N. G; Soares, P. A. T., Física – Ciência e Tecnologia – Vol. 2,
Editora Moderna, São Paulo (2010).
[5] Site das animações;
http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html
http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/portuguese/simulacoes.html
http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/diaadia/diadia/modules/mydownloads_08/viewcat.php?cid=2
http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html
www.oocities.org/br/saladefisica3/.../isometrica.htm
www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo1/termo1.html
www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html