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Versão On-line ISBN 978-85-8015-076-6 Cadernos PDE OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE NA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE Artigos

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Versão On-line ISBN 978-85-8015-076-6Cadernos PDE

OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSENA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE

Artigos

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ANÁLISE EXPERIMENTAL DO CONCEITO DE UMIDADE RELATIVA DO AR

Alessandro Bontempi1

Américo Tsuneo Fujii2

RESUMO: O presente trabalho tem por escopo apresentar a estudantes do ensino médio o

conceito de umidade relativa do ar. Para isso, foi construído um higrômetro de baixo custo, onde as temperaturas de bulbo seco de bulbo úmido foram colhidas em diferentes condições climáticas e utilizadas no cálculo da umidade relativa do ar. Procurou-se ainda demonstrar aos estudantes que ferramentas computacionais gratuitas podem auxiliar no estudo e compreensão de fenômenos científicos. Os resultados demonstraram que a utilização conjunta de experimentos e análise computacional proporcionou significativo aprendizado do conceito de umidade relativa do ar.

Palavras chave: higrômetro; umidade relativa do ar; experimentação; ensino médio.

INTRODUÇÃO

Sabemos que atualmente os meios de comunicação divulgam diariamente

informações relacionadas à previsão do tempo, incluindo a temperatura diária e

umidade relativa do ar. Contudo, ao receber a informação, em especial sobre a

umidade relativa do ar, faz-se a incorreta interpretação de seu conteúdo, por não

conhecer adequadamente seu conceito, pois em geral os textos didáticos

negligenciam o assunto, mas que na verdade é diariamente presente a vida de

qualquer pessoa.

Objetivando uma correta interpretação da informação, direito fundamental do

educando com acesso a uma formação de qualidade, este trabalho busca por

intermédio da experimentação e análise computacional dos dados, proporcionar ao

aluno uma compreensão significativa do conceito de umidade relativa do ar. Assim,

a presente pesquisa propõe a construção de um higrômetro, equipamento simples

secularmente utilizado para medidas de parâmetros necessários ao cálculo da

umidade relativa do ar, abordando conceitos de física térmica e físico-química. A

construção é feita com a utilização de materiais de baixo custo, além do laboratório

de informática disponível atualmente na maioria das escolas pública do Estado do

Paraná.

1Professor PDE. Graduado em Física, Especialista em Física, Mestre em Engenharia Mecânica.

2Professor Orientador. Doutor em Física. Docente do Departamento de Física da Universidade

Estadual de Londrina.

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O presente trabalho foi desenvolvido no Colégio Estadual Lúcia de Barros

Lisboa, na cidade de Londrina, Estado do Paraná, com alunos matriculados no 2°

ano do Ensino Médio, período noturno, no decorrer do primeiro semestre de 2014,

em um total de 64 horas/aula, conforme a Matriz Curricular do PDE 2013/2014.

Primeiramente foram apresentados os conceitos e equações que embasam o

entendimento da umidade relativa do ar, incluindo a resolução de exercícios e

debate, de modo a criar uma estrutura básica, alicerce fundamental da fase

experimental e computacional, focos principais para consolidação do conceito.

IMPORTÂNCIA DA EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA

Por muito tempo pairou em nosso meio uma cultura em que ensinar ciência

seria apenas transmissão de conceitos, ficando para a pedagogia os aspectos

relacionados ao aprendizado (FILHO, 2009). Após muitas discussões estudos e

analise, conclui-se pela urgência na utilização de novas abordagens no ensino de

ciências, sobretudo as que utilizam a interdisciplinaridade. É vasta literatura que

trata da importância experimental no ensino de física.

Tem-se aqui uma pequena revisão bibliográfica a cerca do tema, não

objetivando o levantamento de todas as posições, mas daquelas que são mais

recorrentes.

Mauricio Nogueira Maciel desenvolveu um estudo que levantou as principais

publicações em periódicos nos anos de 2000 a 2010, concluindo que a

experimentação vem sendo utilizada como agente motivador (SILVA, 2013).

Maria Lucia Vital dos Santos também analisou a produção recente na área de

experimentação no ensino de física e concluiu que a experimentação continua sendo

tema de grande interesse dos pesquisadores, apresentando ampla gama de

enfoques e finalidades para o ensino de Física (ARAÚJO, 2013).

Maria do Carmo Galiazzi realizou uma pesquisa sobre a experimentação em

sala de aula, cujo os resultados apontaram para sua a pouca utilização, apesar da

crença dos professor que por meio dela pode-se transformar o ensino de ciência

(GALIAZZI, 2013).

Paulo Cesar Castro Lopes analisou a formação de professores de Física

através do desenvolvimento da atividade experimental, onde alunos universitários do

curso de licenciatura em Física ministraram experimentos em uma sala de aula da

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rede pública, concluindo que a linguagem pouco precisa utilizada pelos estudantes

na explicação do fenômeno físico revela a fragilidade do seu conhecimento prévio a

respeito do assunto e que não basta apenas informar para que eles consigam se

apropriar de um conhecimento (LOPES, 2013).

Carvalho Silva propôs a construção de um higrômetro utilizando um pequeno

ramo de vagem de sobreiro, tendo sido executados por alunos da terceira série do

ensino fundamental, concluindo que o grau de entusiasmo das crianças e a

compreensão de básicos conceitos como evaporação, demonstrou que o ensino

experimental pode propiciar a introdução de conceitos básico de ciência muito antes

da 8ª série, atual 9ª ano. (CARVALHO, 2002).

Contudo, deve-se ter atendo para que as aulas experimentais não se tornem

meramente ilustrativas, com pouca ou quase nenhuma exploração os conceitos

científicos, o que de nada valeria o trabalho experimental.

HIGRÔMETRO

Higrômetro é um aparelho utilizado em larga escala para medições das

propriedades do ar úmido. O primeiro relato de uso da diferença entre a temperatura

de bulbo seco do ar e a temperatura de bulbo úmido de um sensor recoberto por

uma superfície evaporante ocorreu no século XVIII, de forma que o higrômetro é o

mais antigo instrumento utilizado para determinação do conteúdo do vapor d'água na

atmosfera (FRITSCHEN, 1979). Os higrômetros mais comuns utilizam sempre o

mesmo princípio o da evaporação da água.

A principal função de um higrômetro é fornecer leituras para o cálculo de

parâmetros do ar úmido, de modo que seja possível, por exemplo, dimensionar

ambientes onde os valores de temperatura e umidade se encontrem dentro da faixa

de conforto térmico para maioria das pessoas.

TIPOS DE HIGRÔMETROS DE BAIXO CUSTO

A centena de anos a humanidade procura analisar as propriedades do ar

úmido em busca da compreensão de fenômenos meteorológicos. Um dos primeiros

instrumentos utilizados para medição destas propriedades do ar foi o higrômetro.

Muitas são as configurações de higrômetros, onde apresentaremos a seguir

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as mais recorrentes quando se trata de baixo custo.

A) Higrômetro de fio de cabelo

Um dos higrômetros de baixo custo mais utilizados é o higrômetro de fio de

cabelo, sendo várias suas formatações. A figura abaixo mostra um higrômetro de fio

de cabelo.

Figura1-Higrômetro de fio de cabelo (GONZATTI, 2013)

Um fio de cabelo AC é enrolado na haste de um ponteiro no ponto B e preso

nos pontos A e C. A depender da umidade relativa, o fio de cabelo se longa ou se

contrai deslocando o ponteiro (GONZATTI, 2013).

B) Higrômetros químicos

Operam por absorção, por meio de reações químicas que deslocam o

equilíbrio (Composto azul + água ↔ Composto rosa) de acordo com a quantidade de

água absorvida. Utilizam o método denominado “ponto de orvalho”, isto é, a

temperatura em que se inicia a condensação do vapor de água (FELTRE, 2008).

Figura2 - Higrômetro químico (FELTRE, 2008)

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C) Higrômetro de bulbo seco e bulbo úmido

Outro higrômetro de baixo custo muito utilizado é o higrômetro de bulbo seco

e de bulbo úmido, figura 03.

Figura3- Higrômetro de bulbo seco e bulbo úmido (BONTEMPI, 2004)

Este higrômetro é formado por dois termômetros presos a uma haste onde um

deles fica com seu bulbo envolvido em uma mecha de algodão constantemente

umidificada com água deionizada ou pura. Através de um ventilador, que

simplesmente é utilizado para acelerar o processo, o ar escoa pelos dois

termômetros.

Um dos termômetros é denominado termômetro de bulbo seco e o outro

termômetro de bulbo úmido. Com as leituras das temperaturas de bulbo seco e de

bulbo úmido podemos calcular vários parâmetros do ar unido.

Na experimentação deste projeto, foi utilizado um higrômetro de bulbo seco e

de bulbo úmido, montado com materiais disponíveis na maioria das escolas

públicas.

Para análise deste higrômetro, devemos primeiramente verificar os conceitos

relacionados, sem o qual não é possível sua inteira compreensão. Tais conceitos

são os de temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, pressão do

vapor e pressão do vapor saturado.

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C.1- TEMPERATURA DE BULBO SECO

A temperatura de bulbo seco (Tbs) nada mais é do que a temperatura do ar

ambiente, podendo ser medida com um termômetro sem nenhuma adaptação. É

chamada de temperatura de bulbo seco, porque o bulbo do termômetro não

permanece em contado com nenhuma substância, a não ser o ar ambiente.

C.2- TEMPERATUA DE BULBO ÚMIDO

O termômetro de bulbo úmido (Tbu) esta envolvido em uma gaze de algodão

que fica umedecida constantemente com água deionizada ou pura, medindo a

chamada temperatura de bulbo úmido. Quando o ar atinge a mecha de algodão

ocorre uma transferência simultânea de calor e massa e parte da água da mecha

evapora causando uma redução na temperatura no bulbo do termômetro. O sistema

entra em regime permanente, pois o ar corrente fornece o calor necessário à

evaporação da água. A temperatura estabilizada neste termômetro é denominada

temperatura de bulbo úmido. Importante frisar que a água deionizada não fica em

contato com o bulbo do termômetro, mas tão somente envolvido pela mecha de

algodão e a outra ponta da mecha imersa na água (BONTEMPI, 2004).

C.3- PRESSÃO DE VAPOR, PRESSÃO DO VAPOR SATURADO E UMIDADE

RELATIVA DO AR.

Pressão do vapor é a pressão que se forma na superfície de um líquido.

Para melhor compreensão, imaginemos o aquecimento de uma certa porção

de água. Se quantidade de vapor na superfície da água for aumentando, aumenta

automaticamente a pressão que este vapor exerce sobre a pressão atmosférica. Em

um determinado momento a água irá entrar em ebulição, o que significa que a

pressão de vapor é exatamente igual à pressão atmosférica. Assim a pressão de

vapor é aquela exercida na superfície do líquido que tenta fazer com que moléculas

do líquido escapem de modo a gerar evaporação. Daí o conceito de volatividade. Se

um líquido é mais volátil que outro é porque sua pressão de vapor na superfície do

líquido é maior que o outro líquido, fazendo com que escapem com mais facilmente

moléculas, sendo então mais volátil que o outro.

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No caso do vapor d’água que é o que nos interessa no presente estudo, é a

quantidade de vapor d’água presente na superfície deste líquido, mas misturado

com o ar seco. No caso da quantidade de vapor d’água ser a máxima possível que

esta porção de ar seco pode absolver, dizemos que esta pressão é a pressão de

vapor saturado.

A pressão de vapor saturado (Pvs) é calculada pela equação de Clapeyron

(FORGIONE, 2002):

Pvs=1000exp [16,5636-4030,183

Tbs+235] eq.01

onde Tbs é a temperatura de bulbo seco medida no termômetro.

Já para o cálculo da pressão de vapor (Pv), utiliza-se a equação 02,

conhecida como equação de Antoine (FORGIONE, 2002):

Pv= {6,10781*10[

7,5Tbu

237,3+Tbu]-0,000649P[Tbs-Tbu]} *100 eq.02

onde Tbu é a temperatura de bulbo úmido e P é a pressão atmosférica local medida

em hPa, que no caso de Londrina vale 1012,5 hPa.

Por fim o cálculo da umidade relativa (UR) é feito dividindo a pressão do

vapor pela pressão do vapor saturado:

UR=Pv

Pvs×100 eq.03

EFEITOS DA UMIDADE RELATIVA NO CORPO HUMANO

A transpiração do suor é o principal mecanismo de perda de calor do corpo

humano, sendo este o mecanismo primordial de regulação da temperatura corporal,

pois a evaporação do suor permite o resfriamento evaporativo, possibilitando que a

superfície do corpo possa alcançar temperaturas menores do que a ambiente,

dissipando o calor gerado pelo próprio metabolismo corporal e garantindo

manutenção da temperatura corporal interna em torno de 36°C.

Contudo um dos principais fatores que promovem ou dificultam a evaporação

do suor é a umidade relativa. Quanto menor a umidade relativa do ar, maior a taxa

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evaporativa do suor, pois maior e a capacidade de absorção do suor pelo ar. Já à

medida que a umidade relativa se aproxima de 100% a capacidade do ar de conter

mais vapor do que já contém tende a ser nula, reduzindo ao mínimo a taxa de

evaporação do suor e levando ao máximo o desconforto término no caso de a

temperatura ambiente se aproximar ou superar a do corpo humano (MORREIRA,

1999).

Assim, em regiões onde predominam climas quentes e secos, surgem

problemas de saúde e produtividade nos seres humanos. Devido a tais efeitos se faz

necessário manter a temperatura de determinados ambientes em certos níveis de

conforto térmico, na faixa de 20-27ºC e humidade relativa entre 60-70%

(HERNANDEZ, 2008).

EXPERIMENTAÇÃO

Após analisar com os alunos as equações que levam ao conceito final de

umidade relativa do ar, tem-se início a fase experimental. Tal procedimento consiste

na montagem de um higrômetro como mostrado na figura 03. Com grupos de cinco

alunos, foram realizadas várias leituras da temperatura de bulbo seco e de bulbo

úmido, onde todos os alunos de uma turma de 2º ano realizaram a montagem de um

higrômetro e sua leitura.

Os grupos trabalharam em dias diferentes, com condições climáticas

variadas, o que permitiu análises da umidade relativa do ar para diversas

configurações de temperatura de bulbo seco e bulbo úmido. Devido à simplicidade

do experimento, poucas foram às dificuldades na montagem. Atenção especial deve

ser dada ao colocar a mecha de algodão no termômetro, observando que o algodão

fique fofo. Isso facilita a evaporação, obtendo dados mais confiáveis. A tabela 01

mostra as leituras obtidas.

Tabela01- Temperatura de bulbo seco (Tbs) e de bulbo úmido (Tbu)

GRUPOS Tbs (ºC) Tbu (ºC)

GRUPO 01 19 17

GRUPO 02 18 17

GRUPO 03 24 19

GRUPO 04 26 17

GRUPO 05 22 18

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ANÁLISE COMPUTACIONAL

Em uma sociedade cada vez mais tecnológica onde alunos conhecem

primeiro o mouse e o computador para depois ter acesso ao quadro e giz, o uso de

novas metodologias como a associação entre a atividade experimental e

computacional para o ensino cognitivo torna-se primordial.

Assim, um dos objetivos deste projeto é fazer com que os alunos percebam

que dados físicos podem ser analisados em ferramentas computacionais como

CALC do Linux e que a análise computacional tornou-se no dias atuais uma das

principais ferramentas a disposição da ciência.

Após a montagem do higrômetro e a leitura das temperaturas de bulbo seco e

de bulbo úmido, as equações 01 e 02 foram utilizadas para o cálculo da pressão de

vapor e pressão de vapor saturado. Em seguida a equação 03 fornece o valor da

umidade relativa do ar. A tabela 02 mostra os valores calculados, onde as pressões

são dadas em Pascal e a umidade relativa em porcentagem.

GRUPOS Pvs (Pa) Pv (Pa) UR(%)

GRUPO 01 2196,6 1806,1 82,2

GRUPO 02 2063,0 1871,8 90,7

GRUPO 03 2983,8 1669,5 62,6

GRUPO 04 3361,7 1346,1 40,0

GRUPO 05 2643,5 2206,6 68,1

Tabela 02- Pressão do Vapor (Pv), Pressão do vapor saturado (Pvs), Umidade Relativa (UR)

Reunidos todos os grupos tem-se início a análise dos resultados obtidos. A

primeira questão levantada foi à percepção que a umidade relativa é dependente

das temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido, e não somente da quantidade de

água contida no ar, uma vez que as pressões de vapor e de vapor saturado são

dependentes destas temperaturas. A umidade relativa em função da temperatura de

bulbo seco é demonstrada na figura 04.

O aumento da temperatura ambiente (temperatura de bulbo seco) leva

consequentemente a menores valores de umidade, pois maior e o valor da pressão

de saturação. Nesse ponto, os alunos perceberam que a saturação significa a

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quantidade máxima de água que o ar pode suportar naquela temperatura ambiente.

Assim, devido ao amadurecimento dos conceitos, também foi discutido pelos

alunos que mesmo quando a temperatura está baixa (18ºC) se a umidade relativa do

ar for muito alta (90,7%), as pessoas em geral sentirão calor, porque o suor da pele

evapora com mais dificuldade, pois próximo estará da saturação, o que faz com que

a sensação térmica seja mais alta. Da mesma forma, se estiver mais quente (26ºC)

e a umidade relativa do ar for baixa (40%), longe estará da saturação e a maioria

das pessoas sentirá mais frio, porque o suor do corpo evapora com maior facilidade.

Figura 04-Umidade Relativa [%] em função da Temperatura de Bulbo Seco [ºC]

CONCLUSÕES

Ficou demonstrado que a construção de um higrômetro de bulbo seco e bulbo

úmido é um procedimento de baixo custo e de simples execução, podendo ser

realizado em qualquer escola pública do Paraná. As medições obtidas geralmente

são de boa qualidade, pois os resultados obtidos da umidade relativa do ar

apresentam erro de no máximo 10% quando comparados à serviços meteorológicos

oficias disponíveis na internet.

A experimentação gerou grande entusiasmo dos estudantes por trata-se de

um momento diverso do rotineiro ambiente escolar. Fica claro, que o ensino de

ciência pode ter sua qualidade totalmente modificada, caso investimentos em

estrutura de laboratórios fossem realizadas. Assim, devido ao entusiasmo, o

conceito de umidade relativa deixou o senso comum dos alunos e passou a conceito

científico, verificado experimentalmente e debatido em sala de aula.

30

45

60

75

90

15 17 19 21 23 25 27 29

U

R[

%]

Tbs[ºC]

UR[%] x Tbs[ºC]

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Agradecimentos Agradeço a Secretaria de Estado da Educação do Paraná, ao Programa de Desenvolvimento Educacional PDE, a Universidade Estadual de Londrina, ao Departamento de Física e em especial ao Professor Doutor Américo Tsuneo Fujii pela paciência e orientação.

REFERÊNCIAS

ARAUJO, Mauro Sérgio Teixeira de and ABIB, Maria Lúcia Vital dos Santos. Atividades experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Rev. Bras. Ensino Fís. [online]. 2003, vol.25, n.2, pp. 176-194. ISSN 1806-1117. http://www.scielo.br/pdf/rbef/v25n2/a07v25n2. Acesso em: 22-11-2013. BONTEMPI, Alessandro. Eficiência Energética de Secadoras Industriais: análise e propostas experimentais. Dissertação Mestrado. Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba, 2004. CARVALHO SILVA, Reinaldo et al. Um higrômetro de vagem e a física no ensino fundamental. Cad. Brás. Ens. Fís.[online],2002, v. 19, n.2: p.242-252 FELTRE, Ricardo. Fundamentos de Química Vol. Único – 4a edição. São Paulo. Editora Moderna, 2008. FILHO, Edemar Benedetti; FIORUCCI, Antonio Rogério; BENEDETTI Luzia Pires dos Santos; CRAVEIRO, Jéssica Alves. Palavras Cruzadas como Recurso Didático no Ensino de Teoria Atômica . Revista Química Nova na Escola, v. 31, n. 2 , p. 88-95, maio 2009. FORGIONE, N, MARCO, P. – Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e Machine Termiche. Pisa: Universitá di Pisa, 2002, cap.10. FRITSCHEN, L.J.; GAY, L.W. Environmental instrumentation. New York: Springer-Verlag, 1979. 212p. Disponível em: http://www.scielo.br

GALIAZZI, Maria do Carmo. Objetivos das atividades experimentais no ensino médio: a pesquisa coletiva como modo de formação de professo res de ciências.Revista Educação & Ciência, v.7, n2, 2001, p.249-263. http://www.sci elo.br/pdf/ciedu/v7n2/08.pdf. Acesso em 22-11-2013

GONZATTI, Sonia Elisa Marques. Temas de ciências exatas para os anos iniciais do ensino Fundamental. Lajeado, 2013, 1ºed. Editora Univates. HERNANDEZ, Oscar Saul. Resfriamento evaporativo: estúdio de aplicacion. MERCOFRIO 2008-Congresso de Ar condicionado, Refrigeração, Aquecimento e Ventilação do Mercosul. Curitiba-Pr. LOPES, Paulo Cesar Castro. A experimentação no ensino de física como possibilidade de reflexão na formação inicial de professores . IV EDIPE –

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Encontro Estadual de Didática e Prática de Ensino ‐ 2011. http://www.ceped.ueg.br/anais. Acesso em: 22-10-2013 MOREIRA, J.R.S. Fundamentos e Aplicações da Psicrometria. São Paulo: RPA, 1999. SILVA, Marcio Nogueira. O papel atual na experimentação no ensino de física . XI Salão de Iniciação científica – PUCRS. https://periodicos.ufsc.br/. Acesso em: 22-11-2013.