Título: Aplicações da termodinâmica em nosso cotidiano

Autor: Antonio Marcos Garcia

Disciplina/Área Física

Escola de Implementação do Projeto e sua localização

Colégio Estadual de Paranavaí - EFMP Rua Guaporé, 2425.

Município do Colégio Paranavaí

Núcleo Regional de Educação Paranavaí

Professor Orientador Profª Drª Polonia Altoé Fusinato

Instituição de Ensino Superior Universidade Estadual de Maringá

Relação Interdisciplinar

Não

Resumo

Esta Unidade Didática intitulada “Aplicações da Termodinâmica em nosso cotidiano”, pretende apresentar metodologias diferenciadas para abordar os conteúdos de Física de forma simples, proporcionando aos alunos a oportunidade de adquirir conhecimentos presentes em seu cotidiano, utilizando ambientes de seu dia a dia, como a casa onde moram, sendo a cozinha o laboratório didático, que servirá para mostrar e discutir conceitos relacionados com os conteúdos da Termodinâmica. Para tanto, este material didático pedagógico, apresenta atividades experimentais que relacionam a teoria com a prática dentro do cotidiano do aluno. E ainda, utilizará as mídias tecnológicas, como o computador e a internet, vídeos e simulações de atividades práticas encontradas em sites ou sítios específicos para esse fim, que auxiliará na compreensão dos fenômenos estudados, principalmente os que não podem ser observados na prática.

Palavras-chave Termodinâmica, experimentação, máquinas.

Formato do Material Didático Unidade Didática

Público Alvo Alunos 2º ano do Ensino Médio e Curso técnico em Informática.

APRESENTAÇÃO

As dificuldades encontradas pelos alunos no processo de ensino aprendizagem

da Física especialmente no Ensino Médio, decorrem basicamente do modo como a

disciplina é apresentada e trabalhada com os alunos. Na maioria das vezes o

conhecimento físico é apresentado dissociado da realidade e composto por um

conjunto de fórmulas “sem significância”, originando desse fato uma considerável gama

de dificuldades em apropriar-se desse conhecimento.

As aulas de Física ministradas no Ensino Médio são prioritariamente

matematizadas, onde se enfatiza significativamente aspectos quantitativos,

prejudicando as abordagens conceituais da Física presentes nos fatos cotidianos,

privilegiando a resolução de “problemas de física”, nem sempre compreendidos pelo

estudante.

Quando se fala em termodinâmica, os alunos não conseguem ver relação da

mesma com o seu cotidiano, desta forma apresentam dificuldades no estudo da

mesma. Assim surgiu a problemática: Como proporcionar o entendimento de conceitos

da Termodinâmica, utilizando aparelhos eletrodomésticos? Será que ao invés de

apresentar conceitos e leis definidas, criar em sala de aula, situações de aprendizagem

em que os alunos cheguem a formular e entender estas leis aumenta sua capacidade

de pensar, refletir e desenvolver um discurso próprio?

Em resposta, esta Unidade Didática intitulada “Aplicações da Termodinâmica em

nosso cotidiano”, pretende apresentar metodologias diferenciadas para abordar os

conteúdos de Física de forma simples, proporcionando aos alunos a oportunidade de

adquirir conhecimentos presentes em seu cotidiano, utilizando ambientes de seu dia a

dia, como a casa onde moram, sendo a cozinha o laboratório didático, que servirá para

mostrar e discutir conceitos relacionados com os conteúdos da Termodinâmica.

Para tanto, este material didático pedagógico, apresenta atividades

experimentais que relacionam a teoria com a prática dentro do cotidiano do aluno. E

ainda, utilizará as mídias tecnológicas, como o computador e a internet, vídeos e

simulações de atividades práticas encontradas em sites ou sítios específicos para esse

fim, que auxiliará na compreensão dos fenômenos estudados, principalmente os que

não podem ser observados na prática.

Portanto, esta Unidade Didática oferece ao aluno oportunidade de explorar, e

relatar seus pensamentos e pontos de vista sobre a termodinâmica, pois a partir de um

experimento, os alunos são encorajados a se comunicar cientificamente, e através da

participação ativa dos mesmos, serão incentivados a levantar hipóteses e encontrar

respostas que sejam conceitualmente significativas.

Para concluir, haverá as orientações metodológicas, já que essa Unidade

Didática pode constituir-se como um instrumento de pesquisa a professores da rede

estadual de educação do Estado do Paraná que também acreditam que quando o aluno

pensa por si mesmo, constrói estratégias de resolução e argumentação, relacionando

diferentes conhecimentos e perseverando na busca de soluções, adquire um

aprendizado para o resto de sua vida.

Questionário, para diagnosticar as concepções espontâneas em relação a

termodinâmica e aos conceitos de temperatura, calor e a importância deles em nossa

vida.

1- Suponha uma casa sobre certa elevação, e um ribeiro correndo por uma ravina,

quatro metros abaixo.

Figura 1- Ilustrativo

Fonte: NETTO, 2011.

Podemos dar um jeito tal que o ribeiro forneça água de que a casa precisa,

utilizando a 'força' do próprio curso d'água? ( ) sim ( ) não

.

UNIDADE DIDÁTICA

O INÍCIO

Justifique aqui a sua resposta:

2- Leia o texto: “Energia mecânica e quantidade de calor”

Quando esfregamos as mãos em um dia frio ou atritamos uma moedinha em

uma superfície áspera, podemos observar que, quanto mais vigoroso é o movimento,

mais o corpo fica quente. Nesse caso, é o esforço muscular o responsável direto por

esse aquecimento. Porém, quando uma furadeira perfura uma parede, é a rotação da

máquina, capaz de movimentar a broca, que permite que o calor seja produzido pelo

atrito entre a broca e a parede. Já o aquecimento produzido em uma martelada

aplicada em um prego vai depender do número e da potência dos golpes do martelo no

prego. Esses exemplos são algumas situações que possibilitam relacionar a energia

mecânica com a quantidade de calor produzida (Estevam Rouxinol, texto elaborado

especialmente para o São Paulo faz escola, 2009).

a) Cite outros dois exemplos em que o aquecimento acontece por uma

transformação de energia mecânica.

b) Ao martelar um prego, percebe-se que sua temperatura aumenta. De onde vem

à energia para que isso aconteça?

3- (FISICA_CAA_2A_VL2.indd 13) Quando você usa sua bomba manual de encher

pneu de bicicleta, exerce uma força capaz de comprimir o ar no interior do cilindro da

bomba, exercendo sobre ele certa pressão. Quando o leite é fervido, ele sobe e

derrama quando você menos espera. Qual a relação entre encher o pneu de sua

bicicleta e ferver o leite? No caso da bicicleta, é você que empurra o pistão da bomba e,

no caso do leite, quem o empurra para cima?

4- Você sabe que máquina é essa?

Figura 2 – Desenho Máquina de Heron

Fonte: GREEF-USP, 2009

5- Você sabe o que é condução, convecção, irradiação?

( ) sim ( ) não

Assinale qual alternativa que exemplifica corretamente o processo de propagação de

calor:

a) Circulação de ar em geladeira.

( ) convecção ( ) condução ( ) radiação

b) Aquecimento de uma barra de ferro.

( ) convecção ( ) condução ( ) radiação

c) Variação da temperatura do corpo humano no banho de sol.

( ) convecção ( ) condução ( ) radiação

( ) sim ( ) não

O desenho acima reproduz uma máquina de Heron: o vapor de água escapa para

a atmosfera pelos tubos e sai com pressão fazendo girar a esfera.

a) Quais transformações de energia acontecem na máquina de Heron?

b) Você consegue ver utilidade na mesma, nos dias de hoje? Consegue

relacioná-la com alguma máquina atual?

6- (UFMG) No verão, Tia Maria dorme coberta somente com um lençol de algodão,

enquanto, no inverno, ela se cobre com um cobertor de lã. No inverno, a escolha do

cobertor de lã justifica-se, principalmente, porque este:

( ) é mais quente que o lençol de algodão.

( ) é pior transmissor de calor que o lençol de algodão.

( ) se aquece mais rápido que o lençol de algodão.

( ) tem mais calor acumulado que o lençol de algodão.

7- (FAPIPAR - PR) Uma carteira escolar é construída com partes de ferro e partes de

madeira. Quando você toca a parte de madeira com a mão direita e a parte de ferro

com a mão esquerda, embora todo o conjunto esteja em equilíbrio térmico:

( ) A mão direita sente mais frio que a esquerda, porque o ferro conduz melhor o calor;

( ) A mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a convecção na madeira é

mais notada que no ferro;

( ) A mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a convecção no ferro é mais

notada que na madeira;

( ) A mão direita sente menos frio que a esquerda, porque o ferro conduz melhor o

calor;

( ) A mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a madeira conduz melhor o

calor.

8- Observe atenciosamente as situações mostradas na tirinha disponível em:

<http://nrefisicaapucarana.pbworks.com/w/page/4635761/FrontPage> e responda:

A afirmativa correta é

( ) a sensação de calor sentida por Cebolinha é devido ao processo de irradiação

térmica.(1º quadrinho)

( ) a Mônica se refresca no banho devido ao processo de convecção térmica. (2º

quadrinho)

( ) o Chaveco se refresca na banheira devido ao processo de irradiação térmica. (3º

quadrinho)

( ) o Cascão se refresca com o ventilador devido ao processo de condução térmica. (4º

quadrinho).

ORIENTAÇÕES METODOLÓGICAS AO PROFESSOR

O questionário será respondido em duplas, incentivando assim, a troca de

experiências entre os alunos. Não serão apresentados os resultados

neste momento, só saberão se acertaram ou erraram, no final da

intervenção, onde novamente terão a oportunidade de responder o

mesmo questionário, confrontando o conhecimento anterior e posterior ao

desenvolvimento desta unidade didática.

E ai? Tiveram alguma dificuldade para responder as questões?

Para facilitar a compreensão façam cinco grupos e vamos para o laboratório de

informática pesquisar.

Agora os cinco grupos, juntem seus conceitos e elaborem um texto único.

FALANDO DA TERMODINÂMICA

1ª Ação

Grupo 1

Conceito de calor e

temperatura

Grupo 2

Capacidade térmica

Grupo 3

Propagação de calor

Grupo 4

Energia térmica

Grupo 5

Calorimetria

PARA CONTINUAR O ASSUNTO

Na TV multimídia assistiremos ao vídeo “O Mundo de Beakman”

termodinâmica beakmania espinha 1992 (01), com duração de 10

minutos, onde Beakman da uma aula de termodinâmica e responde a

pergunta: Como pode o refrigerante gelado ficar frio e o leite quente

ficar morno?

VOCÊ SABE RESPONDER A PERGUNTA? Então, tente antes de assistir ao

vídeo. Anote aqui sua resposta:

ORIENTAÇÕES METODOLÓGICAS AO PROFESSOR

1ª AÇÃO

Alguns conceitos são necessários para o entendimento das atividades que serão

desenvolvidas, e o objetivo da 1ª ação é incentivar o aluno a buscar respostas.

Assim os grupos farão as pesquisas sobre os conceitos de calor e temperatura,

capacidade térmica, propagação de calor, energia térmica e calorimetria.

Na sequência, será exibido ao vídeo “O Mundo de Beakman” termodinâmica

beakmania espinha 1992 (01), com duração de 10 minutos, disponível em <http://

www.youtube.com/watch?v=NyOvwyM67ek>. Onde se explica o significado da

palavra Termodinâmica e explica também a nível molecular como ocorre o

aumento da energia interna dos corpos e as trocas de calor. Após a exibição e

discussão, os alunos responderão utilizando neste momento os princípios da

física, para responder a pergunta inicial: Como pode o refrigerante gelado ficar

frio e o leite quente ficar morno?

Questão 8- Irradiação, condução ou convecção térmica? Para esclarecer assistiremos

na TV multimídia algumas demonstrações. Os vídeos estão disponíveis em:

http://falandoemfisica.blogspot.com.br/2008/09/vdeo-trocas-de-calorequilbrio-

trmico.html

Demonstração da propagação do calor por convecção

Demonstração da propagação do calor por condução

Demonstração da propagação do calor por radiação

Figura 3 - Resumindo

Fonte: Netto, 2011.

TIRANDO DÚVIDAS DO QUESTIONÁRIO

INICIAL, começando pelo fim

2ª Ação

Observe a imagem acima e responda:

a) O que irá acontecer se o homem continuar segurando a barra de ferro nesta circunstância?

b) Se a chama do fogão continuar acessa, o que acontecerá com a água que está dentro do recipiente?

c) Se o gato aproximar mais próximo da lareira o que poderá acontecer com ele? Por que isto irá acontecer?

d) Qual o provável tipo de material que deverá ser feito a alça da chaleira? Por quê?

e) O que acontecerá com a barra de ferro se a lareira for apagada?

TESTANDO

Experimento 1 - O objetivo do experimento é mostrar a propagação de calor por

condução utilizando um bom e um mal condutor de calor.

Material:

Fio de cobre: aproximadamente 15 centímetros de comprimento e de 2 ou 3

milímetros de diâmetro;

Palito de madeira: Pode ser os de espetinhos para churrasco;

Vela: do tamanho da lata

Fósforo ou isqueiro

Lata de refrigerante

Prego e martelo: para furar a lata;

Papel alumínio: para enrolar o local onde o fogo entrará em contato com o palito

de madeira

Montagem:

Faça um furo próximo à borda superior da lata de tal forma que o palito

e/ou fio passe pelo furo.

Pingue algumas gotas de vela sobre o fio, com espaçamentos

aproximadamente iguais. Espere alguns segundos para que a parafina

(vela) endureça sobre a superfície do fio.

Acenda a vela na extremidade do fio.

Após alguns segundos percebe-se o resultado: a parafina começará a

derreter, começando do ponto mais próximo de onde está sendo aquecido

até a outra extremidade.

A seguir repita o procedimento acima para o palito.

Figura 4 – Esquema de experimento

Fonte: GARCIA, 2012.

Observação:

Se a lata não parar em pé devido ao peso do fio, coloque água ou areia

dentro da lata para equilibrar o peso.

Ao realizar a experimento com o palito, cubra com papel alumínio a parte

que estará em contato com a chama para evitar que esta pegue fogo.

Pode-se fazer este experimento com duas latas, aquecendo o fio e o palito

ao mesmo tempo.

Fonte: Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru

Vale saber

A propagação de calor pode ocorrer de três modos: por condução, convecção e

irradiação. Enquanto a propagação por irradiação se dá mesmo na ausência de

matéria (vácuo), a propagação por condução exige o contato entre os objetos que

trocarão calor e a propagação por convecção envolve a movimentação da matéria.

Quando colocamos uma panela com água no fogo para esquentar, podemos

observar a propagação de calor dos três modos. Por condução: o calor do fogo se

propaga para a panela que está em contato com ele; este calor se propaga

também por condução para a água, que está em contato com a panela. Por

convecção: a água que está em contato com o fundo da panela se aquece, sua

densidade diminui (fica mais leve) e ela sobe, enquanto a água fria da superfície

(mais pesada) desce para o fundo. Por irradiação: se tiramos a panela do fogo e

aproximamos a mão de seu fundo, sentiremos um aumento de temperatura. O

calor sentido não chegou por condução (pois não havia contato) nem por

convecção (pois o ar quente sobe), pois a radiação independe da existência ou

movimentação de matéria para se propagar. Outro exemplo de propagação por

irradiação é a energia térmica do sol, que chega até nós pela propagação através

do espaço, que é quase um vácuo perfeito. Neste experimento veremos a

propagação de calor por condução e também a resistência oferecida a esta

propagação por dois materiais diferentes: um fio elétrico e um palito de madeira.

Texto disponível em http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/

Questão 7- Entendendo a sensação térmica dos materiais.

Experimento 2 - A experiência mostrará que a sensação térmica de um objeto

depende da condutividade térmica do mesmo. Assim, sentimos que um objeto é mais

quente ou mais frio que o outro, estando ambos num mesmo ambiente.

Material:

Uma caneca de porcelana

Uma caneca de alumínio

Água quente suficiente para encher os dois recipientes

Montagem:

Despejar a mesma quantidade de água quente dentro da caneca de

porcelana e dentro da caneca de alumínio;

Esperar 30 segundos;

ORIENTAÇÕES METODOLÓGICAS AO PROFESSOR

Experimento 1

A ideia é mostrar a propagação de calor por condução através de dois

materiais diferentes: um fio elétrico, que conduz bem o calor, e um palito de

madeira, que conduz mal o calor. Para isso pingamos gotas de vela com

espaçamento constante no fio e no palito. Em seguida aquecemos uma das

extremidades do fio. As gotas de vela vão se derretendo conforme o fio vai se

aquecendo. Ou seja: conforme o calor vai se propagando no fio, as gotas de vela

vão se derretendo. O mesmo não acontece quando aquecemos uma das

extremidades do palito, pois a madeira não conduz calor tão bem quanto o metal.

Portanto, quando se aquece uma das extremidades do palito, as gotas de vela não

derreterão do mesmo modo como derreteram quando o fio foi aquecido.

Fonte: Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru

Colocar na palma das mãos as canecas: uma caneca em cada mão ao

mesmo tempo;

Sentir a temperatura de cada uma das canecas.

Repetir a experiência com água gelada.

Vale SABER

Em um determinado ambiente, todos os objetos ficam em uma mesma temperatura:

a temperatura ambiente. Neste ambiente quando se toca um objeto bom condutor de

calor, metal, por exemplo, tem-se a impressão que a temperatura é menor que a

temperatura dos demais objetos que são mal condutores de calor, como a madeira.

Na sala, por exemplo, isso acontece ao tocar os móveis de madeira e as partes de

metal ou o piso. Tem-se a impressão que a parte de metal ou o piso está mais frio

que a madeira dos móveis. Isso acontece por que a nossa sensação de frio ou calor

é o fluxo de calor do corpo para o ambiente ou vice-versa. Fluxo de calor é a

quantidade de calor que passa de uma região de temperatura mais alta para uma

região de temperatura mais baixa num determinado tempo. Quando se toca em um

objeto mal condutor de calor, há pouca passagem de calor da pele para o objeto

(considerando que a pele está mais quente que o objeto). Além disso, a temperatura

da pele se iguala rapidamente à temperatura da superfície tocada. Pele e superfície

do objeto rapidamente chegam à mesma temperatura, pois o objeto é mal condutor

de calor e segura em sua superfície o calor recebido. Quando se toca um objeto bom

condutor de calor, há passagem de grande quantidade de calor da pele para o objeto

(considerando que a pele está mais quente que o objeto). O fluxo é contínuo, pois o

calor que chega da pele à superfície do objeto condutor é conduzido para todo o

objeto. Assim, a temperatura da pele só iguala à temperatura do objeto quando todo

o objeto estiver na mesma temperatura que a pele, o que demora certo tempo.

Durante esse tempo, a superfície do objeto continua com a temperatura menor que a

da pele, passando-nos sensação de frio. Ocorre processo semelhante se os objetos

tocados estiverem mais quentes que a pele.

Agora assistiremos na TV multimídia ao vídeo: “Condutividade Térmica”, do

Mago da Física. O vídeo que utiliza dois experimentos para ilustrar a condutividade

térmica dos materiais. Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=_uCp0NOts34.

Questão 6-

Questão 6- Falando sobre os isolantes térmicos

Experimento 3: A experiência demonstrará que alguns materiais são melhores

isolantes térmicos do que outros.

Materiais:

Dois cubos de gelo

Um pano de flanela

Um pedaço de papel alumínio

Montagem:

Pegue os dois cubos de gelo e envolva-os um na flanela e o outro no

papel alumínio;

Deixe-os ao meio ambiente por aproximadamente 30 minutos;

Observe qual dos cubos derreterá primeiro.

ORIENTAÇÃO METODOLÓGICA AO PROFESSOR

Experimento 2

A ideia é mostrar que uma vasilha é feita de material bom condutor de calor e outra

feita de material mal condutor de calor. Para isso usa-se um recipiente de alumínio

e uma caneca de porcelana. O fluxo de calor da água para a mão é maior no

recipiente de alumínio que na caneca de porcelana, desta forma, tem-se a

sensação que o recipiente de alumínio está mais quente que a caneca. O fluxo de

calor na caneca é menor porque a porcelana não conduz calor tão bem quanto o

alumínio. Apesar de se ter a sensação que a temperatura do recipiente de alumínio

é maior que a temperatura da caneca, ambos estão na mesma temperatura, que é

a temperatura da água dentro deles (PORTELA, 2009).

Questão 5- Propagação de Calor

Experimento 4- Neste experimento demonstram-se através de líquidos (água)

com diferentes temperaturas as correntes de convecção. A convecção consiste no

transporte de energia térmica de uma região para outra por meio do transporte de

matéria, fato que só pode ocorrer nos fluidos (líquidos e gases).

A demonstração será realizada na TV multimídia com o vídeo “Física animada-

convecção térmica” (propagação do calor), disponível em:

http://www.youtube.com/watch?v=dkZaiedR_ww&feature=related.

ORIENTAÇÃO METODOLÓGICA AO PROFESSOR

Experimento 3

Nosso organismo gasta energia para nos manter a cerca de 36ºC, temperatura

típica dos mamíferos. Se o ambiente estiver mais frio do que o nosso corpo, vai

nos roubar calor. Assim, quando está muito frio, o fluxo de calor de dentro para fora

do nosso corpo fica mais intenso e começamos a ter a sensação de frio, um alerta

do nosso sistema nervoso para buscarmos uma proteção térmica. Para evitarmos

perda excessiva de calor para o ambiente, vestimos um agasalho de tecido mais

grosso ou entramos debaixo de um cobertor. A parede de tecido servirá de isolante

térmico, tornando a perda de calor para o ambiente menor e mais lento, diminuindo

a sensação de frio e provocando a falsa ideia de que o cobertor nos esquenta.

Vale SABER

Quando se aquece um fluido, inicialmente só a região próxima à fonte de calor se

aquece, aumentando o seu volume como consequência da agitação de suas

partículas. Esse aumento no volume, sem alteração na massa, leva a uma

diminuição da densidade do fluido nessa região. Como os fluidos densos ficam

abaixo dos menos densos, o fluido aquecido e menos denso começa a subir

provocando assim uma corrente ascendente.

Suponha uma casa sobre certa elevação, e um ribeiro correndo por uma ravina,

Para o bom funcionamento dos refrigeradores é necessário que se retire o calor

de dentro dos compartimentos dos mesmos para que os alimentos sejam resfriados ou

congelados. Mas como isso e feito? Nesse caso, qual a função do motor (compressor)

da geladeira?

Em duplas se dirijam ao laboratório de informática e pesquisem a respeito do

funcionamento de um refrigerador. Procure descobrir as seguintes respostas:

• Como funciona uma geladeira?

• Quais as partes essenciais de uma geladeira?

• Como funciona cada uma das partes?

• Qual a diferença entre um freezer e uma geladeira?

• Como o freezer funciona?

• Para que serve a grade que fica atrás da geladeira?

A partir do que compreendeu quanto ao funcionamento dos refrigeradores, faca

um esquema ou desenho de uma geladeira, com suas respectivas legendas, e redija

um parágrafo simples explicando seu funcionamento a uma pessoa “leiga”.

A medida que a corrente quente sobe, vai ocorrendo o aquecimento dos níveis

acima, enquanto isso ela própria vai esfriando, sofrendo agora um processo inverso

ao inicial, pois a sua densidade volta a aumentar, por consequência disso volta a

desce, reiniciando o processo. Formando assim as correntes de convecção, pelas

qual o fluido se aquece.

A convecção é levada em conta quando instalamos um ar-condicionado em um

ambiente fechado. Ele deve ser colocado em lugares elevados do ambiente. E as

lareiras devem ser instaladas no chão do ambiente. E também nos refrigeradores,

onde o congelador fica em cima e a refrigeração em baixo (TOFFOLI, 2008).

Questão 4- Máquina de Heron

Experimento 5- O experimento mostrará a relação do princípio da conservação

da energia com a primeira lei da termodinâmica. O princípio da impossibilidade de uma

máquina térmica, operando em ciclos, converter 100% de energia térmica em energia

mecânica e a tendência da diminuição de energia térmica disponível de um sistema

termodinâmico. O mecanismo é o mesmo da máquina de Heron.

Material:

Uma latinha de refrigerante de 250 ml;

Um prego fino;

Cerca de 1 metro de barbante ou linha forte;

Uma vela.

Montagem:

Com um prego fino faça um furo em um ponto médio na lateral da latinha;

Faça um segundo furo diametralmente oposto ao primeiro, esquema A

da Figura 01.

Deixe escoar todo o refrigerante de dentro da latinha.

Recoloque o prego em cada furo e posicione-o o mais tangente possível á

parede da lata, em sentidos opostos, de tal modo que ao serem

empurrados pela saída do vapor forme torques como um binário.

Amarre o barbante ou fio de nylon de forma que ao ser suspensa a latina

fique verticalmente como na Figura 01.

Coloque cerca de 50 a 100ml de água na latinha.

Pendure a latinha num suporte de modo a manter um comprimento de no

mínimo 30 cm, entre a latinha e o ponto de fixação no suporte.

Figura 5 – Esquema de experimento

Fonte: GARCIA, 2012.

ORIENTAÇÃO METODOLÓGICA AO PROFESSOR

Experimento 5

Ao iniciar a aula, fale da máquina de Heron e apresente o dispositivo para a

turma, explicando como é formado e como deverá funcionar. Depois, convide os

alunos, para em grupos observarem de perto o aparelho, em seguida, de forma

que todos possam observar o funcionamento do aparato, acenda a vela sob a

latina e aguarde a formação de vapores. Assim que iniciar o movimento da

latinha, peça que observem, e faça o seguinte questionamento.

Que transformação de energia está ocorrendo no funcionamento desse

dispositivo?

Certamente deverão perceber que o sistema, a água, dentro da latinha, está

absorvendo calor da vela, e como o vapor força a latinha girar, está produzindo

energia mecânica, ou seja, calor em energia mecânica, que é o que faz as

máquinas térmicas.

Neste momento apresentar os princípios da 1ª Lei da Termodinâmica que se

baseia na conservação de energia (FARIA, 2011).

Diante do que leu, faça uma relação entre a máquina idealizada por Heron e a panela

de pressão.

Descreva como é o funcionamento da panela de pressão e onde entras os princípios da

termodinâmica.

Questão 3- Aqui sua atividade será diferente, no laboratório de informática acesse o link

abaixo e descubra o que empurra o leite para cima durante a fervura.

http://fisica.ufpr.br/samojeden/Cap5.pdf

Anote aqui sua resposta

VALE SABER

Com certeza, você já observou em sua casa alguém cozinhar algum alimento com

a panela tampada. Você deve ter visto que, a medida que a água vai fervendo, a

tampa da panela começa a se movimentar e trepidar. Dependendo da panela, e

possível ate escutar o som da vibração. Isso acontece quando se cozinha

principalmente arroz ou carne. Com a tampa fechada, o vapor se acumula dentro

da panela, aumentando a pressão. Assim, a tampa e empurrada na tentativa de

abri-la: e isso que provoca a trepidação e o som. Nas panelas de pressão, o peso

sobre a tampa e que vibra e gira com a ação do vapor que escapa. O vapor de

água, sob pressão, ao expandir e aumentar o volume pode exercer uma forca

capaz de mover também o pistão de uma maquina e acionar geradores de energia

elétrica, (como acontece em uma usina termelétrica), movimentar o eixo das rodas

de um trem (como nos antigos trens a vapor), enfim, pela expansão do gás e

possível produzir movimento, ou seja, realizar trabalho, tal como na maquina de

Heron. E o calor produzindo trabalho!

Fonte: FISICA_CAA_2A_VL2.indd

Questão 2- “Energia mecânica e quantidade de calor”

Experimento 6- O objetivo do experimento é ilustrar a transformação da energia

mecânica em energia térmica.

Material:

1 lixa d’água nº 180

1 bloco de madeira

Montagem

Com a lixa esfregue o bloco de madeira bem rápido;

Coloque o dedo na lixa, após o movimento para poder sentir o seu

aquecimento;

Repita o procedimento se for necessário.

Para poder sentir a energia térmica, a lixa deve ser esfregada de modo rápido sobre o bloco. Este processo é como se você estivesse lixando o bloco.

Vale SABER

Quando dois objetos são postos em contato e em movimento com sentidos

contrários, entre suas superfícies há atrito. Este atrito faz com que a energia

mecânica que está sendo utilizada pelos objetos para se movimentarem não se

conserve, pois está sendo transformada em energia térmica (calor) e sonora. Isto

implica a não conservação da energia mecânica. Pois o atrito é a energia que

está sendo utilizada para a formação e o rompimento de ligações químicas nas

regiões de contato entre as duas superfícies dos objetos. Quando o corpo é

friccionado um sobre o outro, a ruptura dessas ligações químicas libera calor.

Essas ligações se refazem continuamente em outros pontos de contato, enquanto

ocorre o deslocamento relativo entre os objetos.

Fonte: www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/mec35.htm

Questão 1- Suponha uma casa sobre certa elevação, e um ribeiro correndo por uma

ravina, quatro metros abaixo. Pode-se dar um jeito tal que o ribeiro forneça água de

que a casa precisa, utilizando a 'força' do próprio curso d'água?

Experimento 7- Construção de uma máquina térmica

Material

Lata de refrigerante vazia;

Três a quatro velas ou lamparinas de álcool;

Agulha grossa de injeção descartável de uso veterinário

Carretel de máquina de costura ou semelhante;

Pedaço de arame;

Cola epóxi ou similar

Papel cartão

ORIENTAÇÃO METODOLÓGICA AO PROFESSOR

Experimento 6

A ideia do experimento é friccionar dois objetos de forma que o atrito entre os

dois seja intenso o suficiente para liberar uma quantidade significativa de calor,

ou seja, energia térmica.

Neste experimento utilizamos um bloco de madeira e uma lixa. A lixa é utilizada

por apresentar uma superfície rugosa, a qual permite um maior número de

pontos de contato, com consequente maior número de ligações químicas. Ou

seja: maior atrito. O experimento consiste em esfregar a lixa sobre o bloco de

madeira. Durante este processo, a lixa, objeto em movimento, transformará sua

energia de movimento em energia térmica. Este aquecimento acontece devido

ao movimento constante entre os dois objetos, que faz com que as ligações

químicas se formem e se rompam com grande frequência.

O que se pode observar é que, quanto mais rápido for o movimento da lixa

sobre o bloco de madeira, mais energia de movimento a lixa terá. Isso faz com

que o atrito nas superfícies de contato seja maior, provocando desta forma, a

transformação da energia de movimento em energia térmica e sonora, em parte

menor.

Fonte: www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/mec35.htm

Parafusos e porcas

Montagem

Retira-se a tampinha da lata, destacando a alça.

Caso a agulha tenha algum plástico em sua extremidade, retire-o com um

estilete ou fogo.

Perfure a tampinha para inserir a agulha e depois cole o conjunto na lata,

vedando-a com epóxi ou similar.

Com os pedaços de arame de mesmo tamanho, fixe os pés da caldeira

com cola, de forma que a mesma fique 2 cm da chama das velas ou das

lamparinas de álcool.

Figura 6 – Ilustração máquina a vapor

Fonte: NETTO, 2011.

Para construir a turbina:

Cole nas laterais do carretel, aletas de papel cartão ou de isopor, ou ainda

papel alumínio;

Coloque a turbina em uma armação ajustando a altura para que suas

aletas coincidam com a agulha da caldeira, por onde sairá o jato de vapor

de água.

O esquema real de montagem

do experimento está no livro

“Experiências de Ciências para

o Ensino Fundamental” de

Alberto Gaspar. Este livro tem

em todas as bibliotecas das

escolas estaduais do Paraná.

O eixo da turbina pode ser fixado à armação para que o carretel gire

livremente, ou fixado ao carretel para que seu eixo, apoiado na armação,

gire livremente.

Leia o texto As máquinas térmicas, que faz um apanhado historico e mostra a

invencao e a evolucao

das maquinas termicas, bem como as razoes que levaram a sua descoberta e a seu

aperfeicoamento.

Para a leitura, acesse <http://www.if.usp.br/gref/termo/termo4.pdf>, p. 105 ou

<http://cenp.

edunet.sp.gov.br/fisica/gref/FISICATERMICA/termo27c4.pdf>.

Depois da leitura do texto, responda as questoes seguintes, complementando-as

com outras

informacoes que voce coletou.

1. Voce pode imaginar como era o dia a dia das pessoas na epoca em que

Para saber Mais: Leia o texto As máquinas térmicas, que faz um apanhado

histórico e mostra a invenção e a evolução das máquinas térmicas, bem como as

razões que levaram a sua descoberta e a seu aperfeiçoamento.

Para a leitura, acesse:

<http://cenp. edunet.sp.gov.br/fisica/gref/FISICATERMICA/termo27c4.pdf>.

Depois da leitura do texto, responda as questões seguintes, complementando-as

com outras informações que você coletou.

ORIENTAÇÃO METODOLÓGICA AO PROFESSOR

Experimento 7

Para que essa máquina funcione, coloca-se água na caldeira, injetando-a com a

seringa e a agulha comuns através da agulha grossa. Para evitar que a água ao

começar a ferver saia junto com o vapor, não se deve encher a caldeira. Coloca-se

e ajuste a turbina em frente a caldeira apenas quando o vapor começar a sair pela

agulha. Essas providências levam à formação de um fluxo contínuo de vapor, que

mantém a turbina girando por algum tempo.

Vale ressaltar que a montagem não é uma máquina térmica no sentido estrito do

termo, pois não tem uma característica básica: o movimento em ciclos causado

pela transferência de calor entre um fluido e duas fontes externas com

temperaturas diferentes.

Fonte: GASPAR, Alberto. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental.

São Paulo: Editora Ática, 2005.

Observação: Neste momento deve ser reforçado a 2ª “Lei da Termodinâmica”.

1. Você pode imaginar como era o dia a dia das pessoas na época em que ainda

não existiam os refrigeradores ou os motores dos carros? Descreva alguma

situação imaginada por você.

2. Como eles surgiram? Por que foram inventados? Em quais princípios físicos se

baseiam?

3. O que foi a primeira Revolução Industrial? Qual foi seu contexto histórico-social?

4. Quais os tipos de máquinas térmicas mais utilizadas na Revolução Industrial?

5. Algumas dessas máquinas ainda são utilizadas?

6. Quais os principais fatores que motivaram o aperfeiçoamento dessas máquinas?

AVALIAÇÃO

A avaliação se dará em vários momentos:

Participação nas atividades sugeridas;

Pesquisa e demonstração da atividade final;

Responder novamente o questionário inicial.

PARA ENCERRAR:

Em grupo de quatro alunos, pesquisem em sites de busca na internet, formas de

demonstrar os princípios da Termodinâmica que não foram abordadas aqui.

Apresente e demonstre aos outros grupos a pesquisa realizada.

REFERÊNCIAS

FARIA, J.A. Leis da Termodinâmica, 2011. Disponível em: <http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=36669> Acesso em 08 de novembro de 2012. GARCIA, A.M. Figuras 4 e 5. Paranavaí. Paraná, 2012.

GASPAR, A. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. São Paulo:

Editora Ática, 2005.

GREF, Grupo de Reelaboracao do Ensino de Fisica. Leituras de Física: Fisica Termica 4. A todo vapor. Figura 2. São Paulo: GREF-USP/MEC-FNDE, 1998. p. 75. Disponível em: <http://www.if.usp.br/gref/termo/termo4.pdf> e <http://cenp.edunet.sp.gov.br/fi sica/gref/FISICATERMICA/termo19.pdf>. Acessos em: 11de novembro de 2012.

MORIN, A. Física animada-convecção térmica, propagação do calor. Disponível em:

http://www.youtube.com/watch?v=dkZaiedR_ww&feature=related. Acesso em: 10 de

novembro de 2012.

NETTO, L.F. Introdução a Termodinâmica, 2011. Figuras: 1, 3, 6. Disponível em: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala17/17_09.asp.>Acesso em 06 de novembro de 2012. O MUNDO DE BEAKMAN, termodinâmica. Beakmania espinha 1992. Disponível em

<http:// www.youtube.com/watch?v=NyOvwyM67ek>. Acesso em: 05 de novembro de

2012.

PEREIRA, M. V.; BARROS, S.B. CEDERJ / UFRJ. LADIF - Laboratório Didático do

Instituto de Física, 2006. Disponível em:

http://falandoemfisica.blogspot.com.br/2008/09/vdeo-trocas-de-calorequilbrio-

trmico.html. Acesso em: 05 de novembro de 2012.

PORTELA, S.I.C. Termodinâmica. Disponível em: <Portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=161> Acesso em 09 de novembro de 2012. PROPAGAÇÃO DO CALOR. Disponível em: http://www.fisicaevestibular.com.br/exe_ter_3.htm. Acesso em: 05 de novembro de 2012. RAMME, L.; BURKARTER, E. Termodinâmica, modelo de calor. Disponível em: <http://fisica.ufpr.br/samojeden/Cap5.pdf.> Acesso em: 09 de novembro de 2012.

ROUXINOL, S. Energia mecânica e quantidade de calor. FISICA_CAA_2A_VL2.indd 6.2010. Disponível em: <moodle.stoa.usp.br/mod/resource/view.php?id=40925>Acesso em 08 de dezembro de 2012. SÃO PAULO, CENP. O uso do calor produzindo trabalho provoca a 1ª Revolução Industrial. Disponível em: <http://cenp.edunet.sp.gov.br/fisica/gref/FISICATERMICA/termo27c4.pdf>. Acesso em 09 de novembro de 2012. TOFFOLI, L. Corrente de Convecção. Termodinâmica, 2008. Disponível em: http://www.infoescola.com/termodinamica/corrente-de-conveccao/ Acesso em: 05 de novembro de 2012. UNESP, Universidade Estadual de São Paulo. Transformação de Energia Mecânica em Energia Térmica. Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia-Dia. Disponível em: <http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/mec35.htm.> Acesso em: 12 de novembro de 2012.