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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ELISÂNGELA LOPES GOMES TEIXEIRA SANTOS
ABORDAGEM PREDIZER - OBSERVAR - EXPLICAR: UMA ESTRATÉGIA
DIDÁTICA NO ENSINO DA CALORIMETRIA PARA O NÍVEL MÉDIO
Macaé
Março, 2021.
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ABORDAGEM PREDIZER - OBSERVAR - EXPLICAR: UMA ESTRATÉGIA DIDÁTICA NO ENSINO DA CALORIMETRIA PARA
O NÍVEL MÉDIO
ELISÂNGELA LOPES GOMES TEIXEIRA SANTOS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de
Física, do Campus UFRJ-Macaé no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Orientadora: Profa. Dra. Irina Nasteva
Macaé Março, 2021.
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ABORDAGEM PREDIZER - OBSERVAR - EXPLICAR: UMA ESTRATÉGIA DIDÁTICA NO ENSINO DA CALORIMETRIA PARA O NÍVEL MÉDIO
Elisângela Lopes Gomes Teixeira Santos
Orientadora: Profa. Dra. Irina Nasteva
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, do Campus UFRJ-Macaé, vinculado ao Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Aprovada em 26 de março de 2021, por
_________________________________________ Irina Nasteva, Dra.
Universidade Federal d do Rio de Janeiro
_________________________________________ Valéria Nunes Belmonte, Dra.
Universidade Federal do Rio de Janeiro
_________________________________________ Érica de Mello Silva, Dra.
Universidade Federal do Mato Grosso
Macaé Março, 2021.
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FICHA CATALOGRÁFICA
CIP - Catalogação na Publicação
Elaborado pelo Sistema de Geração Automática da UFRJ com os dados fornecidos pelo(a) autor(a), sob a responsabilidade de Miguel Romeu Amorim Neto - CRB-7/6283.
Gomes, Elisângela
GG633a ABORDAGEM PREDIZER- OBSERVAR- EXPLICAR: UMA ESTRATÉGIA DIDÁTICA NO ENSINO DA CALORIMETRIA PARA O NÍVEL MÉDIO / Elisângela Gomes. -- Rio de Janeiro, 2021.
202 f.
Orientadora: Irina Nasteva. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Campus Macaé Professor Aloísio Teixeira, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, 2021.
1. Experimentação. 2. Calorimetria. 3. Metodologia POE. 4. Ensino de Física. 5. Materiais alternativos. I. Nasteva, Irina, orient. II. Título.
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Dedico esta dissertação a Deus, a minha mãe Margarida Lopes Venâncio, a minha filha Isabelle Gomes Santos e ao casal Antônio e “Detinha” Alvarez
Parada por todo o apoio.
vi
Agradecimentos A Deus pela oportunidade e ânimo nos momentos difíceis, que foram vários durante o desenvolvimento do trabalho. Aos meus pais, Enelcino Gomes e Margarida Lopes Venâncio, por todo amor e dedicação, além de proporcionar ensinamentos para uma vida inteira. Ao meu marido Silvio, pelo apoio constante e suportar a minha irritação nos momentos mais difíceis dessa caminhada e por não me deixar desistir mesmo quando o acúmulo de tarefas e o cansaço me faziam acreditar que não iria conseguir. Às minhas amadas filhas, Nathalya e Isabelle, razões da minha vida, com as quais, também, dividi minhas angústias, que em muitos momentos colaboraram e me deram ânimo. Obrigado, em especial, Isabelle por ser uma filha tão maravilhosa, respeitosa, dedicada e comprometida com a família. Presentinho de Deus! Ao casal, Antônio e “Detinha” Alvarez Parada, dos quais tenho saudades eternas, por plantarem e regarem em mim a semente do estudo, aguçando minha curiosidade e mostrando a importância da educação de forma única. À minha orientadora Irina Nasteva, pelo exemplo profissional, paciência, apoio, cuidado e principalmente, pelas palavras que me transmitiram confiança, fazendo-me acreditar até mesmo quando eu achava que não seria possível, a quem desenvolvi profunda admiração. Aos meus professores, pela partilha de conhecimentos e pela certeza do quanto esses conhecimentos serão válidos para minha vida profissional. Aos meus colegas do mestrado, por participarmos juntos desse processo de formação, tão enriquecido pelos debates durante as aulas e por ajudarem a amenizar a minha angústia nos momentos difíceis do curso. A Coordenação de Aperfeiçoamento de pessoal de Nível Superior – CAPES pelo apoio financeiro por meio da bolsa concedida. A equipe diretiva do CIEP 393 Aroeira- Prefeito Carlos Emir Mussi, pela oportunidade de aplicação do projeto de pesquisa. Aos meus alunos da turma 2001 integral do CIEP 393 Aroeira- Prefeito Carlos Emir Mussi, sem eles este trabalho não seria possível. Por fim, agradeço a todos que de alguma forma, estiveram ao meu lado nestes anos de curso, incentivando e me fazendo acreditar que seria possível conciliar a carga horária profissional, com as atribuições de mãe, esposa, dona de casa e cursista do Mestrado Profissional em ensino de Física.
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RESUMO
ABORDAGEM PREDIZER – OBSERVAR - EXPLICAR: UMA ESTRATÉGIA DIDÁTICA NO ENSINO DA CALORIMETRIA PARA O NÍVEL MÉDIO
Elisângela Lopes Gomes Teixeira Santos
Orientadora: Irina Nasteva
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, do Campus UFRJ-Macaé, vinculado ao Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. De uma forma geral, a Calorimetria é considerada por muitos alunos um assunto complicado, no qual apresentam muitas dificuldades. Estratégias didáticas são importantes não só na facilitação do processo ensino aprendizagem, como também no favorecimento da construção do conhecimento científico. Este trabalho teve como objetivos analisar a aplicabilidade da experimentação de baixo custo, bem como avaliar as concepções dos alunos durante as atividades propostas com o uso da metodologia didática POE (Predizer – Observar – Explicar), que favorece tanto o caráter investigativo quanto a capacidade de tomada de decisão, além de colaborar para a formação do pensamento crítico. O produto educacional é uma sequência de roteiros experimentais relacionados aos fenômenos físicos do calor que, ancorada nas teorias de aprendizagem significativa como de Piaget e Ausubel, busca integrar os conhecimentos prévios dos alunos, através de atividades que relacionam os conceitos com acontecimentos cotidianos. O módulo didático, perfazendo um total de dezoito horas/ aula, é composto por um conjunto de atividades experimentais, questionários POE, planos de aula, constituindo o produto educacional do mestrado. Para avaliar os alunos foi utilizado um teste internacional de conceitos em Física térmica com vinte e seis questões para testar os conhecimentos prévios, elaborados e/ou redefinidos pelos alunos envolvidos. Esse questionário foi aplicado antes de iniciar a proposta didática com dupla finalidade: detectar os conhecimentos prévios dos alunos e servir de pré-teste para avaliação da aprendizagem dos alunos, e após a aplicação da proposta para fins de comparação com o pré-teste. Os resultados mostram uma melhora das competências cognitivas e socio emocionais dos estudantes de uma turma de Ensino Médio integral do Colégio Estadual CIEP 393 Aroeira, Macaé- RJ. O teste de opinião aplicado para avaliar a percepção dos alunos em relação ao desenvolvimento dessa sequência didática de ensino, de um modo geral, foi favorável à proposta. Palavras-chave: Experimentação. Calorimetria. Metodologia POE.
Macaé Março, 2021.
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ABSTRACT
PREDICT - OBSERVE - EXPLAIN APPROACH: A DIDACTIC STRATEGY FOR TEACHING CALORIMETRY AT THE HIGH SCHOOL LEVEL
Elisângela Lopes Gomes Teixeira Santos
Advisor:
Irina Nasteva
In general, Calorimetry is considered by many students a complicated subject, in which they have many difficulties. Didactic strategies are important not only in facilitating the teaching-learning process, but also in favoring the construction of scientific knowledge. This work aimed to analyze the applicability of low-cost experimentation, as well as to evaluate the students' conceptions during the proposed activities using the POE (Predict - Observe - Explain) didactic methodology, which favors both the investigative character and the decision-making capacity, besides contributing to the formation of critical thinking. The educational product is a sequence of experimental scripts related to the physical phenomena of heat that, anchored in the theories of significant learning such as Piaget's and Ausubel's, seeks to integrate the students' prior knowledge through activities that relate the concepts to everyday events. The didactic module, totaling eighteen hours/class, is composed of a set of experimental activities, POE questionnaires, and lesson plans, constituting the master's educational product. To evaluate the students, an international test of concepts in thermal physics with twenty-six questions was used to test the previous knowledge, elaborated and/or redefined by the students involved. This questionnaire was applied before starting the didactic proposal with a double purpose: to detect the students' previous knowledge and to serve as a pre-test to evaluate the students' learning, and after the application of the proposal for comparison purposes with the pre-test. The results show an improvement in the cognitive and socio emotional competences of the students of a high school class at CIEP 393 Aroeira State School, Macaé- RJ. The opinion test applied to evaluate the perception of the students in relation to the development of this didactic teaching sequence, in general, was favorable to the proposal.
Keywords: Experimentation. Calorimetry. POE methodology.
Macaé Março, 2021.
ix
Lista de Figuras
Figura 4.1 Esquema de um termômetro de líquido .......................................................... 44
Figura 4.2 Graduação de um termômetro de líquido ....................................................... 46
Figura 4.2 Relações entre escalas termométricas ............................................................ 46
Figura 4.3 Mudanças de estados físico ............................................................................ 52
Figura 4.4 Radiação espectral de um corpo negro… ....................................................... 60
Figura 6.1Confecção de um suporte universal caseiro .................................................... 75
Figura 6.2 Termo de consentimento livre e esclarecido ................................................. 76
Figura 6.3 Aplicação do pré-teste .................................................................................... 77
Figura 6.4 Investigação 1 do experimento POE1 ........................................................... 78
Figura 6.5 Dois carrinhos na bancada ............................................................................. 79
Figura 6.6 Execução do roteiro experimental POE 3… .................................................. 80
Figura 6.7 Equipamento do roteiro experimental POE 4… ............................................ 81
Figura 6.8 Equipamento do roteiro experimental POE 4… ............................................ 83
Figura 6.9 Materiais utilizados no roteiro experimental POE 5 ...................................... 85
Figura 6.10 Os segredos de uma garrafa térmica ............................................................ 86
Figura 6.11 Processo de convecção na fervura da água .................................................. 87
Figura 6.12 Execução do roteiro experimental POE 9… ................................................ 89
Figura 6.13 O tempo para chegar a 50ºC ......................................................................... 90
Figura 6.14 Efeito do sal de cozinha na variação de temperatura ................................... 92
Figura 6.15 Aquecimento das amostras de água e óleo ................................................... 93
Figura 6.16 Dicionário de conceitos térmicos ................................................................. 94
Figura 6.17 Aplicação do questionário pós teste ............................................................ 95
Figura 7.1 Resposta da pesquisa de opinião pré instrução............................................137
Figura 7.2 Resposta da pesquisa de opinião pós instrução............................................137
x
Lista de Tabela
Tabela 4.1 Faixa de classificação do índice de desconforto de Thom ............................ 58
Tabela 6.1 Dados do questionário POE 3 ....................................................................... 81
Tabela 6.2 Dados do questionário POE 4 ....................................................................... 82
Tabela 6.3 Aquecimento de uma amostra de água .......................................................... 92
Tabela 7.1 Resultado do teste pré instrução .................................................................. 127
Tabela 7.2 Resultado do teste pós instrução .................................................................. 128
Tabela 7.3 Frequência nos questionários ....................................................................... 129
xi
Lista de Gráficos
Gráfico 7.1 Temperatura x tempo .................................................................................. 122
Gráfico 7.2 Histograma do total de acertos pré instrução ............................................. 129
Gráfico 7.3 Histograma do total de acertos pós instrução ............................................. 130
Gráfico 7.4 Comparação das frações de acertos pré e pós instrução ............................ 131
xii
Lista de Quadros
Quadro 5.1 Planejamento das atividades ......................................................................... 64
Quadro 5.2 Objetivos curriculares ................................................................................... 67
Quadro 5.3 Conceitos de calorimetria abordados nos experimentos .............................. 71
Quadro 7.1 Resultados dos questionários testes .......................................................... 131
Quadro 7.2 Levantamento das concepções alternativas ................................................ 132
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Sumário
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
1.1 Justificativas e delimitação do projeto.......................................................................18
1.2 Objetivos….............. .................................................................................................. 21
1.2.1 Geral.……………… ................................................................................. ....21
1.2.2 Específicos…................................................................................................. 21
Capítulo 2
ENSINO DE FÍSICA NO BRASIL
2.1 Legislação..................................................................................................................22
2.1.1 Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional...........................................22
2.1.2 Leis de Diretrizes e Bases (LDB)..................................................................23
2.1.3 Diretrizes Curriculares Nacionais Para o Ensino Médio...…........................24
2.1.4 Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN)....................................................24
2.1.5 Parâmetros Curriculares Nacionais Mais (PCN+) ........................................25
2.1.6 Currículo Mínimo do Estado do Rio de Janeiro...….....................................26
2.2 Realidade do Ensino de Física...................................................................................27
2.3 A sala de Aula Ressignificada...................................................................................28
Capítulo 3
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Teoria da Aprendizagem Significativa.......................................................................29
3.1.1Teoria da Aprendizagem Significativa de Piaget ............................................30
3.1.2 Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel ......................................31
3.1.3 Desenvolvimento da Aprendizagem..............................................................32
xiv
3.1.4 Avaliação da Aprendizagem..........................................................................35
3.2 Atividade Experimental no Ensino de Física............................................................35
3.2.1 Experimentação como Estratégia à Aprendizagem.......................................36
3.2.2 Análise do Uso de Práticas Experimentais...….............................................37
3.2.3 Dificuldades na Utilização do Método da Experimentação...........................38
3.3 Abordagem de Ensino POE.......................................................................................39
3.3.1 Origem e Desenvolvimento..............…..........................................................39
3.3.2 Estratégia de Aprendizagem..........................................................................40
3.3.3 Ferramenta Investigação e Diagnóstico Ensino de Física.............................41
Capítulo 4
CALORIMETRIA
4.1 Concepções Alternativas dos Conceitos Térmicos...........…....................................42
4.2 Equilíbrio Térmico........…........................................................................................42
4.2.1 Lei Zero da Termodinâmica...........................................................................43
4.3 Temperatura...............................................................................................................43
4.3.1 Medindo a Temperatura.................................................................................43
4.3.2 Graduação das Escalas Termométricas.........................................................45
4.3.3 Relações entre as Escalas Termométricas.....................................................46
4.3.3.1 Celsius e Fahrenheit...........................................................................46
4.3.3.2 Escala Kelvin.…….............................................................................47
4.4 Dilatação Térmica......................................................................................................48
4.4.1 Dilatação Térmica linear................................................................................48
4.4.2 Dilatação Superficial e Volumétrica..............................................................48
4.4.3 Dilatação Térmica da água.............................................................................49
4.5 Calor........…..............................................................................................................50
xv
4.6 Tipos de Calor...........................................................................................................51
4.6.1 Calor Sensível................................................................................................51
4.6.2 Calor Latente..................................................................................................51
4.6.3 Calor Específico.............................................................................................53
4.7 Capacidade Térmica..................................................................................................54
4.8 Propagação do Calor..................................................................................................55
4.8.1 ConduçãoTérmica..........................................................................................55
4.8.2 Convecção Térmica........................................................................................56
4.8.2.1 Conforto Térmico...............................................................................57
4.8.3 Radiação Térmica..........................................................................................59
4.8.3.1 Lei de Kirchhoff....……….................................................................59
4.8.3.2 Emissividade de um Corpo Negro ..................................................... 59
Capítulo 5
MÓDULO DIDÁTICO
5.1 Coleta de Dados… ..................................................................................................... 63
5.2 Recursos Utilizados… ............................................................................................... 63
5.3 Planejamento das Atividades…................................................................................. 64
5.4 Objetivos Curriculares...............................................................................................66
5.5 Competências e Habilidades......................................................................................69
5.6 Avaliação...................................................................................................................69
5.7 Roteiros POE.............................................................................................................70
5.7.1 Escolha dos Experimentos...................………………………………..........70
5.7.2 Elaboração ou Adaptação dos Questionários POE..........................................72
5.8 Instrumento Diagnóstico… ........................................................................................ 73
xvi
Capítulo 6
APLICAÇÃO DO PRODUTO EDUCACIONAL
6.1 Contexto da Aplicação...............................................................................................75
6.1.1 Envolvendo os Alunos...................................................................................76
6.1.2 Aplicação do Pré Teste..................................................................................77
6.2 Descrição das Atividades….......................................................................................77
6.2.1 Atividade 1..…...............................................................................................78
6.2.2 Atividade 2....…………….............................................................................82
6.2.3 Atividade 3.................................................................................................…84
6.2.4 Atividade 4.....................................................................................................86
6.2.5 Atividade .......................................................................................................88
6.2.6 Atividade 6.....................................................................................................90
6.3 Entrega dos Dicionários Térmicos.............................................................................94
6.4 Aplicação do Pós Teste..............................................................................................94
Capítulo 7
ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
7.1 Atividade 1.................................................................................................................96
7.1.1 Roteiro Experimental POE 1.........................................................................96
7.1.2 Roteiro Experimental POE 2...........................................................................97
7.1.3 Roteiro Experimental POE 3.........................................................................100
7.1.4 Roteiro Experimental POE 4........................................................................102
7.2 Atividade 2....................……...................................................................................104
7.2.1 Roteiro Experimental POE 5........................................................................104
7.3 Atividade 3...............................................................................................................107
7.3.1 Roteiro Experimental POE 6.......................................................................107
xvii
7.3.2 Roteiro Experimental POE 7.........................................................................109
7.4 Atividade 4...............................................................................................................112
7.4.1 Roteiro Experimental POE 8.......................................................................112
7.5 Atividade 5...............................................................................................................115
7.5.1 Roteiro Experimental POE 9........................................................................115
7.6 Atividade 6..............................................................................................................118
7.6.1 Roteiro Experimental POE 10.....................................................................118
7.6.2 Roteiro Experimental POE 11.....................................................................120
7.6.3 Roteiro Experimental POE 12.....................................................................123
7.7 Questionários Pré e Pós Instrução...........................................................................126
7.7.1 Metodologia de Análise das Respostas........................................................126
7.7.2 Apresentação e Análise dos Resultados.......................................................126
7.7.2.1 Resultado Pré Instrução...................................................................126
7.7.2.2 Resultado Pós Instrução…………...................................................127
7.7.2.3 Frequências de Acertos dos Questionários......................................127
7.7.2.4 Comparação das Frações de Acertos...............................................130
7.7.2.5 Levantamento das Concepções Alternativas....................................131
7.8 Análise dos Aspectos Não Cognitivos.....................................................................134
CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... .138
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 142
APÊNDICE 1 - PRODUTO EDUCACIONAL .............................................. .152
18
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
1.1 Justificativas e Delimitação
Pela experiência de anos lecionando em turmas de ensino médio da rede estadual
de ensino do Rio de Janeiro, é notório que os conteúdos das Ciências Naturais,
principalmente da Física, são considerados difíceis pelos alunos, talvez por possuir uma
maneira própria de lidar com o mundo, que se expressa não só através da forma como
representa, descreve e escreve o real, mas sobretudo na busca de regularidades, na
conceituação e quantificação das grandezas, na investigação dos fenômenos, no tipo de
síntese que promove. Aprender essa maneira de lidar com o mundo envolve competências
e habilidades específicas relacionadas à compreensão e investigação em Física (BRASIL,
1999), lembrando que:
Competências são as modalidades estruturais da inteligência, ou melhor, ações
e operações que utilizamos para estabelecer relações com e entre objetos,
situações, fenômenos e pessoas que desejamos conhecer. As habilidades
decorrem das competências adquiridas e referem-se ao plano imediato do
“saber fazer”. Por meio das ações e operações, as habilidades aperfeiçoam- se
e articulam-se, possibilitando nova reorganização das competências. (INEP,
2002, p. 11)
Embora os PCN (Parâmetros Curriculares Nacionais), PCN+ (Parâmetros
Curriculares Nacionais Mais) e OCEM (Orientações Curriculares Ensino Médio) tenham
sido abundantemente distribuídos e discutidos nas comunidades escolares, a didática
tradicionalista prevalece no ensino de ciências, cabendo ao professor a transmissão de
conhecimento, apresentando o conteúdo de forma organizada e compartimentalizada. Isso
ocorre apesar do consenso de que estratégias didáticas são importantes não só na
facilitação do processo ensino aprendizagem, como também no favorecimento da
construção do conhecimento científico.
Para Pasqualetto (2017), a Física se tornou, no transcorrer dos últimos séculos,
uma ciência que por essência é fruto do equilíbrio indissociável entre teoria e
experimentação. No entanto são realizadas, quando utilizadas, também de forma
tradicional, aquela em que o aluno recebe um roteiro do tipo “receita de cozinha”, onde
“aprende a se servir” do material descrito, segue o método sugerido chegando, enfim, a
resultados previsíveis. Estas atividades, praticamente não permitem à participação do
19
aluno, que fica limitada a manipulação de materiais e observações de fatos, pouco
contribuindo para a formação cognitiva, crítica, cidadã que documentos nacionais e
internacionais como BNCC (Base Nacional Currículo Comum), PCNEM (Parâmetros
Curriculares Nacionais Ensino Médio), PISA (Programa Internacional de Avaliação de
Estudantes) e a literatura especializada da área vêm frisando como competências básicas
necessárias para que o aluno consiga “nadar” neste mundo atual do conhecimento. É
importante que o método de ensino vigente seja modificado, dando a oportunidade para
a formulação de perguntas e hipóteses, atitude reflexiva e autocrítica diante dos possíveis
erros. Segundo Carvalho:
Propor um problema para que os alunos possam resolvê-lo vai ser o divisor de
águas entre o ensino expositivo feito pelo professor e o ensino que proporciona
condições para que o aluno possa raciocinar e construir seu conhecimento. No
ensino expositivo toda linha de raciocínio está com o professor, o aluno só
segue e procura atendê-la, mas não é o agente do pensamento. Ao fazer uma
questão, ao propor um problema, o professor passa a tarefa de raciocinar para
o aluno e sua ação não é mais a de expor, mas de orientar e encaminhar as
reflexões dos estudantes na construção do novo conhecimento. (2013, p.2)
De uma forma geral, a Calorimetria é considerada por muitos alunos um assunto
complicado e no qual apresentam muitas dificuldades. Dizem ser difícil interligar as
equações utilizadas como modelo da realidade com a realidade à sua volta, o que também
dificulta a aprendizagem. Na literatura encontramos diversas discussões em torno das
dificuldades do ensino da Calorimetria. Além do caráter abstrato dos conceitos térmicos,
a dificuldade enfrentada no uso da Matemática, pode fazer com que os estudantes se
sintam entediados ou desmotivados por não possuírem expectativa no seu estudo
(MEDEIROS e MEDEIROS, 2002). Além disso, tanto o setor público quanto o privado
estão experimentando (ALVES FILHO, 2000) o não-suprimento da demanda para sanar
as vagas disponíveis para professor de Física. Portanto, há uma adaptação de profissionais
com outras formações para preencher essas lacunas como, por exemplo, engenheiros,
matemáticos e outras áreas afins da Física. Segundo os Dados do Censo Escolar
publicados pelo Ministério da Educação (MEC, 2015) 73,3% dos professores em
exercício não são formados na disciplina (BRASIL, MEC/INEP/DEEP, 2015). Isso
reforça a necessidade de produção e disponibilização de propostas didáticas de qualidade,
centrada no aluno e englobando atividades que possibilitem o desenvolvimento de
autonomia, capacidade de tomar decisões, de avaliar e resolver problemas.
A participação plena do aluno no processo de ensino remete ao conceito de
Aprendizagem Significativa, apresentada por Ausubel (AUSUBEL 2011). Nesta visão,
20
valoriza-se o conhecimento prévio como alavanca para o aprendizado, além de exigir
predisposição e um material capaz de organizar o conhecimento prévio e mediar o novo
e o velho conhecimento. Para atingir tal propósito, o uso de atividades experimentais
como estratégia de ensino de Física é quase um consenso na comunidade científica que
investiga o ensino de Física, além de possuir importante papel no processo ensino
aprendizagem (MOREIRA 1992).
Consonante ao exposto, este trabalho tem como objetivos analisar a aplicabilidade
da experimentação de baixo custo, bem como avaliar as concepções dos alunos durante
as atividades propostas com o uso da estratégia didática para as atividades experimentais
POE (Predizer – Observar - Explicar). A metodologia POE está baseada no conceito de
conflito cognitivo gerado quando a observação de um fenômeno é feita após o estudante
discutir a sua previsão com seus pares e registrar o resultado da discussão por escrito. A
metodologia serve tanto para construir e/ou desenvolver conceitos pelos aprendizes,
como para ferramenta de avaliação diagnóstica para o docente.
A escolha foi motivada pela experiência de vários anos como professora de Física
habilitada, sentindo que grande parte das dificuldades dos alunos na aprendizagem de
tópicos dessa área da Física se dá porque vários conceitos da Calorimetria não são bem
compreendidos ou são confundidos pelos alunos; por exemplo, os conceitos de calor,
temperatura e equilíbrio térmico. Não tendo localizado na literatura material que
atendesse às expectativas, a decisão foi desenvolver um material que possa ser útil para
outros professores também. Elaborou-se uma sequência de questionários POE e após sua
aplicação, tem-se como produto da dissertação um roteiro de atividades aplicadas. Esse
roteiro é composto por uma sequência de contribuições de teoria e experimentos. Para
testar os conhecimentos prévios, elaborados e/ou redefinidos pelos alunos envolvidos, e
comparar com os conceitos depois da aplicação da sequência didática, foi utilizada a
versão em português (GONCALVES JUNIOR, 2012) do questionário de Física térmica
proposto por Yeo e Zadnik (2001), com vinte e seis questões. Sua aplicação foi
desenvolvida numa sequência didática de 18 aulas de 50 minutos cada, no segundo
bimestre (de maio a julho) do ano 2019 na turma 2001 do ensino médio integral com
ênfase em Empreendedorismo do Colégio Estadual CIEP 393 Aroeira, Macaé- RJ.
O texto está estruturado em sete capítulos, considerando a presente introdução
como o primeiro. No segundo, aborda-se a legislação do ensino de Física no Brasil. O
terceiro capítulo apresenta uma fundamentação teórica sobre metodologias ativas, onde
se faz referência à teoria de aprendizagem significativa de Piaget e Ausubel, como
21
também os fundamentos da metodologia POE. No quarto capítulo ocorre uma breve
explanação do tema escolhido, Calorimetria, com os conteúdos trabalhados nesta
pesquisa. O quinto capítulo é dedicado ao módulo didático, que conta com o desenho
metodológico. No sexto é descrita a aplicação do produto. Já as análises e discussão
qualitativa e quantitativa são feitas no sétimo capítulo. Nas considerações finais são feitas
ponderações acerca do desenvolvimento, aplicação e análise da pesquisa que culminou
com no produto educacional, disponibilizado no apêndice 1.
1.2 Objetivos
1.2.1 Geral
O objetivo geral deste trabalho foi investigar a aplicabilidade e potencialidade de
uma sequência de atividades experimentais com a estratégia didática POE (Predizer –
Observar - Explicar. relacionadas aos processos físicos do calor sob forma de produto
educacional como meio facilitador para o processo de ensino-aprendizagem em Física.
1.2.2 Específicos
A partir da proposta de experimentação, mediada pela metodologia POE os
objetivos específicos foram:
i. Apresentar a aplicação da metodologia POE no Ensino de Física por
Experimentação;
ii. Aplicar o produto educacional para alunos do 2º ano do Ensino médio integral
do colégio estadual CIEP 393- Carlos Emir Mussi, Macaé – RJ;
iii. Avaliar o efeito da abordagem Predizer, Observar e Explicar no
desenvolvimento cognitivo e socioemocional dos alunos participantes da
pesquisa;
iv. Inserir os alunos em atividades experimentais com o propósito de desenvolver
competências cognitivas e socioemocionais como: Pensamento crítico,
Resolução de problemas, Criatividade, colaboração, autonomia,
Comunicação, Responsabilidade;
v. Demonstrar que o produto educacional pode ser planejado e aproveitado por
outros professores em suas escolas a partir das experiências relatada nesta
pesquisa; E
vi. Descrever os resultados obtidos durante a aplicação do produto educacional.
22
Capítulo 2
ENSINO DE FÍSICA NO BRASIL
É notável e inegável que a Física tem uma imensa contribuição para que seja
possível e viável a evolução e desenvolvimento em diversas áreas dentro do campo das
tecnologias e essas melhorias são vistas tanto no âmbito social quanto econômico e
político. Por meio da disciplina Física é possível uma maior integração dos alunos e da
sociedade como um todo, para a disseminação de conceitos científicos e aplicações no
cotidiano. No entanto, muitos alunos vêem o aprendizado de física como a resolução de
exercícios de forma mecânica, por saberem que serão avaliados por uma prova que mede
essa habilidade. Todavia, o ensino-aprendizagem de Física vai muito além da habilidade
de resolver exercícios numéricos que representa apenas uma das finalidades da
aprendizagem. Dito de outro modo, nas considerações de Moraes (2010): permitir ao
aluno aplicar os conceitos físicos em situações diversas do cotidiano. Isso porque
conforme evidência Medeiros (2002):
“Para muitos estudantes, a Física é apenas um amontoado de fórmulas usadas
para resolver problemas. E a resolução de problemas consiste apenas em
escolher as equações apropriadas, substituir os números e calcular as
incógnitas (...). Os estudantes, frequentemente, não percebem a distinção entre
as poderosas ferramentas da Física, seus conceitos, princípios e leis
fundamentais.”. (MEDEIROS, 2002, p. 82).
E ensinar Física é mais que favorecer a fixação de fórmulas e expressões
científicas é promover situações de aprendizagem que possibilitem ao aluno a formação
de sua bagagem cognitiva (BIANCONI e CARUSO, 2005) para que tenha uma
aprendizagem de forma significativa.
2.1 Legislação
2.1.1 Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional
De acordo com a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional (LDBEN - Lei
nº 9.394 - BRASIL, 1996), educação básica passou a agregar três níveis de ensino: a
educação infantil, o ensino fundamental e o ensino médio. Segundo a LDBEN, o ensino
médio assumiria necessariamente a responsabilidade de completar a educação básica,
tendo como novos objetivos: a consolidação e o aprimoramento dos conhecimentos
adquiridos no ensino fundamental, o aprimoramento do educando como pessoa humana,
23
a formação ética, o desenvolvimento da autonomia intelectual e do pensamento crítico, a
preparação básica para o mundo do trabalho e o desenvolvimento de competências para
continuar aprendendo. A LDBEN é responsável por determinar um padrão de qualidade
do processo de ensino nas escolas, assim como garantir que ele seja respeitado por elas.
Deste modo delimita os direitos e deveres dos educandos e dos responsáveis pela
educação (BRASIL, 1996). Essa legislação que determina a obrigação da oferta aos níveis
de ensino, tais como ensino fundamental, ensino médio e suas vertentes, assim como
determina quais são os níveis de ensino que cada esfera governamental deve suprir a
população.
Segundo Braga (2018), dentro do contexto de organização do ensino no Brasil e
das necessidades que a sociedade educativa apresenta, foram criados diversos
documentos para tornar esses objetivos factíveis em todo o país e assim possibilitar
igualdade de acesso ao processo de educação a todos, como por exemplo as Leis de
Diretrizes e Bases (LDB), as Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio
(DCNEM) e os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN). Esses documentos são
caracterizados por serem ferramentas de auxílio ao educador e a instituição de ensino a
qual os utiliza, tratando o processo estudantil como de grande importância e de
necessidade tanto para o futuro do cidadão quanto da sociedade em que está inserido. Eles
norteiam a educação básica brasileira como formadora da sociedade, que deve ter acesso
igualitário aos recursos educacionais, da liberdade de ensino, de aprendizagem e de
pensamento, sendo de responsabilidade do Estado e da Família garantir que as crianças e
os jovens em idade escolar tenham acesso ao processo de educação nas instituições
básicas de ensino (BRAGA, 2018).
2.1.2 Leis de Diretrizes e Bases (LDB)
As leis de diretrizes e bases norteiam a etapa de ensino médio na Seção IV a partir
de seu Art.35, que define o ensino médio como a última etapa da educação básica a ser
realizada pela instituição em no mínimo três anos de ensino. É nessa etapa que o estudante
dará continuidade ao que lhe foi ensinado no ensino fundamental, de forma a completar
sua formação como agente da sociedade em que está inserido. Além de formar cidadãos,
o ensino médio é responsável, também, por direcionar um futuro ao estudante, pois é neste
nível de ensino que é dado uma ênfase na educação tecnológica, a partir do conhecimento
e compreensão das ciências, com o intuito de alcançar a compreensão dos conhecimentos
científicos e tecnológicos que os cercam (CARNEIRO, 2007). A busca pelo
24
conhecimento dos aspectos científicos e tecnológicos é fruto da evolução que a ciência e
a tecnologia vêm sofrendo dentro do cenário mundial, principalmente no que diz respeito
aos recursos e aparelhos tecnológicos utilizados pelo cidadão, que são responsáveis por
grande parte das facilidades no dia-a-dia do ser social. Desta forma, é possível que se
compreenda quais os mecanismos por trás destes objetos utilizados, fato que auxilia em
sua utilização e em suas escolhas (BRASIL, 1996).
2.1.3 Diretrizes Curriculares Nacionais Para o Ensino Médio
De acordo com Braga (2018), as Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino
Médio (DCNEM) fazem parte do leque de documentos auxiliadores do processo de
ensino- aprendizagem do cidadão. Portanto, tais documentos não se responsabilizam
apenas por direcionar o nível de Ensino Médio das escolas de educação básica, ou seja,
estão diretamente ligados ao ensino de Física, já que a disciplina é de responsabilidade
desta etapa do ensino. As Diretrizes curriculares Nacionais para o Ensino Médio, assim
como a LDB, defendem a igualdade de direitos e deveres a serem seguidos e respeitados
pelos seres humanos, principalmente no quesito acesso ao processo de ensino nas
instituições. O domínio dos conhecimentos científicos e tecnológico é novamente
abordado por esta legislação, através das competências das disciplinas responsáveis por
incluir tais conteúdos na educação básica, como por exemplo, a Física (BRASIL, 1998).
Além de defender o domínio dos conteúdos ligados a ciência e tecnologia, as
DCNEM determinam que as escolas de educação básica devem utilizar da
interdisciplinaridade entre as matérias que são lecionadas, também compreendem que as
escolas devem buscar nos alunos o seu senso crítico, de forma que eles analisem as
situações e determinem a melhor forma de resolver determinados problemas. Uma vez
que é defendido que haja interdisciplinaridade entre as matérias lecionadas, existe uma
busca pela contextualização de cada conteúdo a ser ensinado dentro de sala de aula, de
forma a mostrar ao aluno que aqueles conceitos e conteúdos estudados estão presentes
em seu dia a dia (BRAGA,2018). Assim, as Diretrizes Curriculares Nacionais para o
Ensino Médio determinam a necessidade de o aluno ter acesso a saberes de grande
importância para seu cotidiano, e seu convívio com a sociedade composta por grandes
avanços (BRASIL, 1998).
25
2.1.4 Parâmetros Curriculares Nacionais
Os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) são um conjunto de diretrizes que
auxiliam todo o corpo responsável pela Educação brasileira. São propostas curriculares
que defendem uma educação igualitária e, como é a mesma no país, se seguida ou
incorporada na instituição de ensino, direciona a uma igualdade de ensino entre as regiões.
Os PCN orientam educadores e toda a escola a realizar o processo de ensino seguindo
uma proposta mínima e garantindo, assim, que os estudantes tenham acesso a conteúdos
mínimos de educação (BRASIL, 1999).
Assim como DCNEM os PCN defendem a interdisciplinaridade na sala para
facilitar a compreensão das disciplinas pelos alunos e torná-las mais difundidas e de
utilidade em seu cotidiano (BRASIL, 2002). Segundo Carneiro (2007), o PCN Ensino
Médio quebra com os paradigmas tradicionais de ensino, de forma que o processo de
ensino seja realizado a fim de trabalhar a interpretação dos fenômenos que nos cercam de
acordo com a nova cultura baseada no que é científico, tecnológico e usual. Na área de
Física, isso modifica toda a forma como o ensino tradicional tratava essa disciplina,
através de conceitos abstratos, apresentação e memorização de leis e equações, com a
prática sendo realizada por meio de resolução de exercícios de forma repetitiva, fazendo
com que o aluno resolvesse os problemas de forma mecânica. O PCN Ensino Médio veio
como complementação para as Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio:
Os conhecimentos Físicos devem resultar ao aluno compreensão destes
fenômenos, e ao fim do processo de Ensino Médio, o estudante deve ser capaz
de conhecer e ter acesso a aprendizados necessários. Conhecer fontes e
formas para se obter informações relevantes, como vídeos, programas de
televisão, sites da internet ou notícias de jornal. Permitindo acompanhar o
ritmo das transformações do mundo em que vivemos, sendo um leitor crítico
que sabe interpretar as notícias científicas. Desenvolver a capacidade de
elaborar sínteses, através de esquemas relacionados a diferentes conceitos,
processos ou propriedades, através da própria linguagem física trabalhada.
(BRASIL, PCN Ensino Médio, 1999, p. 29).
2.1.5 Parâmetros Curriculares Nacionais Mais
Os documentos citados acima visam gerar melhorias no processo de ensino-
aprendizado do ser social, completando as etapas de sua formação. O que se percebe
dentro da educação básica é uma constante busca por estratégias por parte de professores
e da instituição de ensino para alcançar a atenção dos alunos, e consequentemente
alcançar êxito no trabalho realizado. Uma dessas estratégias que vem surtindo bastante
efeito dentro das salas de aula, é a utilização de experimentos de Física (CARVALHO,
26
2010). Seu uso aproxima o aluno do seu cotidiano, levando para a prática o que lhe é
ensinado na teoria, desta forma torna o aprendizado mais lúdico e mais eficaz, além de
alcançar a satisfação do aluno em assistir e participar das aulas da disciplina (KRIEGER,
2006). A utilização de experimentos nas aulas de Física permite que o aluno complete
com louvor alguns dos tópicos que os Parâmetros Curriculares Nacionais Mais (PCN+)
compreende como de grande importância ao concretizar o ciclo de ensino de Física:
É indispensável que a experimentação esteja sempre presente ao longo de todo
o processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se
o fazer, manusear, operar, agir, em diferentes formas e níveis. É dessa forma
que se pode garantir a construção do conhecimento pelo próprio aluno,
desenvolvendo sua curiosidade e o hábito de sempre indagar, evitando a
aquisição do conhecimento científico como uma verdade estabelecida e
inquestionável. (BRASIL, PCN + Física, p. 37)
2.1.6 Currículo Mínimo do Estado do Rio de Janeiro
Foi criado em 2011 o Currículo Mínimo do Estado do Rio de Janeiro, composto
por uma série de tópicos a serem lecionados de acordo com a disciplina e com o ano letivo
em que o aluno se encontrava (RIO DE JANEIRO, 2011). É considerado, por uns, uma
espécie de planejamento capaz de igualar o processo de ensino-aprendizado dentro do
Estado em questão, mas por outros considerado apenas um documento capaz de tornar
nula a autonomia das escolas que são levadas a adotar essa medida da implementação do
currículo mínimo (QUIRINO, 2011). Esse documento foi resultado de medidas
interventivas para que o quadro de aprendizado do estado perante o IDEB (Índice de
Desenvolvimento da Educação Básica, Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas
Educacionais Anísio Teixeira – INEP 2007) fosse modificado, já que o mesmo se
encontrava em péssima colocação quanto ao aprendizado dos alunos em idade
educacional (PEREIRA, 2014).
Mesmo que de início o currículo mínimo fosse considerado como um
planejamento obrigatório e responsável por obrigar o professor e a instituição de ensino
a seguir os tópicos dispostos no mesmo, foi também seguido firmemente, já que ao
professor que o seguisse 100% e obtivesse êxito, seria concedida uma premiação salarial
por parte do Estado (QUIRINO, 2011). Sabendo que o currículo foi uma medida para
resolver problemas relacionados a eficácia do processo de ensino das instituições do
estado, e que ele teve poucos dias entre o início de sua criação e sua implementação, nem
todas as disciplinas estavam dispostas no documento. Somente em 2012 a disciplina de
Física foi inserida no currículo, disponibilizando ao professor responsável por lecionar a
27
disciplina uma série de tópicos para guiá-lo em suas aulas, servindo assim, como um
planejamento de aulas, de acordo com cada série e com cada bimestre.
2.2 Realidade do Ensino de Física
O ensino de Física nas escolas brasileiras ocorre normalmente na etapa final da
educação básica. Divididas em tópicos de mecânica, termologia, ótica, ondulatória,
eletricidade, eletromagnetismo e Física moderna, os conteúdos são distribuídos, na
maioria das escolas, ao longo de todo o Ensino Médio. Nos dias atuais há uma necessidade
crescente em adequar os conteúdos de Física ao cotidiano, não no sentido de banalizar a
abstração, ou de forma desesperado-desastrosa contextualizar o que não se pode, mas sim
trazer os conceitos físicos para a realidade dos alunos, tornando o ensino de Física mais
atraente e significativo para o aprendiz, podendo lhe ser útil no dia a dia.
Os artigos relacionados nessa seção reafirmam que a aprendizagem dos conteúdos
de Física, associados à área da Calorimetria, apresenta conceitos muitas vezes mal
definidos por professores e pela literatura, como discutido, por exemplo, por Silva,
Laburú e Nardi (2008) no artigo “Reflexões para subsidiar discussões sobre o conceito de
calor na sala de aula.” Os autores fazem uma crítica sobre a concepção de estudantes e
professores de Física e Química a respeito do entendimento do conceito de calor. Segundo
Niaz (2006), a falta de conhecimento sobre a definição do conceito de calor está em todos
os níveis de ensino, atestando, ainda, que até mesmo PhDs em Física e Química tiveram
dificuldade em explicar o conceito. Segundo Silva et al (1998),
“a Física térmica é apontada por vários autores (Summers, 1983; Vazquez
Diaz, 1987; Macedo de Burghi e Soussan, 1985), como um dos tópicos do
ensino médio mais difícil para o aluno, pois ele implica na aquisição de uma
visão dos fenômenos em nível de partículas, sendo também necessária a
ultrapassagem dos observáveis macroscópicos.” (p. 62)
De forma preocupante Cidra e Teixeira relatam que:
“em muitos livros, principalmente os de Química e de Física introdutória, são
utilizadas expressões infelizes, referindo-se, por exemplo, ao calor de um
corpo como se o calor fosse uma propriedade do corpo; ou ainda empregam
termos como energia térmica, por meio de um conceito indefinido, muitas
vezes obscuro e ambíguo” (apud SILVA, LABURÚ e NARDI, 2008, p. 2).
Os autores ainda destacam algumas frases comumente encontradas nos livros de
Física de todos os níveis de ensino e atestam que a maioria estabelece princípios
inadequados como: o calor que tem um corpo; passa calor do primeiro para o segundo
objeto etc. Sendo que esta terminologia remete erroneamente a um conceito de calor como
28
sinônimo de fluido. O artigo sugere que os termos usados estão fortemente associados à
antiga teoria a respeito da temperatura dos corpos, a Teoria do Calórico. Muitas pesquisas
ainda apontam a distância entre as práticas escolares adotadas em aulas de ciências e as
ciências desenvolvidas pelos cientistas (por exemplo, CARVALHO, 2004, SASSERON
e DUSCHI, 2016, MAUÉS e LIMA, 2006, AZEVEDO, 2006).
2.3 A sala de Aula Ressignificada
A sala de aula se constitui como um espaço de vivências e trocas de saberes,
conforme afirma Freire (1996), no qual professores e alunos são protagonistas no
processo de ensino-aprendizagem apesar das dificuldades, ainda propicia condições para
um ensino que promova maior participação dos alunos. Ensinar inexiste sem aprender e
vice-versa e foi aprendendo socialmente que, historicamente, mulheres e homens
descobriram que era possível ensinar. Foi assim, socialmente aprendendo, que ao longo
dos tempos mulheres e homens perceberam que era possível - depois, preciso - trabalhar
maneiras, caminhos, métodos de ensinar (FREIRE, 1996, p.13).
Um ensino que vise a aculturação científica deve ser tal que leve os estudantes a
construir o seu conteúdo conceitual participando do processo de construção e dando
oportunidade de aprenderem a argumentar e exercitar a razão, em vez de lhes fornecer
respostas definitivas ou impor-lhes seus próprios pontos de vista transmitindo uma visão
fechada das ciências (CARVALHO, 2004, p.3). Como disciplina de ensino médio, a
Física, assim como outras disciplinas, necessita ser compreendida de forma completa, e
para tal é necessário que evoluções no ensinar sejam realizadas a fim de se obter
significado no seu aprendizado. A escola é o espaço em que isso deve ocorrer, mas,
perseguindo este objetivo, ao longo da história da psicologia e da metodologia
educacional, o processo de ensino-aprendizagem propôs alternativas variadas. Enquanto
até os anos 1970 a teoria que suportava o ensino era comportamentalista, a partir da
década de 1980 emergiu o construtivismo (AUSUBEL et. Al., 1980), defendido até hoje,
mas ainda muito distante da maior parte das aulas de Física do Ensino Médio.
29
Capítulo 3
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Será apresentada neste capítulo uma discussão sucinta das bases teóricas que
nortearam a construção do produto educacional e os estudos realizados nesta dissertação
de mestrado. Na tentativa de estabelecer uma melhor comunicação com os alunos, a
apresentação do conteúdo deve fugir da modalidade puramente expositiva, pois esse
hábito reforça a ideia do conteúdo pronto e acabado (ANASTASLOU e ALVES, 2003,
p. 5). Cabe ao professor contextualizar o tema, apresentar um fenômeno real relacionado
na forma de experimento, vídeo ou animação, estimular a discussão de ideias, organizar
a interação e finalmente debater as diferentes respostas.
Partindo-se das teorias cognitivo-construtivistas, como as de Piaget, Ausubel,
Novak e Vygotsky, a manipulação da realidade pode trazer benefícios à aprendizagem,
embora esses autores pensem em aprender a pensar e o aprender a aprender, e não sobre
a obtenção de comportamentos. Ocorre que o núcleo do construtivismo é interação, teoria
na prática (BORGES, 2007), com a experimentação requisito para a tomada de
consciência.
Pensando nisso, o presente projeto propõe a utilização da estratégia didática POE
para o ensino de Calorimetria no ensino médio, que tem caráter investigativo, centrada
no aluno, o que diversifica a prática escolar, englobando atividades que possibilitem o
desenvolvimento de autonomia, capacidade de tomar decisões de avaliar e resolver
problemas, apropriando-se dos conceitos e teorias das ciências da natureza. Para tanto a
inspiração veio da literatura, em particular, nos trabalhos que são sucintamente
apresentados na sequência, relacionados às teorias da aprendizagem significativa de Jean
Piaget e David Ausubel (seção 3.1), atividade experimental no ensino de Física (seção
3.2) e abordagem de ensino POE (Predizer – Observar - Explicar), na seção 3.3.
3.1 Teoria da Aprendizagem Significativa
A teoria da aprendizagem significativa é uma teoria cognitivista, que se preocupa
sobre como o ser humano compreende, armazena e utiliza as informações e como atribui
significados à realidade em que se encontra. Ela permite ao aprendiz o armazenamento
das informações de maneira estável e o uso do novo conceito de forma inédita,
30
independentemente do contexto em que este conteúdo foi primeiramente aprendido
(SOUZA, 2016).
Segundo Lefrançois (2008), a teoria de Piaget causou um grande impacto no
currículo escolar ao enfatizar que a aprendizagem é muito mais do apenas deslocar
informações de fora para dentro do estudante. Desse modo, surgiu o construtivismo que
consiste numa abordagem para ensinar e aprender onde o aluno tem papel central e ativo
na construção do conhecimento. Esse método construtivista parte do princípio de que o
estudante deve ser estimulado a pensar criticamente e de forma independente, ou seja,
que ele seja capaz de construir coisas novas a partir de sua ação e mediação de seu
professor.
3.1.1 Teoria da Aprendizagem Significativa de Piaget
Segundo Piaget, o principal objetivo da educação é criar indivíduos que sejam
capazes de fazer coisas novas e não simplesmente repetir aquilo que outras gerações
fizeram. Isto significa dizer que a educação não pode mais trabalhar para que os alunos
apenas memorizem, mas principalmente para que estes alunos além de memorizar sejam
autônomos para inventar, produzir novos conhecimentos. E que esses alunos não
conheçam somente o produto do ensino, mas participem do processo de construção do
produto (GHEDIN, GOMES, 2012). Dessa forma, o conhecimento se dá através da ação
do sujeito sobre o meio, e essa ação é fruto de uma inteligência prática para depois se
tornar numa inteligência propriamente dita, ou seja, desde o nascimento o ser humano
age para resolver problemas do seu dia a dia. E, é nesse sentido que o sujeito busca um
equilíbrio entre as necessidades internas com as novas situações externas a fim de garantir
sua adaptação, sendo dever da escola potencializar essa capacidade do indivíduo.
Segundo Palmer (2010), Piaget definiu a educação como uma relação de duas
mãos, onde de um lado está o indivíduo em crescimento e de outro está os valores sociais,
intelectuais e morais que o professor tem o dever de incutir no sujeito educando. Pode-se
dizer então que ao ensinar o professor também desenvolve valores e normas que deverão
ser apreendidas pelos estudantes com o objetivo de melhor se adaptar ao meio e agir sobre
ele. E ao aprender isso, o educando é capaz de compreender como a sociedade está
organizada e sentir a necessidade de adaptar-se a essa realidade construindo
conhecimentos que possibilite sua adaptação. Nesta perspectiva, Piaget (2011), esclarece:
Levando em conta, então, esta interação fundamental entre fatores internos e
externos, toda conduta é uma assimilação do dado a esquemas anteriores
(assimilação a esquemas hereditários em graus diversos de profundidade) e
31
toda conduta é, ao mesmo tempo, acomodação destes esquemas a situação
atual. Daí resulta que a teoria do desenvolvimento apela, necessariamente,
para a noção de equilíbrio entre os fatores internos e externos ou, mais em
geral, entre a assimilação e a acomodação (PIAGET, 2011, p.89).
Para Carvalho (2016), a equilibração pode ser associada ao conhecimento prévio
do aluno ou a um conhecimento científico ainda em desenvolvimento. A desequilibração
pode ser associada ao momento em sala de aula quando o professor relaciona novas
situações ao aluno para que ele resolva provocando uma nova análise do problema até o
momento em que o aluno resolverá a situação-problema construindo o novo
conhecimento, definido como reequilibração. Demo (2004) lembra que o estudante deve
ter a oportunidade de testar hipóteses de trabalho pesquisadas e estudadas antes
teoricamente, deve perceber até que ponto as visões teóricas batem com a realidade,
aprender a coletar dados, a organizá-los e a construírem análises inteligentes sobre o que
foi investigado e pesquisado. Isso na visão de Piaget é construir conhecimentos a partir
da ação do sujeito, pois o conhecimento não é algo estável e acabado, mas sim algo que
está em constante construção e reconstrução e o aprendiz precisa fazer parte desse
processo, ao invés de somente repetir o que já foi feito.
Diante disso, o professor que faz uso dessas idéias pode compreender como seu
aluno assimila e acomoda informações e consegue transformá-las em conhecimentos,
dando oportunidade de ser sujeito ativo no processo de aprendizagem.
3.1.2 Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel
David Paul Ausubel direcionou sua teoria para psicologia educacional - ensino
escolar - visando elucidar de que maneira o indivíduo aprende, quais os fatores que
influenciam nesse processo e os processos mentais existentes na estrutura cognitiva do
aprendiz (LOPES, 2014). Segundo Ausubel, aprendizagem significativa ocorre quando
um novo conhecimento adquire significado por se ancorar, de forma não arbitrária e não
literal, em elementos relevantes da estrutura cognitiva do aprendiz, chamados de
subsunçores, que nada mais são do que conhecimentos específicos, como conceitos,
ideias e proposições pré-existentes na estrutura cognitiva do aluno.
A atribuição de significado a novos conhecimentos não ocorre sem a existência
de subsunçores adequados para o estabelecimento de relações substantivas (não literais)
na estrutura cognitiva. Como resultado da aquisição de novos conhecimentos, os
subsunçores se enriquecem e, também, novos subsunçores se formam de modo que a
32
possibilidade de novas aprendizagens significativas se amplia. O conhecimento prévio do
aluno é, portanto, um fator fundamental para uma aprendizagem significativa. Por isso
Ausubel dizia: “o fator mais importante que influencia na aprendizagem é aquilo que o
aluno já sabe. Averigue isso e ensine-o de acordo” (Ausubel, 1978 apud OSTERMANN
e MOREIRA, 1999, p. 45). A relação entre o novo conhecimento e o conhecimento prévio
existente na estrutura cognitiva é o que diferencia a aprendizagem significativa de
aprendizagem mecânica. A aprendizagem mecânica se dá “com pouca ou nenhuma
associação com conceitos relevantes existentes na estrutura cognitiva” (MOREIRA e
MASINI, 1982).
As ideias novas são memorizadas não possuindo relação com ideias existentes na
estrutura cognitiva do aprendiz. Como são armazenadas de maneira arbitrária, o aprendiz
não é capaz de expressar o novo conteúdo em um contexto diferente de como foi
aprendido. Em geral, envolve conceitos com um alto ou total teor de "novidade" para o
aprendiz, mas no momento que é mecanicamente assimilada, passa a se integrar ou criar
estruturas cognitivas (SOUZA, 2016). Apesar de parecerem opostas as aprendizagens
significativa e mecânica, elas podem se encontrar em um mesmo processo de ensino e
aprendizagem. Quando conceitos novos são apresentados, eles são armazenados de forma
não arbitrária na estrutura cognitiva, e quando surgem conceitos na mesma área, aquela
nova informação serve de subsunçor (facilitador) mesmo que pouco elaborado. Conforme
a aprendizagem vai se tornando significativa, esses subsunçores vão sendo sedimentados
e capazes de ancorar novas informações (MOREIRA, 1999). Com frequência uma
aprendizagem é inicialmente mecânica e gradativamente progride para aprendizagem
significativa. Segundo Soares (2015) e Souza (2011), Ausubel coloca duas condições para
que ocorra a aprendizagem significativa:
▪ 1ª condição é a de que o material de ensino e aprendizagem deve ser
potencialmente significativo, ou seja, um facilitador proporcionando ao aprendiz
associar o material pedagógico com o conhecimento existente em sua estrutura
cognitiva.
▪ 2ª condição é a de que o aluno precisa ter predisposição para aprender de forma
não arbitrária e substantiva. A aprendizagem significativa depende do aluno. Se
este tiver a intenção apenas de memorizar o conteúdo de forma arbitrária, a
aprendizagem será mecânica.
3.1.3 Desenvolvimento da Aprendizagem
Os princípios da Diferenciação Progressiva, Reconciliação Integrativa,
Organização Sequencial e Consolidação, incluem e são reflexos da “influência das
33
variáveis da estrutura cognitiva” (SOUZA, 2011). Esses princípios devem ser levados em
conta pelo professor na hora de planejar sua estratégia de aula, ou seja, o professor deve
estar atento ao conteúdo e às formas de organização desse conteúdo no sistema cognitivo
do aluno (SOARES, 2015). Ausubel propõe esse princípio programático do conteúdo
baseado em duas hipóteses (AUSUBEL, apud MOREIRA, 2011, p. 41):
“1) é menos difícil para o ser humano captar aspectos diferenciados de um
todo mais inclusivo previamente aprendido do que chegar ao todo a partir de
suas partes diferenciadas previamente aprendidas;
2) a organização do conteúdo de um corpo de conhecimento na mente de um
indivíduo é uma estrutura hierárquica na qual as ideias mais inclusivas estão
no topo da estrutura e, progressivamente, incorporam proposições, conceitos
e fatos menos inclusivos e mais diferenciados”. (Ibid., p. 41)
Segundo Moreira, no curso da aprendizagem significativa, os conceitos que
interagem com o novo conhecimento e servem de base para a atribuição de novos
significados que vão também se modificando em função dessa interação, vão adquirindo
novos significados e se diferenciando progressivamente. Usando o conceito de
“conservação” como exemplo; sua aquisição diferenciada em ciências é progressiva: à
medida que o aprendiz vai aprendendo significativamente o que é conservação da energia,
conservação da carga elétrica, conservação da quantidade de movimento, o subsunçor
“conservação” vai se tornando cada vez mais elaborado, mais diferenciado, mais capaz
de servir de âncora para a atribuição de significados a novos conhecimentos. Este
processo característico da dinâmica da estrutura cognitiva chama-se diferenciação
progressiva. (MOREIRA, 2012, p. 06).
Sobre o conceito cunhado por Ausubel de Reconciliação integrativa pode-se
enunciar sua processualidade na aquisição de uma aprendizagem quando as ideias de uma
estrutura cognitiva são relacionáveis, ou seja, conceitos originais buscam associações
entre si, interligando-se de forma expansiva e sintética, fazendo com que essa estrutura
se remodele, germinando novos significados para os conteúdos. Em relação à
Organização sequencial se explica que essa consiste no estabelecimento de uma
sequência dos tópicos ou subdivisões de ensino, de maneira a ter uma maior coerência,
observando os princípios programáticos de diferenciação progressiva e de reconciliação
integrativa com as relações de dependência que naturalmente existem na matéria de
ensino a que pertencem (SOUZA, 2011). E, por fim, a concepção de Consolidação que
seria o domínio do conteúdo que está sendo abordado antes de se avançar com novos
conhecimentos. Para que seja apresentado a sequência do conteúdo, o conhecimento
inicial deve estar consolidado e deve servir de pré-requisito, para que assim, confira ao
34
conhecimento precedente clareza, estabilidade e organização. Tendo em vista que o fator
isolado mais importante para a teoria da aprendizagem significativa é o que o estudante
já sabe, quanto maior o grau de consolidação, melhor a ancoragem que irá promover a
futura assimilação (SOUZA, 2011).
Tendo como referência o conceito de reequilibração de Piaget, Carvalho (2016)
apresenta duas situações importantes que colabora para a melhoria do processo de ensino-
aprendizagem:
1ª Situação - Passagem da ação manipulativa para a ação intelectual, pois, com
essa ação o aluno aprende os conteúdos e conceitos apresentados e discutidos pelo
professor. No caso do estudo de uma situação que envolva um problema, o professor
precisa incluir atividades experimentais, jogos em grupos, textos que tratam do cotidiano
ou alguma forma que incentive o aluno a sair da inércia e entre na ação proposta.
2ª Situação - Importante que os alunos tomem consciência de seus atos, pois, o
professor precisa compreender que o aluno pode errar e aprender com o erro, pois,
segundo Carvalho (2016, p. 03):
É nessa etapa da aula que o professor precisa, ele mesmo, tomar consciência
da importância do erro na construção de novos conhecimentos. Essa também
é uma condição piagetiana. É muito difícil um aluno acertar de primeira, é
preciso dar tempo para ele pensar, refazer a pergunta, deixá-lo errar, refletir
sobre seu erro e depois tentar um acerto.
Ou seja, quando ocorre um conflito cognitivo, o aprendiz procura inicialmente
estabelecer a chamada assimilação do fenômeno observado à sua estrutura mental de
modelos. Se essa assimilação não for viável devido às incoerências entre o seu modelo e
a realidade, ocorre um desequilíbrio, isto é, uma situação de conflito entre suas estruturas
conceituais. Para se estabelecer um outro equilíbrio que explique a situação discrepante,
faz-se necessário um esforço cognitivo para modificar, acrescentar e construir novas
estruturas de pensamento, denominada acomodação.
O mecanismo de equilibração se dá através de três comportamentos: o alfa, que
consiste na tentativa de neutralizar a perturbação, ignorando-a, rejeitando-a ou afastando-
a de qualquer reflexão. O comportamento beta, que procura integrar a perturbação no
sistema de pensamento, através de uma reinterpretação dos resultados anômalos ou da
elaboração de hipóteses. Por fim, o comportamento gama, que se caracteriza pelo resgate
do equilíbrio através de uma mudança conceitual. A metodologia POE é uma técnica de
aprendizagem ativa que almeja conduzir os estudantes a desenvolverem esse último tipo
de comportamento (CID & SASAKI, 2018).
35
3.1.4 Avaliação da Aprendizagem
Moreira (2006) argumenta que a avaliação é fundamental quando abrange a:
I. Importância dada à identificação daquilo que o aluno já sabe, antes de tentar
ensiná-lo;
II. Necessidade de acompanhar a aprendizagem à medida que ela acontece, a fim de
corrigi-la, clarificá-la e consolidá-la;
III. Importância de determinar a eficácia das estratégias de ensino e da organização e
sequenciação do conteúdo, assim como de avaliar até que ponto os objetivos estão
sendo alcançados.
Os procedimentos de avaliação precisam ser coerentes com todo o processo de
ensino-aprendizagem, caso contrário, não poderão servir como diagnóstico para esses
processos. O mecanismo de avaliação deve ser inédito, porque através dele o professor
vai poder avaliar o quanto o processo de aprendizagem foi significativo. O aluno deve ser
incentivado a interpretar fenômenos distintos dos que foram apresentados como contexto
de aprendizagem. As evidências de aprendizagem significativa poderão surgir com as
relações construídas entre os aspectos observados do fenômeno e os conceitos abordados
durante a aprendizagem (SOUZA, 2011) e pelo aspecto progressivo na construção de
respostas, mesmo sendo na solução de um problema numérico.
3.2 Atividade Experimental no Ensino de Física
Uma forma de contextualizar o ensino e trazer a Física para o cotidiano do aluno
é a experimentação. O uso de atividades experimentais no ensino de Física é de grande
importância, como indicam vários trabalhos na literatura (GASPAR 2005; ARAÚJO
2003). A resposta para a tão sonhada pergunta dos alunos ao olhar um fenômeno: “Como
isso é possível?” pode ser desvendada muitas vezes através de uma montagem
experimental, criando a oportunidade para se ensinar os conceitos físicos. Segundo
Reginaldo et al (2012), a experimentação estabelece a dinâmica e a indissociável relação
entre teoria e prática (REGINALDO et. Al., 2012). A utilização da experimentação em
sala de aula tem sido apontada por professores e alunos como sendo um otimizador no
processo de ensino e aprendizagem (BORGES, 2002; ARAUJO e ABIB, 2003), uma vez
que ela facilita o exercício pedagógico e aumenta o entendimento do aluno. Com o
exposto, se esclarece que nesse trabalho foca-se a experimentação por saber o quanto a
física está ligada aos procedimentos e práticas experimentais e isso é referenciado por
Alves Filho (2000), “tanto que se acredita que ela, dentre as Ciências Naturais, sempre
36
foi - e continua sendo - aquela que tem uma relação bastante estreita com atividades
ligadas ao laboratório”.
3.2.1 Experimentação como Estratégia para a Aprendizagem
O uso de atividades experimentais como estratégia de ensino tem sido apontado
como uma das maneiras mais frutíferas de se minimizar as dificuldades de aprender e de
se ensinar de modo significativo e consistente. Deve-se criar oportunidades para que o
ensino experimental e o ensino teórico se efetuem em concordância (PERRUZZO, 2013),
oferecendo ao aluno a chance de observar, discutir e buscar resultados, formular
conclusões e relações, aguçando o senso crítico. Essa perspectiva em relação à
experimentação vai ao encontro de muitos trabalhos acadêmicos (HODSON, 1994;
CARVALHO, 2004, 2005; ZANETIC, 1992). Para esses autores, as atividades
experimentais proporcionam espaços de diálogo, dúvidas, embate de ideias, pois é a partir
dessas provocações que os alunos podem reelaborar as concepções prévias. Hodson (apud
GALIAZZI et. al., 2001) lista dez motivos que justificam a utilização de aulas
experimentais, que são:
• Estimular a observação acurada e o registro cuidadoso dos dados;
• Promover métodos de pensamento científico simples e de senso comum;
• Desenvolver habilidades manipulativas;
• Treinar em resolução de problemas;
• Adaptar as exigências das escolas;
• Esclarecer a teoria e promover a sua compreensão;
• Verificar fatos e princípios estudados anteriormente;
• Vivenciar o processo de encontrar fatos por meio da investigação, chegando a seus
princípios;
• Motivar e manter o interesse na matéria;
• Tornar os fenômenos mais reais por meio da experiência (Hodson, 1998, apud
GALIAZZI et al., 2001, p. 252-253).
Além dessas justificativas, pode haver o caráter motivador, mas nem sempre uma
atividade prática será motivadora (GALIAZZI et. al., 2001). Para ser motivadora, antes
de tudo, ela deve fazer sentido para o aluno, se relacionar com os conhecimentos já
dominados, ser de fácil entendimento e ter espaço para que o aluno possa aprender com
ela. O uso de experimentos de Física de uma forma não reprodutiva pode ser relevante se
estas atividades forem vinculadas a uma metodologia adequada e integrada aos conteúdos
37
que estão sendo estudados, despertando no aluno seu lado criativo e investigativo,
podendo vir a tornar-se um importante aliado no ensino-aprendizagem.
Para enriquecer o aprendizado é importante que o aluno, além da prática
experimental, resolva problemas que integrem os conceitos, consolidando seu
aprendizado. “A resolução de problemas é um meio não só para a realização de
aprendizagem conceptuais, mas também para o desenvolvimento integrado de
competências específicas de uma dada área do saber (dos domínios do conhecimento
substantivo e processual, do raciocínio e da comunicação) e de competências gerais
relacionadas com a resolução de problemas, tomadas de decisões, aprender a aprender,
pesquisa e utilização de informação, autonomia e criatividade”. (LEITE, 2001;
LAMBROS, 2002; LAMBROS 2004 apud LEITE e ESTEVES, 2005, p. 6)
3.2.2 Análise do Uso de Práticas Experimentais
Abid e Araújo (2003) analisaram a produção sobre o uso de práticas experimentais
como estratégia de ensino. Os autores pesquisaram artigos publicados Revista Brasileira
do Ensino de Física, Física na Escola e no Caderno Catarinense para o Ensino de Física
entre os anos de 1992 e 2001. Foram encontrados 92 artigos que foram analisados
conforme o seguinte enfoque metodológico:
Foram investigados a área temática das publicações e diversos aspectos
metodológicos relacionados com as propostas de atividades experimentais,
como a ênfase matemática empregada, o grau de direcionamento das
atividades, o uso de novas tecnologias e a relação com o cotidiano (ABID e
ARAÚJO. 2003, p. 176).
Os autores do artigo classificaram as atividades experimentais como sendo
quantitativas:
Nesse tipo de abordagem podem ser atingidos diferentes objetivos, com
destaque para a possibilidade de se comparar os resultados obtidos com os
valores previstos por modelos teóricos. A verificação de leis físicas e de seus
limites de validade também são objetivos alcançados através do uso da
experimentação quantitativa. (Ibid., p. 180)
O estudo ainda constatou que um terço das publicações a respeito de práticas
experimentais são classificadas como quantitativas e ainda observou que estas atividades
se caracterizam por terem estruturas fixas, o que os autores chamam de receita de bolo.
Os autores esclarecem que alguns trabalhos possuíam mais de uma característica e que
para classificá-los foi determinada a característica predominante. Ao todo foram
encontrados 92 artigos sobre práticas experimentais como estratégia de ensino, dos quais
38
28 eram de mecânica, 21 de ótica geométrica, 19 de eletromagnetismo, sete de Física
moderna, quatro de calorimetria, quatro de hidrodinâmica, três de gases, três de
astronomia e três de ondulatória. Nota-se que, comparando com outras áreas da Física, a
calorimetria possui poucas práticas experimentais.
3.2.3 Dificuldades na Utilização do Método da Experimentação
Existem muitos empecilhos para a utilização do método da experimentação e o
uso do laboratório. Nas escolas públicas e, inclusive, em algumas escolas particulares,
existe falta de recursos para a compra de materiais e, até mesmo, a ausência de espaço
específico para as atividades, além de turmas numerosas, falta de tempo para o professor
planejar e realizar suas atividades e número reduzido de aulas semanais, bem como, a
precariedade da formação inicial dos professores para situações de ensino experimental
(REGINALDO, SHEID e GULLICH, 2012). Estes problemas dificultam a realização de
experimentos. Entretanto, não justificam a falta de prática de aulas experimentais pelos
professores de Física (RINALDI et. al., 1997). Porque como disponibilizados no produto
educacional do presente trabalho, determinados experimentos podem ser realizados com
material de custo acessível em locais alternativos.
Valadares, em seu livro, “FÍSICA MAIS QUE DIVERTIDA”, de maneira lúdica,
apresenta diversos experimentos com materiais reciclados e de baixo custo que podem
ser aproveitados desde a oitava série do Ensino Fundamental até a terceira série do Ensino
Médio. Para cada experiência há uma série de perguntas muito bem elaboradas e com
linguagem acessível que incentivam o aluno a fazer as suas. Ao buscar as respostas, ele é
envolvido no prazer de descobrir, testar propostas e fazer ciência. Com uma linguagem
leve e atraente, e grande interação com os alunos, o professor demonstrou a naturalidade
com que a Física pode ser ensinada sem que seja necessário um grande investimento para
isso, utilizando-se de materiais do dia a dia, facilmente encontrados. Segundo autor, como
a Física é uma ciência que tem muito a ver com a nossa vida, com as condições do mundo
em que vivemos, com a nossa constituição física e biológica, ela tem de ter uma dimensão
lúdica, de prazer, atrativa e instigante. E completa afirmando que “A Física é uma ciência
que amplia os nossos horizontes, que amplia a nossa percepção do mundo”
(VALADARES 2002). Por isto que as atividades de experimentação têm um papel
relevante no processo de ensino-aprendizagem em Física.
39
3.3 Abordagem de Ensino POE
Buscando uma visão diferente no uso da experimentação, foi utilizada como
estratégia didática a abordagem POE (Predizer – Observar – Explicar), que é ancorada
em duas características principais. A primeira é promover a elucidação das ideias prévias
dos aprendizes, isto é, proporcionar situações e mecanismos que estimulem o aluno a
expressar as suas concepções debatendo-as com os colegas de grupo e depois
apresentando-as de forma organizada, por escrito. A segunda é possibilitar aprendizagem
ativa, isto é transferir o foco da aula do professor que descreve e explica fenômenos,
geralmente abstratos, para os próprios alunos que se tornam protagonistas do processo de
aprendizagem. Por sua inspiração construtivista, a metodologia POE coloca sobre o aluno
a responsabilidade de explicar e debater um fenômeno real usando as suas próprias
palavras.
3.3.1 Origem e Desenvolvimento
Originalmente, foi desenvolvida na Universidade de Pittsburgh por Champagne,
Klopfer e Anderson, em 1979, com a denominação: Demonstrar – Observar – Explicar
(DOE) (CHAMPAGNE, 1980). Posteriormente a ideia foi reformulada por dois
pesquisadores australianos construtivistas, Richard White e Richard Gunstone, em 1992,
para Predizer – Observar – Explicar (POE), sendo empregue como uma ferramenta de
avaliação formativa da aprendizagem para ser utilizado concomitantemente a um
experimento qualitativo, demonstrado pelo professor em aulas teóricas, após ministrar o
conteúdo (WHITE & GUNSTONE, 1992).
Porém atualmente, a metodologia POE tem sido mais utilizada como uma
estratégia de promoção de aprendizagem em diversas áreas de ciências (HAYSOM, 2010;
LIEW, 2009, SANTOS, 2015; SASAKI, 2017) e já existem pesquisas que comprovam a
eficiência do método também com simulações computacionais, (BALEN, 2005; TAO,
1999), e vídeos (KEARNEY, 2001), com a utilização de um guia de simulação, elaborado
com questões e procedimentos que permitem ao aluno realizar a simulação e chegar às
respostas (ORLANDI, 2004). Este guia foi adaptado de Perry (2006) como uma
metodologia para ser utilizada em uma aula prática, onde no roteiro do experimento foi
feita a inclusão de questões norteadoras (guia POE) para conduzir e instigar o aluno na
realização da prática proposta (OLIVEIRA, 2003). Neste trabalho, os guias das aulas
práticas são chamados de questionários POE.
40
3.3.2 Estratégia de Aprendizagem
A metodologia POE hoje está presente em diversos países, desde a educação
básica até os primeiros anos do ensino superior, e se insere na tendência mundial
conhecida como metodologias de aprendizagem centrada no estudante, uma vez que torna
o aluno autônomo e sujeito da construção do próprio conhecimento. Esta estratégia é
constituída de três etapas:
I. PREDIZER, onde, sem iniciar o experimento, os alunos deverão, divididos em
grupos ou individualmente, discutir o problema que foi lançado pelo professor e,
através da troca de experiências pessoais, predizerem o resultado a que deverão
chegar ou lançarem algumas hipóteses sobre o assunto. Para tanto utilizam
conhecimentos já adquiridos em sala de aula, escrevendo livremente o que pensam
sobre as questões formuladas, justificando assim sua previsão. Nesta etapa é
importante a participação do professor para que não ocorra a desmotivação por
parte dos alunos na tentativa de responder corretamente ao problema que está
sendo lançado. Tem por objetivo elicitar as concepções prévias do aprendiz sobre
um tema específico, isto é tornar explícitas as suas ideias intuitivas e tácitas.
II. OBSERVAR, quando os alunos realizam o experimento proposto, observando o
que ocorre, anotando estas observações e comparando com a predição que foi feita
na primeira etapa. É nesse momento que pode ocorrer um conflito cognitivo entre
o que foi previsto e o que foi observado (HAMEED, HACKLING, GARNETT,
1993).
III. EXPLICAR, é o momento em que os alunos irão descrever possíveis semelhanças
e/ou diferenças entre as suas respostas da predição com aquilo que observaram
durante a realização do experimento, tentando explicar o fenômeno, comprovando
ou não a hipótese inicial. É nessa terceira etapa que a participação individual
contribui para a resolução do problema lançado pelo professor, possibilitando que
cada aluno organize suas descobertas dentro de um modelo conceitual,
(OLIVEIRA, 2003).
De acordo com Oliveira (2003), o momento da explicação é o mais importante,
pois é nesse instante que surge o elemento novo, isto é, a resolução do problema inicial,
através da interação e das contribuições apresentadas entre os componentes do grupo com
os dados da predição e da observação. É nesse momento também que o professor assume
41
o papel de mediador na discussão entre os alunos, quando as questões que geraram
controvérsias são discutidas e as informações interpretadas para juntos, conseguirem a
explicação para o fenômeno, dentro de um modelo científico. É importante que a
sequência do predizer, observar, explicar seja seguida para que a atividade proposta tenha
seus objetivos alcançados. Assim é possível que os alunos, ao trabalharem em grupos,
possam compartilhar opiniões, predições e interpretações (TAO; GUNSTONE, 1999).
3.3.3 Ferramenta de Investigação e Diagnóstico no Ensino de Física
Vários estudos utilizam a abordagem POE como auxiliar na investigação de
conceitos relacionados à Física (BALEN, 2005; SANTOS, 2005; DORNELES, 2006). O
emprego desta estratégia didática favorece tanto o caráter investigativo quanto a
capacidade de aplicar raciocínios e conhecimentos a um fenômeno a ser testado. Durante
a aplicação, podem surgir discrepâncias entre a previsão e o resultado observado do
experimento, de modo que os alunos podem discutir as hipóteses levantadas e, com
auxílio do professor e colegas, tomar consciência das concepções que os levaram a tais
hipóteses. Eles buscam subsídios para resolver possíveis discrepâncias entre o que foi
predito e o que foi observado, num trabalho autônomo em equipe que facilita a
aprendizagem em todas as dimensões do conhecimento: conceituais, procedimentais e
habilidades cognitivas e não cognitivas. A sala de aula torna-se, assim, um espaço
comunitário, interativo e experimental. Dessa perspectiva, o professor busca dar voz e
vez aos alunos, saindo da cena principal e assumindo o lugar de quem planeja e organiza
as aprendizagens, cuidando para que os objetivos propostos sejam alcançados.
A metodologia POE pode ser considerada também como uma ferramenta
diagnóstica de habilidades não relacionadas ao currículo, porque, além das concepções
prévias, fornece ao docente dados sobre a capacidade de expressão e organização das
ideias dos estudantes. Geralmente, nessa etapa é dito aos alunos para que sejam “sinceros,
escrevam somente aquilo que pensam e não tenham preocupação em dar a resposta
correta”, visto que nenhuma etapa do método POE é passível de avaliação somativa.
Infelizmente, é notória a busca pela resposta esperada considerada padrão ao longo das
aulas tradicionais, o que torna evidente o caráter de “adestramento” desenvolvido pela
escola como um todo. Em suma, a metodologia POE possibilita que o estudante
desenvolva, através da escrita, o pensamento lógico dedutivo, já que é necessário diante
de uma situação inédita elaborar uma previsão, observar um fenômeno e, através da
observação, desconstruir ou ratificar modelos próprios.
42
Capítulo 4
CALORIMETRIA
Dentre todos os ramos de estudo das ciências, um dos mais antigos é o estudo da
termologia, também chamada de termofísica. Um de seus ramos, a calorimetria, se ocupa
do estudo das relações de troca de calor. Neste capítulo serão abordadas, de maneira
sucinta, as teorias da calorimetria que subsidiaram todo o conteúdo desenvolvido em sala
de aula.
4.1 Concepções Alternativas dos Conceitos Térmicos
Fazendo uma análise da evolução dos conceitos envolvendo os fenômenos
térmicos, é possível perceber que o conceito de calor foi um dos mais difíceis de serem
construídos pelos pensadores e cientistas no decorrer do tempo. E sua relação com outras
grandezas térmicas até hoje geram, Segundo Silva (1995), concepções errôneas como:
❖ Calor é entendido como uma substância, uma espécie de fluido, como às vezes
o frio, que ganha uma conotação semelhante e contrária;
❖ Temperatura é a medida do calor de um corpo;
❖ Calor também está associado a temperaturas altas;
❖ Tende-se a estabelecer a temperatura como propriedade dos corpos, não
pensando em equilíbrio térmico;
❖ Há uma tendência de usar o calor como propriedade dos corpos quentes e o frio
como propriedade contrária;
❖ Os conceitos de calor e temperatura são usados como sinônimos. Usa-se
também o conceito de temperatura como sinônimo de energia;
❖ Há também uma propriedade animista, usada para explicar o aquecimento ou
o resfriamento, sem se constituir em figuras de linguagem;
❖ Há uma atribuição de propriedades macroscópicas às partículas;
❖ Calor é um processo interno resultante do atrito entre as partículas.
4.2 Equilíbrio Térmico
Equilíbrio térmico é quando dois corpos, inicialmente com temperaturas
diferentes, trocam calor de maneira espontânea quando estão em contato. O de menor
temperatura recebe energia térmica (ou calor) do corpo com maior temperatura até que
43
os dois atinjam uma mesma temperatura, entrando assim em equilíbrio, também chamado
de equilíbrio termodinâmico (GASPAR, 2014).
4.2.1 Lei zero da Termodinâmica
Se dois corpos A e B no interior de uma caixa isolante ideal, para que não possam
interagir com nada a não ser um com o outro, separados por meio de uma parede isolante
ideal, entrarem em contato com um terceiro corpo C de temperatura diferente, observa-se
que, após algum tempo, os três corpos (A, B e C) estarão em equilíbrio térmico entre si,
situação que fundamenta a lei zero da termodinâmica (CINDRA, TEIXEIRA, 2004).
Sua importância só foi reconhecida na década 1930, muito depois de a primeira,
a segunda e a terceira leis da termodinâmica terem sido descobertas e numeradas, como
ela é o fundamento das demais, o nome “lei zero” parece apropriado, conforme sinalizado
por Freedman (2015, pág. 200). É isso que torna o termômetro útil; na realidade, um
termômetro mede sua própria temperatura, mas, quando está em equilíbrio térmico com
outro corpo, suas temperaturas se igualam.
4.3 Temperatura
Em um material, apesar de parecer relativamente estático (parado), seus átomos e
moléculas nunca estão completamente imóveis. Ao contrário, essas partículas possuem
um movimento vibratório, cuja amplitude depende do estado físico da matéria. Para
Yamamoto e Fuke (2013), temperatura é a medida do grau de agitação das moléculas de
um corpo. Para estudar as propriedades de um sistema, devemos definir certas grandezas
macroscópicas que podem ser avaliadas mediante sensações fisiológicas diretas ou
através de medidas mais sofisticadas. Nossas sensações não são suficientes para
determinar, com precisão, a temperatura desse sistema. Para determinar a temperatura de
um corpo, utilizamos um dispositivo denominado termômetro.
4.3.1 Medindo a Temperatura
Existem diversas grandezas que variam suas características quando varia a nossa
percepção fisiológica de temperatura. Entre essas grandezas estão:
▪ o volume de um líquido,
▪ o comprimento de uma barra,
▪ a resistência elétrica de um material,
▪ o volume de um gás mantido a pressão constante.
44
Qualquer uma dessas grandezas pode ser usada para construir um termômetro, ou
seja, para estabelecer uma determinada escala termométrica. Tal escala termométrica é
estabelecida pela escolha de uma determinada substância termométrica e por uma
propriedade termométrica desta substância. Um termômetro normalmente é constituído
por um bulbo de vidro conectado a um tubo capilar, também de vidro. O tubo capilar é
um tubo com um raio muito pequeno (da ordem de 1 mm). A Figura 4.1 mostra o esquema
básico de um termômetro de líquido.
Figura 4.1- Esquema termômetro de líquido
Fonte: Batista et al (2018).
Uma das substâncias termométricas mais empregadas na construção de
termômetros é o mercúrio, dadas suas propriedades:
A. Metal;
B. Líquido;
C. Tem coeficiente de dilatação praticamente constante;
D. Se solidifica a -39ºC e ferve a 359ºC.
Seu funcionamento baseia-se na dilatação ou na contração térmica do mercúrio,
que, ao entrar em contato com o corpo dos seres vivos ou com o ambiente, entra em
equilíbrio térmico com ele. Quando colocamos o termômetro em contato com um corpo,
ocorre uma troca de calor entre o corpo e o termômetro até que o sistema atinja o
equilíbrio térmico. Neste equilíbrio térmico, a temperatura do termômetro é igual à
temperatura do corpo. Para graduar um termômetro, é necessário usar temperaturas de
referência que correspondam ao equilíbrio térmico de certos sistemas especiais. Os pontos
fixos mais utilizados para a calibração de um termômetro e para a fixação de uma escala
termométrica normalmente são o ponto de fusão e o ponto de ebulição da água, ou ponto
de vapor (DIAS, 2019).
45
Os termômetros possuem uma escala termométrica constituída por uma sequência
de números associados às temperaturas. As escalas termométricas mais usadas são a
escala Celsius e a Fahrenheit. A escala Celsius foi criada pelo astrônomo sueco Anders
Celsius (1701-1744), que escolheu como pontos fixos a temperatura de fusão do gelo
(temperatura em que o gelo se funde, passa do estado sólido para o estado líquido) e a
temperatura de ebulição da água (temperatura em que a água ferve, passagem do estado
líquido para o estado gasoso). Ao nível do mar, é atribuído a essas temperaturas os valores
de 0ºC para o ponto de fusão e 100ºC para o ponto de ebulição. Esta escala é a usada no
Brasil. A escala Fahrenheit, criada pelo físico alemão Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-
1736), que atribuiu aos pontos fixos 32ºF para o ponto de fusão do gelo e 212ºF para o
ponto de ebulição da água, é usada nos Estados Unidos e em alguns outros países.
Nos meios científicos (locais ou espaços onde se desenvolve e difunde a ciência)
é muito usada a escala Kelvin (K), que tem um significado muito importante para a
ciência porque ela surgiu quando se compreendeu que existia uma temperatura mínima
possível para qualquer corpo do Universo. Após atingir tal temperatura, torna-se
impossível reduzi-la, pois é um estado de energia interna próxima a zero (menor
temperatura possível do Universo, -273,15 ºC ou 0 K). Esse estado passou a representar
o valor zero absoluto, que é o 0 na escala Kelvin. Essa escala adotou 273 K para o ponto
de fusão do gelo e 373 K para o ponto de ebulição da água (DIAS, 2019).
4.3.2 Graduação das Escalas Termométricas
Para graduar no termômetro uma escala termométrica faz-se necessário adotar
duas temperaturas fixas como referência (ponto de gelo e ponto de vapor); a seguir, basta
dividir em N intervalos iguais a distância entre estes dois pontos fixos. Cada intervalo
corresponde a um grau da escala considerada. Os dois pontos fixos mais utilizados na
prática são: o ponto de fusão do gelo (0ºC) e o ponto de vaporização da água (100ºC),
ambos relativos a uma pressão externa constante e igual a 1 atm. A Figura 4.2 indica esses
pontos de referência dos termômetros usuais. Escolheu-se arbitrariamente um número N1,
para o ponto de fusão do gelo, e um número N2, para ponto de vaporização da água.
Dividiu-se o intervalo (N2 - N1) em N partes iguais. Sendo assim, um grau numa
determinada escala termométrica linear é numericamente dado por:
1grau =N2 − N1
N .
(1)
46
Figura 4.2 - Graduação de um Termômetro de líquido
Fonte: Batista et al (2018).
Os pontos fixos são constantes e fornecem sempre as mesmas temperaturas
quando as condições externas são mantidas inalteradas. Contudo, a escala termométrica
é arbitrária, e o intervalo entre os dois pontos fixos pode ser dividido num número N
arbitrário de partes iguais.
4.3.3 Relação entre as Escalas Termométricas
4.3.3.1 Celsius e Fahrenheit
Na escala Celsius, temos 100 divisões iguais entre os pontos fixos e cada divisão
recebe o nome de grau Celsius. Na escala Fahrenheit, temos 180 divisões iguais entre os
pontos fixos e cada divisão recebe o nome de grau Fahrenheit. A figura 4.3 mostra a
relação entre elas.
Figura 4.3 - Relação entre as escalas termométricas Celsius e Fahrenheit
Fonte: Batista et al (2018)
Os intervalos de temperaturas correspondentes nas duas escalas são proporcionais,
de maneira que as escalas podem ser relacionadas da seguinte forma:
47
𝑇𝑐 − 0
TF − 32=
100 − 0
212 − 32 . (2)
Tc =5(TF − 32)
9 .
(3)
Essa equação de conversão normalmente é escrita da seguinte maneira:
𝑇𝑐
5=
𝑇𝐹 − 32
9 .
(4)
4.3.3.2 Escala Kelvin
A escala Kelvin foi definida variando-se experimentalmente a pressão de um gás
mantendo seu volume constante. Por meio de uma extrapolação, Kelvin concluiu que
quando a pressão do gás atinge o valor zero, ou seja, se anula, o gás apresenta a menor
temperatura possível (DIAS, 2019). Por apresentarem divisões de 100 partes entre o ponto
de congelamento e o ponto de ebulição da água, as escalas Celsius e Kelvin apresentam
a mesma variação de temperatura como descrito na equação 5,
∆TC = ∆TK .
(5)
Onde ∆TC é a variação da temperatura em graus Celsius e ∆TK é a variação da
temperatura em Kelvin. Portanto uma variação de 1°C corresponde a uma variação de
1K. Como mostrado na equação 6, pode-se também encontrar as conversões entre as
escalas Kelvin e Celsius,
TC = TK – 273,15. (6)
Em que, TC é a temperatura em graus Celsius e TK é a temperatura em Kelvin. As
variações entre as escalas Celsius e Kelvin são iguais, porque entre o ponto de ebulição e
o ponto de fusão da água dessas escalas há uma divisão de 100 partes. Dessa forma, uma
variação de 1°C corresponde a 1K. Substituindo a equação 6 na equação 5 podemos
estabelecer uma fórmula de conversão entre as escalas Kelvin e Fahrenheit como indicado
na equação 7,
48
TK = 273,15 + TC. (7)
4.4 Dilatação Térmica
Nussenzveig (2002, p. 163) considera que a dilatação corresponde a um aumento
do espaçamento inter atômico médio. Quando a temperatura de um corpo (sólido ou
líquido) se eleva, em geral, aumenta não só a amplitude da vibração das moléculas, mas
também a distância média entre elas, resultando em aumento nas dimensões do corpo. Da
mesma forma, a diminuição da temperatura geralmente acarreta numa redução das
dimensões do corpo (contração térmica). É por essa razão que a construção de estradas
de ferro, por exemplo, utiliza “folgas”, chamadas de juntas de dilatação, que previnem
trincas e rupturas causadas pela dilatação térmica dos materiais de construção. A
deformação nas dimensões dos corpos pode ser linear (comprimento), superficial (área)
ou volumétrica (volume).
4.4.1 Dilatação Linear
Quando a temperatura de um corpo aumenta em ∆T, não muito grande (menor que
100ºC), o aumento de seu comprimento ∆L será diretamente proporcional sendo,
∆L = L0α ∆T. (8)
Nessa expressão acima, L0 é o comprimento inicial do corpo e α é o coeficiente
de dilatação linear. O coeficiente de dilatação depende do material: se aumentarmos
igualmente a temperatura de duas barras de mesmo tamanho, mas de materiais diferentes,
obteremos dilatações diferentes. Isso ocorre por causa das diferenças nas características
microscópicas das substâncias. Portanto, ∆L também deve ser proporcional a L0.
4.4.2 Dilatação Superficial e Volumétrica
O coeficiente de dilatação linear descreve a expansão de uma única dimensão do
sólido – comprimento, altura, largura, perímetro etc. Se desejar estudar o aumento da área
do corpo, é útil introduzir o coeficiente de dilatação superficial β definido por,
∆S = S0β ∆T, (9)
49
onde ∆S é a variação da área considerada e S0 a área inicial. É fácil estabelecer a relação
entre os coeficientes linear e superficial. Para isso basta escrever a definição de α e β
como,
dL
𝑑𝑇= 𝛼𝐿, (10)
dL
𝑑𝑇= β𝐿. (11)
Onde L (T) e S (T) são o comprimento e a área considerados. Por exemplo, para um corpo
quadrado de lado L e área S = L2 temos,
𝑑𝑆
dT= 2
𝑑𝐿
𝑑𝑇= 2𝐿2α = 2αS
(12)
ou seja, β = 2α. (13)
Da mesma forma, podemos definir o coeficiente de dilatação volumétrica,
∆V = V0 y ∆T, (14)
onde ∆V é a variação de volume e V0 é o volume inicial. Como foi feito no caso da
dilatação superficial, é fácil mostrar que,
Y = 3α. (15)
É importante notar que, no caso de líquidos, só a dilatação volumétrica tem
significado. A dilatação linear ou superficial de um líquido depende da forma (e dilatação)
do recipiente que o contém.
4.4.3 Dilatação Térmica da Água
Embora os coeficientes de dilatação sejam geralmente positivos, algumas
substâncias apresentam coeficientes negativos. O exemplo mais famoso é o da água. Essa
substância, no intervalo de temperaturas entre 0 °C e 4 °C, diminui de volume quando a
temperatura aumenta. Nesse intervalo, o coeficiente de dilatação volumétrica da água é
negativo. Acima de 4 °C, a água se expande quando aquecida. Portanto, a densidade da
água apresenta seu valor mais elevado a 4 °C. A água também se expande quando congela,
sendo essa a razão pela qual ela se curva para cima no meio dos compartimentos cúbicos
de formas para fazer gelo. Em contraste, quase todos os materiais se contraem quando
congelam.
50
Esse comportamento anômalo da água tem um efeito importante na vida de
animais e plantas em lagos. Um lago se congela da superfície para baixo; acima de 4 °C,
a água fria flui para a parte inferior por causa de sua maior densidade. Porém, quando a
temperatura da superfície se torna menor que 4 °C, a água próxima da superfície é menos
densa que a água abaixo dela. Logo, o movimento para baixo termina, e a água nas
proximidades da superfície permanece mais fria que a água embaixo dela. À medida que
a superfície se congela, o gelo flutua porque possui densidade menor que a da água. A
água no fundo permanece com uma temperatura de cerca de 4 °C, até que ocorra o
congelamento total do lago. Caso a água se contraísse ao esfriar, como a maior parte das
substâncias, lagos começariam a congelar do fundo para a superfície. A circulação por
diferença de densidade faria com que a água quente fosse transportada para a superfície,
e os lagos ficariam totalmente congelados mais facilmente. Isso provocaria a destruição
de todas as plantas e animais que não suportam o congelamento. Caso a água não tivesse
essa propriedade especial, a evolução da vida provavelmente teria seguido um curso
muito diferente, conforme demostrado por Freedman (2015, pág. 208 - 209).
4.5 Calor
No final do século XVIII, a hipótese mais aceita considerava o calor como uma
substância fluida indestrutível que “preencheria os poros” dos corpos e escoaria de um
corpo mais quente a um mais frio. Lavoisier chamou essa substância hipotética de
“calórico”. Hoje, segundo Freedman (2015, pag.215), o termo “calor” se refere a uma
forma de energia líquida entre dois ou mais corpos ou sistemas com temperaturas
diferentes, nunca a quantidade de energia contida em um sistema particular.
Diferentemente, a temperatura depende do estado físico de um material, indicando, por
meio de descrição quantitativa, se o material está quente ou frio. Pode-se alterar a
temperatura de um corpo fornecendo ou retirando energia dele, como na mecânica.
Quando dividimos um corpo em duas partes iguais, cada metade possui a mesma
temperatura do corpo inteiro; porém, para aumentar a temperatura de cada metade até um
mesmo valor final, deve-se fornecer a metade da energia que seria fornecida ao corpo
inteiro.
Como o calor é uma forma de energia, no sistema internacional de unidades (SI)
é medido em Joule. Entretanto, historicamente, foi adotada uma unidade
independentemente da quantidade de energia térmica, a caloria (cal), cujo uso persiste até
hoje. A temperatura de 1g de água é definida atualmente como a quantidade de calor
51
necessária para elevar de 14,5°C para 15,5°C, à pressão de 1atm. Experiências realizadas
por Joule e por outros cientistas da época mostram que: 1cal = 4,18 Joules.
4.6 Tipos de Calor
4.6.1 Calor sensível
O calor sensível é o calor que, recebido ou cedido por um corpo, provoca nele
uma variação de temperatura. Durante esse processo, o estado físico da substância
permanece inalterado. Segundo Tipler (2015), a quantidade de Calor Sensível (Q)
necessária para ocorrer variação de temperatura (∆T) é proporcional a massa (m) e ao
calor específico (c) da amostra utilizada. A fórmula matemática para encontrar o valor do
calor sensível é chamada de Equação Fundamental da Calorimetria conforme a equação
16.
Q = m c ∆T. (16)
A essa fórmula em função do calor específico se apresenta da seguinte forma:
c =
𝑄
m∆T .
(17)
É importante frisar que a variação de temperatura ∆T é dada da seguinte maneira:
∆T = 𝑇f − 𝑇i. (18)
Onde Tf é a temperatura final e Ti é a temperatura inicial. Ressalta-se que a quantidade
de calor recebido ou cedido pela amostra, também é proporcional ao tempo de exposição
a fonte de calor.
4.6.2 Calor latente
A quantidade de energia por unidade de massa que deve ser transferida na forma
de calor para que uma amostra mude totalmente de fase é chamada calor de transformação
ou calor latente. Sua quantidade pode ser encontrada através da equação:
Q = mL, (19)
onde Q é a quantidade de Calor, m é a massa do corpo e L é o calor latente.
52
Durante a mudança de fase de uma substância, sua temperatura permanece
constante, pois a energia térmica apenas altera a estrutura da ligação entre suas moléculas.
De acordo com Tipler (2015):
Enquanto a água é aquecida, os movimentos de suas moléculas aumentam e
sua temperatura aumenta. Quando a temperatura atinge o ponto de ebulição,
as moléculas não podem mais aumentar sua energia cinética e permanecem
no líquido. Enquanto a água líquida se transforma em vapor, o acréscimo de
energia é utilizado para romper as atrações intermoleculares. Isto é, a energia
é utilizada para aumentar a energia potencial das moléculas em vez de
aumentar sua energia cinética. Como a temperatura é uma medida da energia
cinética média de translação das moléculas, a temperatura não varia.
(TIPLER, P. A. p. 603).
Portanto, as mudanças de fase ou mudanças de estado físico mais conhecidas são
apresentadas na figura 4.4. As mudanças de estado físico fusão, vaporização e
sublimação, ocorrem com o aumento da temperatura. Enquanto os processos de
solidificação, condensação e sublimação são provocados pela diminuição da temperatura.
Figura 4.4 - Mudanças de Estados Físico
Fonte: https://redu.com.br/wp-content/uploads/2019/11/Mudan%C3%A7as-de-estado-da-mat%C3%A9ria.jpg
I. A fusão ocorre, por exemplo, quando as geleiras derretem por causa do
aquecimento global ou quando derretemos um cubo de gelo para resfriar a água.
Enfim, é a mudança do estado sólido para o estado líquido.
II. A vaporização ocorre quando uma substância passa do estado líquido para o estado
53
gasoso. Essa mudança se dá de duas maneiras: evaporação e ebulição. A
evaporação pode acontecer espontaneamente na natureza, como na secagem de
roupas no varal, de poças de água, da água das chuvas, dos rios, dos lagos etc.
Podemos perceber que este processo de vaporização ocorre na superfície dos
líquidos de forma lenta e a temperatura ambiente. E a ebulição ocorre quando
colocamos uma panela de água sobre uma fonte de calor fazendo com ela comece
a ferver, entrando em ebulição. Esse processo de vaporização se dá de forma
rápida e ocorre em todas as partes do líquido.
III. A sublimação pode ser percebida quando as bolinhas de naftalina, colocadas nos
roupeiros ou em gavetas para afugentar traças, diminuem de tamanho com o tempo,
passando diretamente do estado sólido para o gasoso.
IV. A solidificação ocorre quando a lava que sai do interior do vulcão encontra-se no
estado líquido e a uma temperatura muito alta; em contato com o ar atmosférico,
mais frio, perde calor e solidifica-se. Esse processo também ocorre na formação da
geada e do granizo, que se dá pela mudança do estado líquido para o estado sólido.
V. A condensação ocorre na formação do orvalho e do nevoeiro. Também pode ser
observada quando o vapor de água do ar entra em contato com a superfície externa
e fria de um copo ou de uma garrafa que contém água ou outro líquido gelado.
Neste caso o vapor de água passa do estado gasoso para o líquido.
4.6.3 Calor Específico
A quantidade de calor, dQ, necessária para variar a unidade de massa (m) de uma
determinada substância em um grau de temperatura (T) denomina-se calor específico.
Assim sendo, pode-se escrever que,
dQ = mcdT. (20)
Onde c é o calor específico.
No caso de um intervalo finito de temperatura e mc como uma determinada função
da temperatura c = c(T), a quantidade de calor Q será igual a:
𝑄 = 𝑚 ∫ 𝑐(𝑇)𝑑𝑇.
𝑇2
𝑇1
(21)
54
Se o calor específico permanecer constante no intervalo de temperatura (T2 – T1) a
quantidade de calor será igual a,
Q = mc. (T2 – T1). (22)
Para que fique bem definido, é preciso especificar ainda em que condições ocorre
a variação de temperatura: se a pressão é mantida constante, obtém-se um valor diferente
daquele que se obtém quando é mantido constante o volume da substância. O calor
específico à pressão constante, cp, e o calor específico à volume constante, cv, são
chamados de “calores específicos principais”. Para gases e vapores, o calor específico
depende da transformação se dar a volume constante ( cv ) ou a pressão constante ( cp ).
4.7 Capacidade Térmica (C)
A capacidade térmica de um corpo indica a quantidade de calor que esse corpo
deve receber ou ceder para que sua temperatura varie em 1 unidade, ou seja, a capacidade
térmica é uma característica do corpo. Define-se capacidade térmica (C) como sendo
𝐶 =
𝑄
∆𝑇.
(23)
Ao dividir o valor da capacidade térmica (C) de um determinado corpo pela sua massa
(m), encontra-se o calor específico da substância que compõe esse corpo,
𝑐 =
𝐶
𝑚.
(24)
É importante ressaltar que o calor específico é uma característica da substância,
enquanto a capacidade térmica é uma característica do corpo. Caso o corpo seja
constituído de n substâncias diferentes, cada uma com calor específico ci e massa mi, a
capacidade térmica do corpo é a soma das capacidades térmicas de cada componente, ou
seja,
C = m1c1 + m2c2 + m3c3 + ...+ mncn. (25)
No caso de uma liga, a capacidade térmica pode ser calculada como se tratasse de um
conjunto de substâncias diferentes utilizando a relação acima, equação 25.
55
4.8 Propagação do Calor
Durante uma transferência de calor entre dois corpos, o corpo de maior
temperatura sempre fornece calor e o corpo de menor temperatura sempre recebe calor
até que as temperaturas se igualem. Os processos de propagação de calor dependem
diretamente do tipo de material utilizado, chamados de condução Térmica, convecção
Térmica e radiação Térmica. O princípio das trocas de calor diz que toda a quantidade de
calor fornecida por um corpo deve ser integralmente recebida pelo outro corpo num
sistema isolado, assim:
|Q recebido| = |Q fornecido|
+Qr = - Qf
+Qr + Qf = 0
∑Q = 0.
(26)
4.8.1 Condução Térmica
O fenômeno da condução do calor consiste na transferência de energia cinética
dos átomos a seus vizinhos. Essa definição, com base no conceito de temperatura no
âmbito da teoria cinético molecular equivalente a dizer que a condução de calor só
acontece entre as partes de um sistema macroscópico (sólido, líquido ou gasoso) que se
encontram a temperaturas diferentes. Resultados experimentais mostram que a
quantidade de calor ΔQ transportada num intervalo de tempo Δt, através de um elemento
de superfície ΔS dessa parede de espessura ΔX, cujas partes externas e internas têm,
respectivamente, temperaturas T1 e T2 é igual a
∆Q =
K ∆S ∆t (T1 − T2)
∆x,
(27)
onde k é a condutividade térmica.
A equação (27) foi obtida experimentalmente por Joseph Fourier (1768-1830). Ela
pode ser escrita em forma diferencial como na equação 28,
(
𝑑𝑄
𝑑𝑡𝑑𝑆) = 𝑞 = 𝐾(
𝑑𝑇
𝑑𝑥) (28)
56
Onde dQ/dtdS é fluxo de calor q através da superfície dS. E sua generalização em forma
vetorial se apresenta como,
q = - K grad T. (29)
O sinal negativo na equação 29 indica que os vetores q e grad T têm sentidos
opostos. O gradiente de temperatura está dirigido no sentido em que a temperatura
aumenta, e o fluxo de calor no sentido da diminuição desta. No sistema cartesiano de
coordenadas xyz,
𝑔𝑟𝑎𝑑𝑇 = 𝑖
𝑑𝑇
𝑑𝑥+ 𝑗
𝑑𝑇
𝑑𝑦+ 𝐾
𝑑𝑇
𝑑𝑧
(30)
O poder de condutividade térmica dos metais, em relação aos demais, segundo
Nussenzveig (2002), pode ser explicado através do seguinte conceito: Os metais, que
conduzem bem a eletricidade, também são bons condutores de calor, o que não é
coincidência: segundo a lei de Wiedemann e Franz, a condutividade térmica de um metal
é proporcional a sua condutividade elétrica. Nussenzveig (2002) complementa ainda que
os líquidos, como a água, são geralmente maus condutores de calor e que os melhores
isolantes térmicos são os gases, como o ar, por exemplo.
4.8.2 Convecção Térmica
Para Halliday, Resnick e Krane (2006) a convecção térmica fica bem caracterizada
quando observamos, na chama de uma vela, a transferência de energia térmica para cima.
O ar, a água ou os fluidos em geral, sofrerão uma movimentação ascendente provocada
por uma expansão térmica. Essa expansão provoca uma diferença de densidades, entre o
fluido mais próximo à fonte térmica e o fluído mais distante, tornando o fluido mais
próximo menos denso e desta forma fazendo-o subir. O fluido mais frio, então, ocupa o
lugar deixado pelo fluido mais quente e esse processo ocorre indefinidamente, sendo a
explicação para os ventos litorâneos, o voo de pássaros e das asas deltas, dentre outros.
Ocorre a convecção forçada quando o escoamento é causado por meios externos,
tais como um ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos. Como um exemplo,
considere o uso de um ventilador para propiciar o resfriamento com ar, por convecção
forçada, dos componentes quentes em uma série de placas de circuito impresso. Em
57
contraste, no caso da convecção livre (ou natural) o escoamento do fluido é induzido por
forças de empuxo, que são originadas a partir de diferenças de densidades (massas
específicas) causadas por variações de temperatura no fluido. Um exemplo é a
transferência de calor por convecção natural, que ocorre a partir dos componentes quentes
de uma série de placas de circuito impresso dispostas verticalmente e expostas ao ar
(INCROPERA e DEWIT, p. 5).
4.8.2.1 Conforto Térmico
Segundo a definição da American Society of Heating, Refrigerating and Air
Conditioning Engineers, Inc. (ASHRAE) - Standard 55-92, “conforto térmico é a
condição da mente que expressa a satisfação com o meio térmico”. Segundo Fanger
(1970), “neutralidade térmica é a condição de que uma pessoa não prefira nem mais
‘calor’ e nem mais ‘frio’ no ambiente ao seu redor”. A umidade do ar é de grande
importância em muitos setores da atividade humana como a estimativa de tempo e energia
requeridos por processos de secagem, armazenamento e processamento de grãos, e o
conforto térmico depende mais da quantidade de vapor de água presente no ar do que da
temperatura propriamente dita.
As exigências humanas de conforto térmico estão diretamente relacionadas ao
funcionamento do seu organismo, cujo mecanismo, complexo, pode ser, à grosso modo,
comparado a uma máquina térmica que produz calor segundo sua atividade. O homem
precisa liberar calor em quantidade suficiente, para que sua temperatura interna se
mantenha em torno dos 37 ºC (homeotermia) com limites muito estreitos entre 36,1ºC e
37,2 ºC; sendo 32 ºC o limite inferior e 42 ºC o limite superior para sobrevivência, em
estado de enfermidade. Quando as trocas de calor, entre o corpo humano e o ambiente
ocorrem sem maior esforço, a sensação do indivíduo é de conforto térmico e sua
capacidade de trabalho é máxima. No entanto, se as condições térmicas ambientais
causam sensação de frio ou calor é porque o organismo está perdendo mais ou menos
calor necessário para homeotermia, que só será alcançada com esforço adicional, o que
representa sobrecarga, com queda de rendimento no trabalho e até problemas de saúde
(FROTA; SCHIFFER, 2003).
A primeira condição para se obter conforto térmico é que o corpo esteja em
equilíbrio térmico, ou seja, a quantidade de calor ganho (metabolismo + calor recebido
do ambiente) deve ser igual à quantidade de calor cedido para o ambiente. Essa condição
é necessária, mas não suficiente para que haja conforto térmico. Isso pode ser explicado
58
pela eficiência do sistema termorregulador, que consegue manter o equilíbrio térmico do
organismo numa ampla faixa de combinações das variáveis pessoais e ambientais, embora
o conforto térmico só ocorra numa restrita faixa dessas combinações. Assim, o conforto
térmico num determinado ambiente pode ser definido como a sensação de bem-estar
experimentada por uma pessoa, como resultado de uma combinação satisfatória nesse
ambiente entre a temperatura radiante média, umidade relativa, temperatura e velocidade
do vento, dadas com a atividade desenvolvida e a vestimenta utilizada (RUAS, 2001).
O índice bioclimático proposto por Thom (1959), mais comumente usados em
estudos de clima urbano para regiões tropicais, descreve a sensação térmica que uma
pessoa experimenta devido às condições atmosféricas de um ambiente. Esse índice
oferece uma medida razoável do grau de desconforto para várias combinações de
temperatura e umidade relativa do ar. Na estimativa do índice de desconforto de Thom
(IDT), em graus Celsius, a seguinte equação é aplicada: temperatura e umidade relativa
do ar. Na estimativa do índice de desconforto de Thom (IDT), em graus Celsius, a
seguinte equação é aplicada
IDT = T – (0,55-0,0055 UR) (T -14,5). (31)
Onde T é a temperatura do ar (ºC); UR é a umidade relativa do ar (%).
Na caracterização do nível de desconforto térmico, foi utilizada a classificação
proposta por Giles et al. (1990) e apresentada na Tabela 4.1.
Tabela 4.1- Faixa de classificação do índice de desconforto de Thom (IDT
Fonte: Giles et al (1990).
59
4.8.3 Radiação Térmica
A liberação de energia na forma de radiação eletromagnética acontece sempre que
um corpo é aquecido, e quanto maior for sua temperatura maior é a energia dessa radiação,
e consequentemente maior sua frequência e menor o seu comprimento de onda. O
espectro de radiação térmica da matéria mostra, de forma simples, a natureza quântica do
mundo subatômico manifestada numa escala macroscópica. A apresentação de um
modelo para a descrição desse tipo de radiação por Planck, em 1900, é considerada o
nascimento da Mecânica Quântica, embora ela realmente só tenha se desenvolvido cerca
de 30 anos depois. A emissão de ondas eletromagnéticas pelos corpos, em função de sua
temperatura, acontece a partir de diferentes formas de energia, tais como a resultante das
reações químicas e das descargas elétricas, dentre outras. A radiação que acontece
utilizando apenas a energia interna dos corpos se chama radiação térmica, enquanto os
outros tipos de radiação não térmicas recebem o nome de luminescência. A característica
fundamental da radiação térmica é que ela acontece em equilíbrio termodinâmico
(EISBERG; RESNICK, 1988).
4.8.3.1 Lei de Kirchhoff
Se um corpo está mais quente que sua vizinhança, a emissão de radiação térmica
vai predominar sobre a absorção e, se ele estiver mais frio, a absorção predomina. Quando
um corpo está em equilíbrio térmico com sua vizinhança, a emissão é igual à absorção
(lei de Kirchhoff). Essa lei enuncia que a relação entre o poder de emissão (𝑅𝑤𝑇) e de
absorção (𝐴𝑤𝑇) não depende da natureza dos corpos, sendo uma função universal da
frequência e da temperatura
RwT
AwT= f(w, T).
(32)
Portanto, o corpo que mais absorver a radiação de determinada frequência (w), será
também o que mais a emite.
4.8.3.2 Emissividade do Corpo Negro
O corpo cujo poder de absorção é igual a um (𝐴𝑤𝑇 = 1) denomina-se corpo negro.
Para este, seu poder de emissão 𝑅𝑤𝑇 é igual à função universal f (w, T). Daí sua
importância teórica. O conhecimento do poder de emissão espectral do corpo negro para
uma determinada temperatura, 𝑅𝑤𝑇, implica na determinação da função universal f (w,
60
T). Na natureza corpos negros não existem, mas o brilhante sol por exemplo, é um corpo
com características próximas de um corpo negro.
Na tentativa de explicar os resultados experimentais da radiação de corpo negro,
com base num princípio básico da Física produzido até finais do século XIX, o de
equipartição da energia cinética pelos graus de liberdade, foi inconsistente. Essa
inconsistência foi superada por Planck ao postular que a energia é emitida não de forma
contínua, como o princípio acima aludido pressupõe, mas sim de forma discreta, em
pacotes denominados quanta de energia, cujos valores, Ek são determinados pela
expressão,
Ek = ℏf, (33)
onde ħ = 6,62607004 × 10-34 m2 kg/s é a constante de Planck e f a frequência da radiação
emitida.
Com base nessa consideração do caráter discreto de emissão da energia, ele obteve
a fórmula do poder de emissão espectral do corpo negro para diferentes temperaturas que
coincide com os resultados experimentais alcançados no estudo da radiação do corpo
negro,
f(w, T) =
ħ𝑤2
4𝜋2𝑐2
1
−ħw
ekT − 1
.
(34)
Onde, ħ = h
2π e c é a velocidade da luz.
A Fig. 4.4 mostra o poder de emissão espectral do corpo negro para diferentes
temperaturas.
Figura 4.5- Radiação Espectral de um Corpo Negro para Diferentes Temperaturas.
Fonte: EISBERG, Robert RESNICK. Pag. 21
61
As leis da radiação do corpo negro podem ser facilmente obtidas a partir função
de Planck. Assim, a lei de Stefan-Boltzmann, que estabelece que a energia emitida por
um corpo negro por unidade de tempo e de superfície é proporcional a temperatura
elevada à quarta potência, pode ser obtida a partir do cálculo da integral da função de
Planck no intervalo de frequência de zero ao infinito, equação 35.
∫ R(w, T)dw = ϑT4
∞
0
(35)
Onde 𝜗 = 5,67 • 10-8 W/ (m2 K4) é a constante de Stefan-Boltzmann.
A dependência da temperatura em relação ao valor da frequência (ou do
comprimento de onda) para o qual o poder de emissão espectral é máximo, obtida ao
igualar a zero a derivada da função de Planck. Assim, a lei do deslocamento de Wind, a
frequência correspondente ao máximo de emissão e proporcional à temperatura,
Wmax ∝ T, (36)
onde w𝑚𝑎𝑥 é a frequência para a qual a radiação espectral T tem seu valor máximo. A
Radiação do corpo negro representa o limite máximo de radiação que um corpo real pode
emitir num dado comprimento de onda, para uma dada temperatura. Para corpos reais,
define-se uma quantidade chamada emissividade 𝖼, determinada como a relação entre
capacidade de emissão desse corpo real (ε) e do corpo negro (Ecn).
𝜀 =
𝐸
Ecn. (37)
Assim, o poder emissivo de um corpo não negro será igual a
E = ε . ϑ • 𝑇4. (38)
O poder emissivo de um corpo é utilizado para calcular a energia irradiada por unidade
de tempo, P, pela superfície com base na expressão
62
𝑃 = 𝜀 𝜗𝐴 (𝑇p4 – 𝑇A
4). (39)
Um exemplo impressionante é o Sol que lança ao espaço a inimaginável quantia
de 64 MW por metro quadrado da sua superfície! Isso significa que em cerca de 39 m2 de
superfície solar há uma emissão energética equivalente à taxa de calor necessária (com
rendimento de 40%) para acionar uma usina termelétrica de 1 GW.
63
Capítulo 5
MÓDULO DIDÁTICO
A presente pesquisa caracteriza-se como uma pesquisa quantitativa e qualitativa,
se propondo a averiguar melhoria na aprendizagem através da aplicação de uma sequência
didática, que tem a experimentação mediada pela abordagem POE como recurso
integrador dos conhecimentos científicos. Foi escolhido dentro do tópico Física Térmica
o tema Calorimetria, devido não só às dificuldades usualmente enfrentadas pelos
estudantes na interpretação dos fenômenos dessa área, mas, também, divulgar
experimentos realizáveis nos laboratórios ou demonstráveis de fácil acesso e
manipulação, onde os alunos são instigados a participarem ativamente das aulas, através
da abordagem POE (Predizer – Observar - Explicar). A Física é uma disciplina que
possibilita envolver os alunos em atividades de investigações que ultrapassam os limites
da sala de aula, com motivação e engajamento que culminam no desenvolvimento e na
capacidade de resolução de problemas, compreensão dos fenômenos físicos (BENDER,
2014; PASQUALETTO; VEIT; ARAUJO, 2017). Especificamente em relação aos
conceitos de calor e temperatura, existe um consenso sobre a importância da correta
compreensão deles, como requisito básico para o entendimento de outros conceitos
fundamentais da Física. Einstein e Infeld ressaltam essa importância, afirmando que “os
conceitos mais fundamentais na descrição dos fenômenos térmicos são temperatura e
calor” (1980, pp. 39-40).
5.1 Coleta de Dados
Os dados foram coletados através de fotos e vídeos, produzidos pelos alunos e
docente durante o desenvolvimento das aulas, além das transcrições de suas falas durante
as aulas gravadas pela professora pesquisadora e, principalmente, por meio dos
questionários POE dos experimentos e do questionário pré e pós teste (YEO e ZADNIK,
2001, tradução Gonçalves Júnior (2012). Com o tempo de aula curto, de apenas 50
minutos, muitos dos registros no diário de bordo foram realizados posteriormente ao
desenvolvimento das atividades, através da transcrição dos registros de áudio e vídeo.
5.2 Recursos Utilizados
Materiais para os experimentos selecionados; questionário (YEO e ZADNIK,
2001) antes e após sequência didática; roteiros POE, adaptados da National Science
64
Teachers Association (US); livro didático de Física adotado pelo colégio (BONJORNO
et. al, 2016); internet; termos de autorização de divulgação de imagem.
5.3 Planejamento das Atividades
As competências e habilidades apresentadas no currículo de Física é o que se
espera que os alunos alcancem no decorrer do Ensino Médio. E para que estes sejam
alcançados, é preciso que o conteúdo de Física seja trabalhado de maneira interdisciplinar,
levando em consideração exemplos do dia a dia aos quais os alunos estão acostumados,
bem como a execução de aulas práticas tanto em laboratórios como em sala de aula,
buscando trabalhar de maneira ativa e participativa os conceitos e temas de Física
(RICARDO; ZYLBERSZTAJN, 2008).
O planejamento das atividades utilizadas no desenvolvimento das aulas, que
serviram como instrumento para coleta de dados, foi elaborado a partir de referências cuja
abordagem fosse a experimentação investigativa, como no Currículo Mínimo do Estado
do Rio de Janeiro e no livro didático adotado pelo colégio. Com o duplo objetivo de
motivar e requisitar o envolvimento no processo de aprendizagem por parte dos alunos,
os roteiros POE (sequência didática) foram aplicados juntamente com outras estratégias
de ensino, como aulas expositivo-dialogadas com recursos de imagens, pedido de
pesquisas ou resumos, resolução de listas de exercícios, incluindo questões dos concursos
vestibulares. O quadro 5.1 apresenta o planejamento dividido em seis atividades.
Atividades Tópicos Conteúdos
Roteiros Experimentais
POE
Nº
de
aulas
AT
IVID
AD
E 1
Conceitos
Básicos
da
Calorimetria
• Energia interna de
um sistema
• Temperatura
• Calor
• Equilíbrio térmico
• Condutividade
térmica
• Sensações térmicas
1 Você pode dizer a
diferença?
2 Quente ou frio?
3 Temperatura
perfeita para banho
4 Investigando o
calor da eletricidade
04
AT
IVID
AD
E 2
Medidas
de
Temperatura
• Calor sensível
• Escalas
termométricas
• Relação entre as
escalas termométrica
5 Não precisa
soprar! 02
65
AT
IVID
AD
E 3
Variação
de
Temperatura
• Calor específico
• Capacidade térmica
6 Que calor é esse!
7 Qual substância é
mais "quente”?
02
AT
IVID
AD
E 4
Trocas
de
Calor
• Fluxo de calor
através de um corpo
• Condução
• Convecção
• Irradiação
8 Troca “troca” de
calor! 02
AT
IVID
AD
E 5
Dilatação
Térmica
• dos sólidos
• linear
• superficial
• volumétrica
• dos líquidos
9 Como Funciona um
Termostato? 02
AT
IVID
AD
E 6
Mudanças
de
Fase
• Fases da matéria • calor sensível e
calor latente • Fusão e
Solidificação • Influência da
pressão na fusão - solidificação
• Vaporização / Evaporação / Ebulição
• Influência da pressão na temperatura de ebulição
• gás e vapor /
Pressão máxima de
vapor
• calor latente de
vaporização e de
condensação
• Curvas de
aquecimento e de
resfriamento /
Diagrama de fases
10 A Sensibilidade
do Calor
11Temperaturas
Fixas da Água
12 Fervendo Água e
Óleo
04
Quadro 5.1 – Planejamento das Atividades
Fonte: Elaborado pela autora.
66
5.4 Objetivos Curriculares
A Física apresenta-se como uma ciência fundamental, sendo um conjunto de
competências e habilidades que capacita o indivíduo a perceber e avaliar os fenômenos
naturais e tecnológicos presentes no cotidiano, princípios e modelos construídos no
decorrer da história da disciplina por físicos e cientistas. Logo, a visão da Física no Ensino
Médio deve direcionar-se na formação do cidadão contemporâneo, atuante e solidário
capaz de interagir e compreender a realidade de mundo (BRASIL, 2006). O ensino de
Ciências (Física) não deve mais ser voltado para o acúmulo de informações e o
desenvolvimento de habilidades estritamente operacionais, em que, muitas vezes, o
formalismo matemático e outros modos simbólicos (como gráficos, diagramas e tabelas)
carecem de contextualização. As práticas experimentais devem procurar desenvolver nos
alunos novas práticas e linguagens, fazer o entrelaçamento com os conhecimentos
anteriores sem deixá-los de relacionar com as linguagens e práticas do cotidiano.
Embora as habilidades previstas no Currículo Mínimo do Estado do Rio de
Janeiro, exemplificado no quadro 5.2, apontem a compreensão e o saber (conteúdos
conceituais) como objetivos principais do currículo, as atividades POE, desenvolvidas no
presente projeto, têm como objetivo favorecer também a construção de conhecimentos
relacionados aos conteúdos procedimentais e atitudinais. Os conteúdos procedimentais
são centrados nas ações e tem por objetivo tornarem os alunos participantes dos próprios
processos de construção do conhecimento científico. Os conteúdos atitudinais do
currículo de ciências referem-se ao comportamental (padrões de conduta), ao cognitivo
(como comportar-se) e ao afetivo (os valores).
Para Azevedo (2006) a aprendizagem de procedimentos e atitudes, no
desenvolvimento de uma atividade investigativa, se torna tão importante quanto a
aprendizagem de conceitos e/ou conteúdo.
“No entanto, só haverá a aprendizagem e o desenvolvimento desses conteúdos
– Envolvendo ação e o aprendizado de procedimentos – se houver ação do
estudante durante a resolução de um problema: diante de um problema
colocado pelo professor, o aluno deve refletir, buscar explicações, participar
com mais ou menos intensidade (dependendo da atividade proposta e de seus
objetivos) das etapas de um processo que leve a resolução do problema
proposto, enquanto o professor muda sua postura, deixando de agir como
transmissor do conhecimento, passando a agir como um guia.” (AZEVEDO,
2006, p.21).
67
AT
IVID
AD
E 1
- Compreender e significar os conceitos científicos de calor, sensação
térmica, temperatura, energia interna de um sistema, entendendo calor
como fluxo de energia e temperatura como grandeza associada à
energia interna de um corpo.
- Saber que a sensação térmica está ligada à taxa de transferência de
calor e, portanto, à condutividade térmica do material ao qual o
indivíduo está em contato.
- Diferenciar calor e temperatura, reconhecendo suas unidades de
medidas.
- Saber que quando dois corpos trocam calor entre si, eles tendem a
uma temperatura final comum chamada de temperatura de equilíbrio
térmico.
- Verificar situações cotidianas em que se estabelece o equilíbrio
térmico.
AT
IVID
AD
E 2
- Apresentar o conceito de equilíbrio térmico, observando que este é
alcançado em decorrência das trocas de energia térmica entre os
corpos de temperaturas iniciais diferentes.
Identificar o calor sensível trocado por um corpo com base na equação
fundamental da Calorimetria.
- Conhecer as principais escalas termométricas- Celsius, Fahrenheit e
Kelvin, bem como as relações de transformação entre as medidas de
temperatura nessas escalas.
- Reconhecer o termômetro como instrumento que realiza a medida da
temperatura por meio da variação de uma grandeza física que pode ser,
por exemplo, a altura de uma coluna líquida.
- Interpretar relações entre fenômenos naturais que envolvem calor e
temperatura, e fazer associações com as propriedades da matéria.
AT
IVID
AD
E 3
- Saber conceituar e diferenciar calor específico de capacidade térmica.
- Reconhecer temperatura e calor específico como propriedades da
matéria e capacidade térmica como propriedade do objeto.
- Identificar situações cotidianas e fenômenos naturais explicados
pelos conceitos de calor específico e capacidade térmica.
68
AT
IVID
AD
E 4
- Compreender o calor como forma de energia, identificando a equivalência
entre a caloria e o Joule.
- Reconhecer a relevância dos processos de condução e convecção na
transmissão de calor em meios materiais sólidos e fluidos.
- Identificar na convecção uma modalidade de troca de calor motivada pelo
movimento de massas fluidas de densidades diferentes.
- Reconhecer a irradiação térmica como um processo de transmissão de calor
que ocorre tanto em meios materiais como no vácuo.
- Relacionar as formas de troca de calor a alguns fenômenos de aquecimento
e resfriamento de observação cotidiana.
- Identificar numa garrafa térmica os dispositivos para impedir o fluxo de
calor entre os meios interno e externo, bem como sua relação com os
processos de transmissão de calor (condução, convecção e irradiação).
AT
IVID
AD
E 5
- Reconhecer que a variação de temperatura produz a variação das dimensões
de um corpo, tanto no aspecto linear e no superficial quanto no volumétrico.
- Compreender e significar o conceito científico de dilatação térmica.
- Reconhecer que a dilatação de um líquido é quantificada considerando a
dilatação do recipiente que o contém.
- Significar os principais tipos de dilatação térmica, bem como as diferenças
entre elas.
- Identificar situações cotidianas e fenômenos naturais explicados pelo
conceito de dilatação térmica.
AT
IVID
AD
E 6
- Reconhecer as mudanças de fase da matéria como transformações físicas
motivadas pela troca de calor.
- Saber diferenciar calor sensível e calor latente, reconhecendo capacidade
térmica e calor específico como características de corpo e substância,
respectivamente.
- Reconhecer os fenômenos de ebulição, evaporação e calefação como
modalidades da vaporização.
- Identificar no diagrama de fases de uma substância sua fase e relacionar as
grandezas pressão e temperatura durante uma mudança de fase.
- Compreender o significado de ponto crítico, bem como diferenciar vapor
de gás.
- Identificar nos diagramas de aquecimento ou resfriamento as mudanças de
fase quantificando os calores latentes e sensível trocados nas diversas etapas.
- Identificar situações cotidianas e fenômenos naturais explicados pelas
mudanças de estados físicos da matéria.
Quadro 5.2 – Objetivos Curriculares
Fonte: Elaborado pela autora.
69
5.5 Competências e Habilidades
Existe um investimento considerável no desenvolvimento da leitura, produção de
textos e na resolução de problemas. No entanto, o presente trabalho sugere um passo à
frente, incluindo na avaliação dessas habilidades cognitivas os avanços dos alunos em
aspectos não cognitivos presentes na Matriz de Competências: Responsabilidade,
Autoconfiança, Colaboração.
A responsabilidade foi solicitada na realização de tarefas e no cuidado com os
materiais de estudo e os experimentos. A ausência desse comprometimento com o que
está sendo solicitado nas atividades certamente prejudicará as aulas e a aprendizagem dos
jovens. Essa habilidade pode ser entendida como parte do que é chamado de
conscienciosidade (do inglês conciousness), ou seja, a pessoa deve ter consciência de que
o trabalho árduo e responsável é necessário para atingir seus objetivos. Nesse sentido,
essa competência pessoal está relacionada à macro competência “autonomia”.
A autoconfiança foi desenvolvida nas diversas exposições de resultados e de
observações de experimentos ou quando o aluno teve que emitir suas concepções prévias
sobre conceitos e fenômenos. Essa competência também faz parte do desenvolvimento
da “autonomia”, se esta for entendida como a capacidade de fazer escolhas com base em
objetivos de vida consistentes, a autoconfiança é parte do ciclo de desafios para se chegar
a isso. Ter autoconfiança é aprender a apoiar-se em suas forças, em vez de ficar preso as
suas fragilidades. Por isso, a avaliação é tão importante, uma vez que é ela que dá aos
jovens condições de conhecer suas forças e mostrar a cada um deles seu valor como
pessoa, sem qualquer preocupação com uma nota ou conceito.
Por fim, a colaboração foi solicitada em todos os trabalhos em grupos ou em times,
especialmente em tarefas ou atividades mais complexas. Colaborar é uma das macros
competências da Matriz para o Século 21 (PRAIA et al, 2007). Apesar de importante,
colaborar não significa apenas ajudar o colega com dificuldade. De fato, a colaboração é
uma ação mais dinâmica e sistêmica: ela é agir com os outros, compartilhar a ação
respeitando diferenças e decisões comuns.
5.6 Avaliação
Diante do exposto, a sugestão é uma avaliação de caráter formativo usando
competências socioemocionais relativas ao trabalho autônomo, colaborativo e dialógico.
70
Além da observação; o levantamento de hipóteses e argumentação, mediados pelos
seguintes instrumentos:
➢ Questionário teste pré e pós sequência didática.
➢ Questionários POE.
➢ Anotações da professora pesquisadora.
➢ Registros de observações experimentais.
➢ Produção de gráficos com dados experimentais.
➢ Confecção de dicionário com os conceitos da Calorimetria trabalhados.
5.7 Roteiros POE
Juntamente com a professora orientadora, cada roteiro experimental foi planejado,
adaptado e/ou reformulado de modo a proporcionar situações e mecanismos que
estimulem o aluno a expressar as suas concepções. A elaboração de tais roteiros exigiu
uma atenção maior na preparação de seus questionários, considerando que a maior
franqueza da abordagem POE em revelar a compreensão dos estudantes vem do foco em
um evento específico e que sua característica principal é fazer o aluno decidir, de forma
direta, qual raciocínio (conhecimento) “físico” aplicar a uma situação real. Para Carvalho
(2014), atividades só se tornam investigativas se o professor se propuser a organizar suas
aulas de forma dialogada, fazendo questionamentos que levem os alunos a refletirem e
argumentarem.
5.7.1 Escolha dos Experimentos
Inicialmente, foi realizada uma busca, em publicações científicas e web sites, por
experimentos que abordassem conceitos de Calorimetria. A fonte escolhida como base
foram os roteiros POE da National Science Teachers Association (US). A partir daí foi
feita uma análise e a escolha de quais experimentos fariam parte do produto educacional
proposto neste trabalho. A seleção foi baseada na pesquisa de experimentos de baixo
custo e sua adaptação ao método POE com a intenção de produzir os roteiros
experimentais, que constituem o produto educacional deste trabalho, para professores que
desejarem usufruir dos mesmos. Devido a diferenças socioeconômicas-ambientais,
algumas alterações foram feitas nos textos traduzidos e/ou adaptados para a realidade dos
alunos brasileiros. A partir dessa pesquisa, construiu-se o quadro 5.3, listando os
experimentos escolhidos de Calorimetria em função dos conceitos abordados, facilitando
71
assim o trabalho do professor na busca por atividades experimentais com base nos
conteúdos que se pretende discutir durante as aulas.
Roteiros
Experimentais
POE
Conceitos Abordados
Sen
saçã
o T
érm
ica
Tér
mic
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or
Sen
sível
Cal
or
Lat
ente
Mudan
ças E
stad
os
Dia
gra
ma
de
Fas
es
1Você pode dizer a
diferença? X X X
2 Temperatura
perfeita para banho. X X X X
3 Quente ou frio? X X X X
4 Investigando o calor
da eletricidade X X X X
5 Não precisa soprar! X X X
6 Que calor é esse! X X X X X X
7 “Qual substância é
mais quente?” X X X X X X
8 Troca troca de
calor? X X X X
9 Como Funciona um
Termostato? X X X X X
10 A Sensibilidade do
Calor X X X X
11 Temperaturas Fixas da Água
X X X X X
12 Fervendo Água e Óleo
X X X X X X
Quadro 5.3 – Conceitos de Calorimetria Abordados nos Experimentos
Fonte: Elaborado pela autora.
72
5.7.2 Elaboração e/ou Adaptação dos Questionários POE
Após a identificação dos conceitos mais relevantes da Calorimetria que fizeram
parte da matéria de estudo, procurou-se organizar os roteiros POE de modo a se começar
com os conceitos mais gerais e inclusivos e, gradativamente, trabalhar com os mais
específicos. Para isso foram elaborados e/ ou adaptados texto introdutórios em alto nível de
generalidade nos questionários POE, a fim de fornecer uma visão panorâmica ao aluno do
conteúdo a ser trabalhado ao longo da atividade.
Na apresentação inicial, particular atenção foi dada para que o texto introdutório
estivesse redigido em um vocabulário ao alcance dos alunos e em uma sequência lógica
adequada, de modo a poder se constituir em um material potencialmente significativo
para os alunos. Para que os alunos tenham uma participação intelectualmente ativa, seja
em atividades de demonstração, seja em um laboratório de investigação, o professor deve
atentar para cinco etapas:
1ª A proposta do problema experimental. O problema precisa ser bem conhecido
pelos alunos (se necessário, deve ser redefinido). Se for uma aula de demonstração, podem
ser feitas perguntas do tipo: “Qual questão estamos investigando?”, procurando observar
as expressões dos alunos. Se for um trabalho em pequenos grupos, o professor deve
interagir, certificando-se que todos entenderam o problema experimental, mas sempre
tomando o cuidado para não dar a resposta.
2ª A resolução do problema pelos alunos. Quando os alunos trabalham em
pequenos grupos, o principal papel do professor é observar, procurando não interferir,
lembrando que o erro é importante para a construção do conhecimento – aprendemos mais
quando erramos e conseguimos superar o erro do que quando acertamos sem dificuldades.
Com a abordagem sendo predominantemente demonstrativa, a estratégia é levar os alunos
a Predizer – Observar – Explicar.
3ª A apresentação dos alunos. Ao demonstrarem o que fizeram para seus colegas
e para o professor, de que maneira resolveram o problema, os alunos desenvolvem um
raciocínio metacognitivo (“pensar sobre o próprio pensamento”) que os leva a tomar
consciência de suas ações e do porquê destas. Exemplos de questões: “O que vocês
estavam pretendendo?”; “O que fizeram?”; “Quais foram as evidências?”; “Como suas
ideias se modificaram?”; “O que aconteceu quando vocês ...?”; “O que esses
procedimentos têm em comum?”
As discussões entre alunos e professor são importantes para gerar, clarificar,
compartilhar e distribuir ideias entre o grupo, enquanto o uso da escrita como
73
instrumento de aprendizagem realça a construção pessoal do conhecimento
(Oliveira e Carvalho, 2005).
4ª A procura de uma explicação causal e/ou de sistematização. Na maioria das
vezes, as experimentações terminam na etapa anterior. O aluno precisa entender que a
ciência, e a Física em particular, não é apenas descritiva, mas, principalmente,
prospectiva. As principais experiências levam os cientistas, e devem levar os alunos, a
construírem conceitos. Os novos conceitos exprimem novas relações.
5ª A escrita individual - Como uma das etapas da enculturação científica, também
deve ser trabalhada na escola. Ela é uma atividade complementar à argumentação que
ocorre nas etapas anteriores – primeiramente em grupos pequenos e, depois, na relação
turma / professor. Ambas são fundamentais em um ensino de Ciências que procura criar
nos alunos as principais habilidades do mundo das Ciências, conforme afirmação de
Rivard e Straw (2000):
“o discurso oral é divergente, altamente flexível, e requer pequeno esforço de
participantes enquanto eles exploram ideias coletivas, mas o discurso escrito
é convergente, mais focado, de maior esforço cognitivo do escritor”.
5.8 Instrumento Diagnóstico
Segundo o referencial teórico deste trabalho a aprendizagem significativa de
Ausubel, aferir os conhecimentos prévios dos alunos foi fundamental e, para isso, foi
aplicado um teste para sondagem dos conhecimentos a respeito de Calorimetria. A revisão
bibliográfica não indicou um instrumento diagnóstico em língua portuguesa sobre os
conceitos de Física térmica abordados na disciplina. Por outro lado, mostrou a existência
de um teste em língua inglesa desenvolvido pelos pesquisadores Yeo e Zadnik da
Universidade de Curtin, na Austrália, elaborado para avaliar uma ampla gama de crenças
e concepções de estudantes sobre conceitos térmicos, que pode ser aplicado a alunos de
Ensino Médio. Os autores do questionário afirmam que as respostas dadas pelos alunos
correspondem às suas concepções, pois os itens do questionário são apresentados em
contextos comuns do cotidiano e da sala de aula, dificultando respostas correspondentes
àquelas ensinadas em classe, às quais muitas vezes o aluno repete sem acreditar
(GONÇALVES, 2012). Nesse contexto, os autores afirmam que há duas maneiras pelas
74
quais as concepções alternativas podem afetar a escolha da resposta do item pelo aluno
(YEO e ZADNIK, 2001):
“A primeira, quando a crença na concepção alternativa é tão forte que induz o
estudante ao enxergar a alternativa “correta” como não plausível. Por
exemplo, um aluno que acredita que o plástico é “naturalmente mais quente
que o metal” não pode aceitar que um corpo de plástico e um de metal,
retirados de dentro de um refrigerador, estejam à mesma temperatura (ver
questão 9). A segunda, quando a concepção alternativa faz com que a
alternativa incorreta pareça a mais plausível de todas. Por exemplo, um aluno
que acredita que a temperatura de ebulição da água não possa permanecer
constante pode selecionar como 110ºC a temperatura da água que está
fervendo por algum tempo (ver questão 5, p.499).”
A abrangência deste instrumento, como resultado de um cuidadoso estudo
preliminar de levantamento das pesquisas realizadas (metadados) na área de concepções
alternativas sobre fenômenos térmicos feito pelos autores australianos, também justifica
a escolha. Neste trabalho foi utilizado o questionário na pré e pós aplicação da sequência
didática, estando a tradução para o português presente na dissertação de Gonçalves Júnior
(2012). O produto educacional completo, que consiste numa sequência didática com
orientações para aplicação da experimentação via abordagem POE e roteiros
experimentais POE, encontra-se no Apêndice 1. No próximo capítulo, a aplicação do
produto educacional será descrita.
75
Capítulo 6
APLICAÇÃO DO PRODUTO EDUCACIONAL
Neste capítulo apresenta-se o contexto da aplicação do módulo didático (seção
6.1) e a descrição (seção 6.2) das atividades experimentais, mediadas pela abordagem
POE, para o ensino de Calorimetria (produto educacional), ministradas no período de
13/05/2019 a 11/07/2019 (segundo bimestre escolar). Todos os alunos participantes
estavam cientes do objetivo da pesquisa e manifestaram o seu livre consentimento,
concordando em participar da mesma.
6.1 Contexto da Aplicação
A aplicação da sequência didática ocorreu no turno vespertino em uma turma do
segundo ano do Ensino Médio integral com ênfase no empreendedorismo, na qual a
professora pesquisadora era docente. O colégio CIEP 393 Aroeira- Prefeito Carlos Emir
Mussi está situado no bairro Aroeira, região periférica que agrega várias comunidades do
município de Macaé, Rio de Janeiro. As atividades foram ministradas, em maior parte,no
laboratório de Ciências do colégio, que conta com pouca infraestrutura e insumos. Mas,
por se tratar de um ambiente diferente da sala de aula, se torna um fator atrativo. E os
experimentos realizados nas atividades foram de custo acessível, fáceis e de segura
manipulação, não necessitando de ambiente especial para serem realizados, conforme
figura 6.1.
Figura 6.1 – Confecção de um suporte universal caseiro
Fonte: Elaborada pela autora
76
A modalidade integral, implantada no colégio no ano anterior, apresentou grande
índice de evasão do primeiro ano (três turmas de aproximadamente 30 alunos cada) para
o segundo ano (uma turma de 20 alunos). Por motivos diversos, dentre eles, segundo os
alunos, a “falta de motivação das cansativas aulas”, o que fez muitos estudantes optarem
em cursar a segunda série na modalidade de ensino regular. Então o grande desafio do
colégio se tornou a manter os alunos remanescentes na modalidade iniciada, o que
justificou a escolha da turma para presente pesquisa. No início a turma contava com 17
meninas e 03 meninos, mas a partir da atividade 2 o número de meninas caiu para 16,
portanto os dados coletados foram referentes a 19 estudantes regularmente matriculados
e frequentes.
O produto educacional foi aplicado semanalmente em duas aulas de 50 minutos
cada, destinadas às aulas de Física, totalizando 18 aulas (16 aulas – sequência didática e
02 aulas – Aplicação de pré e pós teste). Durante a aplicação da sequência didática,
também foram ministradas aulas teóricas; execução e correção de exercícios; pedidos de
pesquisa, resumos e confecção de um dicionário com os termos trabalhados e afins,
porque é importante garantir que o aluno tenha conhecimento prévio do conteúdo (SÉRÉ
et al., 2003; MONTAI; LABURÚ, 2005) para proporcionar uma melhor compreensão
dos conceitos abordados nos experimentos desenvolvidos.
6.1.1 Elaboração e/ou Adaptação dos Questionários POE
Na semana anterior ao início da sequência didática, os alunos foram convidados a
participarem da pesquisa, esclarecendo os objetivos e combinados, inclusive sobre como
seriam avaliados. Para que fosse compartilhado com o responsável a assinatura, foi
entregue o termo de consentimento livre e esclarecido, reproduzido na figura 6.2.
Figura 6.2 – Termo de consentimento livre e esclarecido
Fonte: Elaborada pelas autoras
TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO
Aceito participar da pesquisa para o trabalho Abordagem Predizer. Observar. Explicar: Uma
Estratégia Didática no Ensino da Calorimetria para o Ensino Médio, consentindo a divulgação de imagens.
Fui informado de que a pesquisa objetiva avaliar a aplicabilidade da metodologia e que tenho toda
a liberdade de me recusar a participar, bem como retirar meu consentimento a qualquer
momento. Fui também esclarecido (a) de que meu nome não será divulgado nos resultados da
pesquisa, sendo-me garantido total confidencialidade dos dados.
Macaé, de maio de 2019.
Assinatura do participante (estudante)
77
6.1.2 Aplicação do Pré Teste (13/05/2019)
18 alunos presentes
Foi aplicada a versão em português do questionário pré-teste com 26 questões de
Yeo e Zadnik (2001) para levantar informações sobre o conhecimento prévio dos alunos
em relação aos conteúdos da Calorimetria a serem estudados, conforme figura 6.3.
Figura 6.3 – Aplicação do Pré Teste
Fonte: Elaborado pela autora.
Os alunos tiveram uma hora para responder ao questionário, sendo que o primeiro
a devolver o teste levou 20 minutos para solucionar as questões e o mais demorado, 45
minutos. A média de tempo de resolução da avaliação foi de 30 minutos. Durante a
aplicação os alunos se mostraram bastante intrigados com algumas questões, chegando a
fazer indagações em voz alta mas, conforme combinado, responderam de acordo com
suas convicções. Os dois alunos faltantes fizeram o teste em horário alternativo antes de
iniciar as atividades.
6.2 Descrição das Atividades
Apresenta-se na sequência o relato das aulas desenvolvidas com o módulo
didático. Os planos das atividades e roteiros POE utilizados nas atividades constam no
Apêndice 2.
6.2.1 Atividade 1 - Conceitos Básicos da Calorimetria
Parte 1- 15/05/19
78
2 aulas / 16 alunos presentes
• Roteiro experimentais POE 1 – Você sabe a diferença?
• Roteiro experimentais POE 2 – Quente ou frio?
Após se acomodarem nas bancadas, os alunos foram lembrados das regras de
conduta a serem respeitadas no laboratório. No primeiro tempo (50 minutos) foi
ministrada uma aula teórica sobre temperatura, sensação térmica, calor e equilíbrio
térmico, utilizando o quadro branco e o início do primeiro capítulo do livro didático.
Inclusive, alguns alunos relataram ter experienciado alguns dos exemplos dado no livro,
como: colocar um pé descalço no tapete e o outro no piso do banheiro, provocando uma
discussão interessante, o que deixou um ambiente propício para a experimentação. Na
primeira parte do roteiro experimental POE 1 foi solicitado que os alunos preenchessem
lacunas com os termos calor ou temperatura, o que fizeram com certa tranquilidade. Em
seguida foram convidados a descobrir o quanto a temperatura de 10mL de água da
torneira sobe quando é aquecida com o calor de um fósforo, conforme figura 6.4.
Figura 6.4 – Investigação 1 do experimento POE 1
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Com esse dado os alunos começaram a responder o questionário POE 1 seguindo a
sequência:
1- Predizer se há alguma diferença quando usado o calor de dois fósforos.
2- Observar o experimento – Investigação 2
3- Explicar a relação entre as quantidades de calor, de massa e variação de temperatura.
79
Terminado o preenchimento do questionário POE 1 foi iniciado o segundo roteiro
experimental sobre sensação térmica. A etapa da predição do questionário POE 2 contou
com a pergunta: “Ao tocar dois carrinhos vermelhos na bancada, conforme figura 6.5,
qual você acha que está mais quente, o de plástico ou de metal?”. A investigação (etapa
observar) foi verificar a temperatura dos dois carrinhos e a terceira etapa foi explicar as
leituras do termômetro.
Figura 6.5 – Dois Carrinhos na Bancada
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Os alunos estranharam os questionários POE e tiveram dificuldades,
principalmente, na etapa do predizer. No primeiro experimento, nove alunos só
responderam após a professora ter reforçado que o mais importante para o processo era
respondê-lo de acordo com que sabiam e que não seriam avaliados pelas respostas certas
ou erradas. No segundo experimento, ainda três alunos tentaram pular essa etapa e mesmo
sendo o fenômeno já discutido e relatado por eles ter vivido quando da leitura do livro,
muitos predisseram, ao manipularem os carrinhos, que o carrinho de plástico estava numa
temperatura maior que o carrinho de metal, ficando bem surpresos com as marcações de
temperaturas iguais do termômetro na etapa da observação.
Na etapa da explicação dos dois experimentos, eles só responderam após
“discutirem” opiniões. Foi pedido, para casa, que os alunos fizessem uma pesquisa sobre
a evolução do conceito de calor para que tomassem consciência da importância histórica,
econômica da calorimetria, entendendo que seus conceitos complexos foram estudados
80
por muitos cientistas durante muito tempo para chegar nos conceitos científicos aceitos
hoje.
Parte 2- 22/05/19
2 aulas / 16 alunos presentes
• Roteiro experimentais POE 3 – Temperatura perfeita para banho
• Roteiro experimentais POE 4 – Investigando o calor da eletricidade
Figura 6.6 – Execução do roteiro POE 3
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Na primeira aula foi debatido, em cima das pesquisas feitas pelos alunos, um
pouco da história do calor e as contribuições dos principais cientistas, enfatizando que
calor não é sinônimo nem de fogo e nem de temperatura e que a teoria do calórico apesar
de errada ainda é muito utilizada, mesmo sabendo que só faz sentido falar de calor entre
dois ou mais corpos, ou seja, calor é uma forma de energia em trânsito (entre corpos).
Nesse momento foi pedido que os alunos citassem outras formas de energia fazendo
conexão com a lei de Lavoisier no sentido de conservação (uma forma de energia se
transforma em outra mantendo a totalidade num sistema fechado). Uma aluna perguntou
“Então o equilíbrio térmico acontece quando esse sistema está parado?”. E aí foi
reforçado o conceito de temperatura como a medida do grau de agitação das moléculas
que formam um objeto (energia cinética - rotacional, vibracional e, principalmente,
translacional), frisando que as moléculas também têm uma energia potencial que está
associada às interações entre elas, e que a energia total (cinética mais potencial) é
denominada energia interna. Também foi ressaltado que o calor flui do objeto com maior
81
temperatura para o de menor temperatura até que suas moléculas atinjam o mesmo grau
de agitação (temperatura), independente se o sistema analisado está em repouso ou
movimento.
As etapas do roteiro experimental “POE” 3, mostradas na figura 6.6, iniciaram
com a pergunta: “Se você misturar 1 copo de água a 10 ºC com 1 copo de água a 50 ºC,
qual a temperatura que você vai conseguir?”. Na sequência os alunos começaram a
responder o questionário POE 3 seguindo a tabela abaixo, que serviu de base para a etapa
3 (explicação).
Número de copos de
água quente
(º C)
Temperatura prevista
da mistura (º C)
Temperatura
observada da mistura
(º C)
Número de copos de
água quente
(º C)
1 1
1 2
2 2
3 2
Tabela 6.1 de dados do questionário POE 3
Fonte: Elaborada pela autora
O roteiro experimental POE 4 utilizou uma cafeteira e um termômetro, conforme
figura 6.7.
Figura 6.7 – Equipamentos do Roteiro Experimental POE 4
Fonte: Elaborada pela autora
82
A partir de uma pré investigação descobrimos o quanto a temperatura da água
sobe se aquecer 500mL em 30s. A predição e a observação foram feitas em dois
momentos investigativos:
• Investigação 1- Dobrando o calor
• Investigação 2- Dobrando o calor e dobrando o volume da água Os dados colhidos
foram colocados na tabela a seguir.
Grandezas Pré Investigação
Investigação 1:
Duplicação do
calor
Investigação 2:
Duplicação de
calor e do volume
de água
Quantidade de
água 500 mL 500 mL 1.000 mL
Tempo de
aquecimento 30s 60s 60s
Temperatura final
Temperatura
inicial
Aumento da
temperatura
Tabela 6.2 de Dados do Questionário POE 4
Fonte: Elaborada pela autora
Na terceira etapa (explicação) foi pedido que os alunos relacionassem de que
maneira o aumento da temperatura varia dependendo da quantidade de calor e da
quantidade de água. Os alunos se mostraram mais interessados do que na semana anterior
e os experimentos transcorreram de maneira mais participativa. Os questionários POE
foram integralmente respondidos seguindo as etapas da metodologia. Para casa foi pedido
um resumo da página 14 até a página 19 do livro didático, conforme recursos utilizados,
que trata da medida de temperatura e escalas termométricas.
6.2.2 Atividade 2 - Medidas de Temperatura
29/05/19
2 aulas / 13 alunos presentes
• Roteiro experimentais POE 5 - Não precisa soprar!
83
A primeira aula foi de reforço do conceito de equilíbrio térmico e introdução do
conceito de dilatação das substâncias (propriedade de alterar suas dimensões-
comprimento, área ou volume ao sofrer uma mudança de temperatura), propriedade da
qual o termômetro “se aproveita” para dimensionar, com base na sua variação, a
temperatura de um corpo. Foram ressaltadas as características adequadas para uma
substância ser utilizada em um termômetro: líquidos que variem de volume linearmente
com a temperatura e não mudem de fase nos pontos de temperatura medidos.
Outro assunto exposto foi a relação e conversão entre as três principais escalas
termométricas: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Como nenhum aluno fez pergunta, foi
pedido que fizessem o exercício 1 da página 20 do livro didático. Nesse momento, foi
notado uma grande dificuldade por parte da maioria dos alunos em interpretar a questão,
montar e resolver a equação de primeiro grau, referente à conversão da escala Celsius
para Fahrenheit. Após a correção, foi pedido a realização do exercício 2, que resolveram
mais rápido. E na correção, foi esclarecido que o zero absoluto é 0K (-273,15ºC). A
aplicação do roteiro experimental POE 5 foi iniciada no segundo tempo de aula e, mais
uma vez, a montagem do experimento contou com materiais acessíveis, conforme a figura
6.8.
Figura 6.8 – Materiais Utilizados no Roteiro Experimental POE 5
Fonte: Elaborada pela autora
As perguntas norteadoras foram:
• Você sabe o que acontece ao ar quando é aquecido?
84
• A pressão nos pneus de carro é mais elevada após uma movimentação. Você sabe
por quê?
O questionário POE 5 contou com dois momentos investigativos:
• Investigação 1- Comportamento da bexiga quando a garrafinha é colocada em
água quente, morna e fria.
• Investigação 2- Funcionamento de um medidor de temperatura caseiro.
E, mais uma vez, os alunos demostraram dificuldades em fazer a relação entre as
escalas termométricas propostas na investigação 2: Celsius com uma escala fictícia
graduada de 25ºN (ponto de fusão) a 125ºN (ponto de ebulição). Por isso foi pedido, para
casa, que fizessem os sete exercícios restantes da página 20 do livro didático.
Ao final da aula, uma aluna perguntou: “Como funcionam os termômetros
digitais, já que os mesmo não tem líquidos?”. Foi dada a explicação de que eles se
baseiam em propriedades elétricas ou eletrônicas. A medida da temperatura é feita por
meio da variação de suas características elétricas como, por exemplo, os materiais cuja
resistência, aumenta de temperatura se há alteração (elevação) na temperatura deles.
Desse modo, de acordo com o valor da resistência é indicado um valor de temperatura.
Todos os alunos permaneceram no laboratório, mesmo depois do horário! Demostraram
que, apesar das dificuldades, curtiram a atividade.
6.2.3 Atividade 3 – Variação de Temperatura
05/06/19
2 aulas / 17 alunos presentes
• Roteiro experimentais POE 6 - Que calor é esse!
• Roteiro experimentais POE 7 - Qual substância é mais “quente”?
Os primeiros 30 minutos da primeira aula foram para a correção dos exercícios
relacionados as escalas termométricas que ficaram para casa. Em seguida, de forma
expositiva, foram explicados os conceitos de calor específico e capacidade térmica. Para
o conceito de calor específico foi utilizado o exemplo do livro didático: cozimento de
alimentos em panelas de ferro versus panela de vidro, em igual e diferente tempo de
85
exposição na chama de um fogão, como também sob variação de intensidade desta chama
e de quantidade de alimento.
Um dos alunos concluiu, em voz alta, que “calor específico e capacidade térmica
no fundo são a mesma coisa”, ganhando o apoio de outros alunos! Então foi preciso
retornar a explicação frisando que calor específico é uma grandeza associada ao material
ou substância de que é constituído um corpo ou objeto, que é uma característica específica
de cada substância. Já a capacidade térmica é uma grandeza associada ao corpo e
diretamente proporcional à sua massa. Outro aluno pediu uma explicação diferente, então
foi dito que calor específico é a quantidade necessária de calorias para aquecer 1grama
de determinada substância e fazer sua temperatura se elevar em 1ºC, enquanto capacidade
térmica relaciona a quantidade de calor fornecida a um corpo e a variação de temperatura
obtida.
Figura 6.9 – Montagem do Experimento POE 6
Fonte: Elaborada pela autora
A execução do roteiro experimental POE 6 foi realizada com muito entusiasmo,
com os alunos debatendo entre eles durante a etapa da previsão, onde predisseram a ordem
de estouro das bexigas ao aceder das velas, conforme figura 6.9. Os alunos que acertaram
na previsão comemoraram como se fosse um gol durante a etapa da observação. E a etapa
da explicação correu tranquila, com todos os alunos empenhados em dar uma explicação
argumentativa.
A predição e a observação do questionário POE 7 foram feitas em dois momentos
investigativos:
86
• Investigação 1- Predizer, observar e explicar qual substância “derrete” mais rápido
se, o óleo, a água ou os dois ao mesmo tempo.
• Investigação 2- Predizer, observar e explicar o que acontece com as temperaturas
dos líquidos quando dois cadeados aquecidos a 100ºC forem transferidos, um para
recipiente com água e outro para recipiente com óleo, ambos em temperatura ambiente.
Alguns alunos expressaram surpresa nas observações; outros alunos reclamaram
para justificarem as escolhas e darem as explicações, mas concluíram a etapa da
explicação de forma tranquila. Para casa foi solicitada uma pesquisa sobre efeito estufa,
aquecimento global e inversão térmica, com a finalidade de aproximar do cotidiano dos
alunos, além de interdisciplinar o conteúdo, por exemplo, com biologia e geografia.
6.2.4 Atividade 4 – Trocas de Calor
12/06/19
2 aulas / 16 alunos presentes
• Roteiro experimentais POE 8 - Troca troca de calor!
Figura 6.10 – Os segredos de uma garrafa térmica
Fonte: Elaborada pela autora
O primeiro tempo de aula começou com uma explicação do princípio de
conservação de energia: nas trocas de calor, o corpo que absorve ou recebe energia sofre
um acréscimo de temperatura; portanto, a variação da sua temperatura é positiva (Q>0).
87
Já o corpo que cede ou libera energia sofre umdecréscimo de temperatura; logo a variação
da sua temperatura é negativa (Q<0). Assim, quando dois ou mais corpos trocam calor
apenas entre si, a soma das quantidades de calor trocadas entre eles no equilíbrio térmico
é igual a zero. Aproveitando para falar do calorímetro, reforçando mais uma vez que
medir a temperatura (termômetro) não é o mesmo que medir o calor (calorímetro) trocado
entre objetos a temperaturas diferentes.
Alguns alunos sinalizaram que só agora perceberam que calor e temperatura são
“coisas” diferentes. Através de exposição dialogada foram discutidos os tipos de trocas
de calor: condução, convecção e radiação, e suas implicações no dia a dia utilizando a
pesquisa pedida na aula anterior. Foi bem interessante o envolvimento e as trocas entre
os alunos e a professora. Na etapa da previsão do questionário POE 8 foi solicitado que
os alunos escolhessem e justificassem qual a utilidade de uma garrafa térmica entre as
alternativas:
( ) Aquecer
( ) Resfriar
( ) Manter a temperatura.
A etapa da observação seria a princípio a fervura de uma amostra de água com
adição de corante mas, conforme a figura 6.11, a movimentação da massa de água foi
melhor visualizada sem o corante.
Figura 6.11 – Processo de Convecção na Fervura da Água
Fonte: Elaborada pela autora
88
Na etapa da explicação foi pedido que os alunos identificassem como ocorre a
transferência de calor entre:
1. Fogareiro, Becker e água?
2. Massas de água do fundo e da superfície do Becker?
3. Sua mão nas proximidades do fogareiro?
E na questão 4 foi pedido que explicassem o funcionamento da garrafa térmica.
Um aluno logo se ofereceu em pegar emprestado a garrafa térmica da secretaria,
registrada na figura 6.10. Todos fizeram questão de manuseá-la e começaram a identificar
que cada parte da garrafa térmica foi projetada para impedir a troca de calor com o
ambiente: tampa e suporte (isolantes); ampola de vidro (mau condutor) e vácuo entre as
paredes duplas evitam a condução e a convecção. Quando alguns começaram a entregar
os questionários POE, um aluno chamou atenção para o fato de a parede de vidro ser
espelhada! E depois de muita discursão e olhadas (“cola") no celular, chegaram à
conclusão que espelho é para evitar a troca de calor por irradiação, por ser um bom
refletor, ou seja, mau absorvedor e emissor de calor. Foi um dos roteiros mais curtidos
pelos alunos, que passaram do horário de novo.
Para casa, foi pedido que os alunos resolvessem os exercícios propostos da página
35 do livro didático, para que treinassem a equação do cálculo do fluxo de calor através
de um corpo, e também se familiarizassem com a grandeza coeficiente de condutividade
térmica (ou simplesmente condutividade térmica).
6.2.5 Atividade 5 – Dilatação Térmica
19/06/19
2 aulas / 16 alunos presentes
Roteiro experimental POE 9 - Como funciona um termostato?
A aula começou com a correção dos exercícios que ficaram para casa na aula
passada. Mais uma vez ficou evidente a dificuldade que muitos alunos têm na resolução
matemática. Porém, foi possível, através dos exercícios, mostrar que a condução de calor
é maior em materiais com elevada condutividade térmica como os metais (bons
89
condutores), o que não acontece com os materiais que têm baixos coeficientes de
condutividade térmica, chamados de isolantes, como madeira, papel, vidro comum, gelo.
Figura 6.12 – Execução do Roteiro Experimental POE 9
Fonte: Elaborada pela autora
Como a correção se estendeu um pouco, a aplicação do roteiro experimental 9
começou vinte minutos depois do previsto. Mas ocorreu de forma tranquila, com boa
participação e empenho dos alunos. Na etapa da predição foram dadas as opções abaixo
e feita a pergunta: Quais tiras você acha que vão dobrar?
( ) Folha de alumínio ( ) Papelão
( ) Isopor ( ) Caixinha de leite
( ) Plástico ( ) Pacote laminado
( ) Folha de alumínio + fita adesiva ( ) Folha de alumínio + fita transparente
( ) Todas
Na etapa da observação, registrada na figura 6.12, os alunos se surpreenderam
com os resultados, principalmente da caixinha de leite e papel laminado. Como foram
cortadas tiras dos materiais em excesso, os alunos puderam visualizar o efeito do calor
nos dois lados dos materiais, principalmente naqueles formados por dupla lâmina. Na
etapa da explicação ocorreu a indagação: “Qual (is) tira (s) você acha que poderia (m) ser
usada (s) em um termostato? E por quê?”.
90
De novo houve uma “cola” da internet, mas agora permitida pela professora, para
entenderem o funcionamento do termostato e daí escolher. Ainda houve uma discussão,
aberta pelos alunos, do porquê de o isopor derreter e o plástico queimar. Para casa foi
pedido que os alunos fizessem um resumo no caderno dos tipos de dilatação térmica:
linear, superficial e volumétrica.
6.2.6 Atividade 6 – Mudanças de fase
Parte 1- 26/06/19
2 aulas / 18 alunos presentes
• Roteiro experimentais POE 10 - A Sensibilidade do Calor
A aula iniciou com a explanação dos tipos de dilatação térmica (correção do para
casa). Em seguida se revisou de forma expositiva dialogada os conceitos de calor sensível
e calor específico, como também a equação fundamental da calorimetria e capacidade
térmica. Na etapa da previsão do questionário POE 10 foi perguntado “quem aquece mais
rápido, a água, o óleo ou se levarão o mesmo tempo?” Todos os alunos responderam de
maneira bem rápida, inclusive justificando. Na etapa seguinte eles observaram o tempo
que levou para cada líquido atingir 50ºC, registrado na figura 6.13.
Figura 6.13 – O tempo para Chegar a 50º
Fonte: Elaborada pela autora
91
Em outra exposição dialogada se falou do conceito de calor latente e sua relação
com as temperaturas fixas de mudança de fase (ponto de fusão e ponto de ebulição). Foi
feita uma revisão dos processos envolvidos nas mudanças de estados físicos, chamando
a atenção para o processo de vaporização que, dependendo de como ocorre, pode ser
chamado de evaporação, ebulição ou calefação. Os alunos se mostraram um pouco
cansados diante de tantos termos e significados científicos, então o roteiro experimental
POE 11, que seria aplicado nesta aula, foi adiada para a seguinte. E como tarefa de casa,
o pedido foi uma pesquisa sobre diagrama de fases.
Parte 2- 03/07/19
2 aulas / 18 alunos presentes
• Roteiro experimentais POE 11- Temperaturas Fixas da Água
• Roteiro experimentais POE 12 - Fervendo Água e Óleo
A aula iniciou com uma explanação sobre diagrama de fases (correção do para
casa), frisando a diferença entre vapor e gás. Os alunos, a princípio, demostraram
dificuldade em aceitar que as substâncias atinjem temperaturas maiores que seu ponto de
ebulição. O roteiro experimental POE 11 foi iniciado e a etapa da previsão do questionário
contou com três indagações:
1. Quando colocamos batatas para cozinhar, após algum tempo o que acontece com
água?
2. Por que isso acontece?
3. Dizem que o cozimento é melhor quando adicionamos sal. Você, concorda ou
discorda?
E já na primeira etapa os alunos sentiram dificuldades em explicar o efeito da
adição de sal para o cozimento. Mais uma vez, os alunos buscaram ajuda (“cola”) na
internet. A professora teve que intervir lembrando que eles não seriam avaliados por
acertos e erros. Demoraram mais do que o normal para responder essa etapa do
questionário POE. Na etapa seguinte foi pedido que os alunos observassem a temperatura
de aquecimento de uma amostra de água a cada 2 minutos, conforme a tabela abaixo. E,
principalmente o seu valor após 12 minutos, quando foi adicionado 40g de salde cozinha.
92
Tempo (minutos) Temperatura Água (º C)
0
2
4
6
8
10
12
Após adição de sal de cozinha
Tabela 6.3 de Aquecimento de uma Amostra de Água
Fonte: Elaborada pela autora
Foi possível ver três alunos rasurando a previsão após a alteração observada com a adição
do sal de cozinha na amostra, conforme figura 14, sendo necessária nova intervenção da
professora pedindo que voltassem com a previsão anterior.
Figura 6.14 – Efeito do Sal de Cozinha na Variação de Temperatura
Fonte: Elaborada pela autora
A etapa da explicação foi um pouco complexa porque deu para perceber que
alguns alunos ainda tinham dificuldades em construir o gráfico pedido usando os dados
da tabela, principalmente porque não entendiam e nem sabiam traçar a reta com os valores
repetidos de temperatura (ponto de ebulição da água). Isso fez com que a professora
auxiliasse esses alunos mais de perto.
93
E finalizando a sequência didática, em grande estilo, deu-se início ao roteiro
experimental POE 12, que é uma adaptação do roteiro original dos desenvolvedores da
metodologia POE, Richard White e Richard Gunstone, que começa com as perguntas:
• O preparo de um bife é mais rápido no óleo ou na água?
• Quem entra em ebulição primeiro– o óleo, a água ou os dois ao mesmo tempo?
Após todos os alunos responderem à etapa da predição, diga-se de passagem,
rápidos de novo, iniciou-se a etapa da observação que foi acompanhar o aquecimento de
uma amostra de água e outra de óleo com temperaturas iniciais iguais, conforme figura
6.15.
Figura 6.15 – Aquecimento das Amostras de Água e Óleo
Fonte: Elaborada pela autora
Enquanto a temperatura do óleo não parava de subir, a temperatura da água
estacionou em 101ºC logo após abrir fervura e ela começou a evaporar. Nesse momento
a maioria dos alunos se deu conta de que suas previsões não se confirmaram e começaram
novamente as tentativas de mudar as respostas da previsão. Após adverti-los mais uma
vez, a professora chamou a atenção para o fato de começar a sair fumaça da amostra de
óleo, o que levou muitos a dizer que ele também tinha entrado em ebulição, sem prestar
atenção no fato de que a sua temperatura continuava a subir. Devido ao perigo de
explosão, a observação foi encerrada e a questão proposta deixada para ser discutida e
resolvida na próxima etapa.
A etapa da explicação já iniciou com intenso debate, ainda mais porque pedia para
os alunos tentarem explicar a diferença entre fritar e ferver usando suas ideias sobre os
94
tipos de calor. Surpreendentemente, circulando pelo laboratório, se ouvia corretamente o
emprego dos conceitos de calor específico, sensível e latente, como também colocações
desastrosas que serão analisadas e discutidas no próximo capítulo. Mais uma vez a
discussão passou do horário, ainda bem que a aplicação da sequência didática ocorreu nos
últimos horários da professora e da turma!
6.3 Entrega dos Dicionários Confecionados
11/07/2019
19 alunos presentes
Conforme combinado, todos os alunos confecionaram um dicionário com os conceitos
trabalhados e afins, em que a maioria entregou manuscritos, conforme figura 6.16.
Figura 6.16 – Dicionários de Conceitos Térmicos
Fonte: Elaborada pela autora.
6.4 Aplicação Pós Teste
11/07/2019
19 alunos presentes
95
Novamente foi aplicada a versão em português do questionário pré-teste com 26
questões de Yeo e Zadnik (2001) para averiguar o conhecimento dos alunos em relação
aos conteúdos da Calorimetria após aplicação da sequência didática, conforme figura
6.17.
Figura 6.17 – Aplicação do Pós-Teste
Fonte: Elaborada pela autora.
Os alunos novamente tiveram uma hora para responder o questionário, sendo que
o primeiro a devolver o teste levou 13 minutos para solucionar as questões e o mais
demorado, 35 minutos. A média de tempo de resolução da avaliação foi de 22 minutos.
Durante a aplicação alguns alunos perceberam que era o mesmo teste, outros diziam não
se lembrar.
96
Capítulo 7
ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
A análise quantitativa e qualitativa das respostas dos alunos será apresentada
(algumas explicações são mencionadas, mas não creditadas), com todas as etapas de
cada um dos doze roteiros experimentais POE que compõem o produto educacional
deste trabalho e com os dados coletados por meio dos questionários aplicados antes e
depois da sequência didática.
7.1 ATIVIDADE 1- Conceitos Básicos da Calorimetria
16 alunos presentes
7.1.1 Roteiro Experimental POE 1- Você pode dizer a diferença?
Resposta a pergunta norteadora
O calor foi associado, corretamente, a uma forma de energia em trânsito por sete
alunos (43,75%), conceituando-a como energia trocada entre corpos em diferentes
temperaturas; cinco alunos (31,75%) afirmaram que calor e temperatura elevada são a
mesma coisa; um aluno (6,25%) associou calor à sensação térmica; três alunos (18,75%)
não responderam. Para o conceito de temperatura, cinco alunos (31,75%) a associaram à
energia interna; três alunos (18,75%) afirmaram ser um indicador de energia cinética; três
alunos (18,75%) descreveram como medida do calor ou frio recebido pelo corpo; um
aluno (6,25%) afirmou que temperatura é uma agitação de um corpo; um aluno (6,25%)
disse ser um indicador de energia; e houve três abstenções (18,75%). A associação com
energia interna (energia cinética + energia potencial) leva a crer que para estes alunos a
temperatura é a medida da energia total de um corpo e não do grau de agitação (energia
cinética) das moléculas que o compõe.
7.1.1.a Predição
Em relação ao aumento da temperatura com o aumento do calor da fonte, onze
alunos (68,75%) afirmaram que dobrando o calor da fonte a temperatura também iria
dobrar; dois alunos (12,50%) disseram que como os palitos de fósforos iriam queimar
juntos, não haveria aumento de temperatura; e três alunos (18,75%) não deram as suas
razões, apesar de preencherem com o valor dobrado da temperatura.
97
Investigação 1: Descobrir o quanto a temperatura de 10mL de água da torneira sobe
quando é aquecida com o calor de um fósforo.
7.1.1.b Observação 1
01palito de fósforo - Todos os alunos (100%) assinalaram os seguintes valores:
Temperatura de início: 26 ºC.
Temperatura final: 40 ºC.
Aumento de temperatura: 14 ºC.
Investigação 2: Descobrir se há alguma diferença quando usado o calor de dois fósforos.
7.1.1.bb Observação 2
02 palitos de fósforo - Todos os dezesseis alunos (100%) assinalaram os seguintes
valores:
Temperatura de início: 26 ºC.
Temperatura final: 45 ºC.
Aumento de temperatura: 19 ºC.
7.1.1.c Explicação
Para cinco alunos (31,25%) o aumento da temperatura com a adição de calor
(palito de fósforo) foi o esperado. Já sete alunos (43,75%) disseram que a observação não
foi a que esperavam porque a temperatura não dobrou. Dos sete, 04 alunos (25%)
disseram que não haveria mudança na temperatura se dobrasse o volume da água e a
quantidade de calor fornecida; dois (12,50%) afirmaram que iria diminuir, insinuando
equilíbrio térmico; e um (6,25%) respondeu que a temperatura dobraria sem dar
justificativa; houve quatro abstenções (25%).
7.1.2 Roteiro Experimental POE 2 – Quente ou Frio?
Resposta a pergunta norteadora
Todos os alunos (100%) afirmaram perceber alguma diferença entre pisar
descalço no tapete e no piso de azulejo. Destes nove alunos (56,25%) justificaram
explicando corretamente que o piso de azulejo é um bom condutor de frio. Outros seis
98
(37,50%) deram como explicação o fato do tapete e o piso de azulejo estarem em
temperaturas diferentes. E um aluno (6,25%) afirmou que o tapete era bom condutor de
frio.
Investigação: Descobrir qual dos carrinhos está mais quente?
7.1.2.a Predição
Um aluno (6,25%) disse que o mais quente era o carrinho de metal porque absorve
mais temperatura; e outro aluno (6,25%) respondeu que os dois carrinhos estavam
igualmente quentes, pois o metal absorve muito mais calor. Mas a grande maioria,
quatorze alunos (87,5%), afirmaram que o carrinho de plástico estaria mais quente do que
o carrinho de metal, levados pela memória térmica sensitiva, ignoraram completamente
que os dois carrinhos estavam em temperatura ambiente (equilíbrio térmico). Dentre
destes: três alunos (18,75%) disseram que era porque o plástico conduz melhor o calor;
dois alunos (12,50%) que o plástico adquire mais calor; outros dois alunos (12,50%) que
o metal absorve mais temperatura; mais dois alunos (12,50%) que o plástico é mais fácil
de ficar em temperatura ambiente; um aluno (6,25%) disse a mesma coisa para o metal;
mais um aluno (6,25%) respondeu que é porque o plástico era um material com
temperatura mais elevada, enquanto outro aluno (6,25%) disse que o metal é um objeto
frio; mais um aluno (6,25%) respondeu que o plástico é mais resistente ao calor; e o último
aluno (6,25%) afirmou que o metal na temperatura ambiente conduz mais facilmente o
frio.
Essa predição expõe concepções erradas do senso comum, como: tratamento
extensivo para temperatura e intensivo para o calor; calor entendido como uma
substância, uma espécie de fluido; temperatura definida como medida do calor de um
corpo; calor associado a temperaturas altas; estabelecimento da temperatura como
propriedade dos corpos, não pensando em equilíbrio térmico; calor como propriedade dos
corpos quentes e o frio como propriedade contrária; conceitos de calor e temperatura
usados como sinônimos; atribuição de propriedades macroscópicas às partículas. Os
alunos não relacionaram o estado de equilíbrio térmico com temperatura constante, pois
entendem que as colisões internas entre as partículas do corpo, necessariamente, vêm
acompanhadas de aquecimento do mesmo. Mas se assim fosse, ocorreria uma produção
contínua de calor, o que violaria o próprio equilíbrio térmico, que estamos supondo
99
existir. Portanto, o entendimento adequado do equilíbrio térmico é um dos aspectos mais
relevantes para a compreensão dos conceitos de calor e temperatura.
7.1.2.b Observação
Temperatura dos carrinhos verificada por todos os dezesseis alunos (100%): 28°C.
7.1.2.c Explicação
Para um aluno (6,25%) suas previsões estavam de acordo com a observação
realizada, os dois carrinhos estavam a 28°C porque materiais diferentes possuem
comportamentos diferentes em relação ao calor, diferentes sensações térmicas, apesar das
suas moléculas estarem no mesmo grau de agitação; um aluno (6,25%) respondeu: “Nada
a dizer.” E, apesar de quatorze alunos (87,50%) afirmarem que suas previsões estavam
erradas, somente um aluno (6,25%) explicou com mais cuidado as suas observações:
“Que tanto o de plástico quanto o de metal têm a mesma temperatura, pois estão na
temperatura ambiente. E o metal por ser bom condutor de calor, quando entra em contato
com o corpo humano ele parece mais frio, porque ocorre um fluxo de energia térmica
(calor) do corpo humano (36,5ºC) para o carrinho de metal (28ºC).
O que não ocorre com carrinho de plástico, cujo material é isolante, ou seja
bloqueia a transferência de calor, dando a sensação de ser mais quente quando comparado
ao metal.” Sete alunos (43,75%)disseram que os dois carrinhos estavam a mesma
temperatura ambiente, sendo que: um aluno (6,25%) afirmou que a temperatura não se
altera, deixando subentendido que o sistema (tudo no ambiente) estava em equilíbrio
térmico; três alunos (18,75%) não explicaram porque os carrinhos parecem estar em
temperaturas diferentes; quatro alunos(25,00%) falaram da sensação térmica sem
relacioná-la ao tato, como se fosse uma propriedade intensiva. E os outros seis alunos
(37,50%) estabeleceram a temperatura como propriedade dos corpos, equilíbrio térmico
como propriedade do sistema, mas também não explicaram por que, ao tocar os carrinhos,
as sensações são diferentes.
Ficou implícita a necessidade de associação às propriedades que os objetos
possuem: “metal é frio”, “plástico é quente”, “metal conduz o frio”, “o metal deixa o calor
entrar e sair mais facilmente que o plástico”.
100
7.1.3 Roteiro Experimental POE 3 - Temperatura Perfeita Para Banho
Resposta a pergunta norteadora
Mistura de 1 copo d’água quente (50°C) e 1 copo de d’água fria (10°): dez alunos
(62,50%) responderam que a temperatura final será 40°C; para dois (12,50%) a
temperatura atingida é 45ºC; um aluno (6,25%) respondeu 35°C; outro (6,25%) disse que
seria 30°C; mais um aluno (6,25%) afirmou ter chutado 20°C; e houve uma abstenção
(6,25%).
Investigação: Misturar quantidades diferentes de água quente (72°C) e fria (20°C).
7.1.3.a Predição
Mistura de um copo de água quente e um copo de água fria: dez alunos (62,50%)
previram 46°C, fazendo a média das temperaturas; para três (18,75%) alunos a
temperatura final seria 49°C, justificando que o valor da temperatura alta não cai muito
porque a outra temperatura, em comparação, é muito baixa; dois alunos (12,50%)
disseram ter chutado 40°C; e houve uma abstenção (6,25%).
Soma de dois copos de água quente com um copo de água fria: cinco (31,25%)
alunos previram que a temperatura final seria 54,6°C, calculando a média das
temperaturas (72 + 72 + 20 / 3); sete alunos (43,75%) disseram que seria 60°C, fazendo
a soma da média com 10% do valor médio das temperaturas; um aluno (6,25%) afirmou
ter chutado 49°C; Dois alunos (12,50%) disseram que tentando fazer algumas contas, que
não demostraram, chegaram nos valores de 132°C e 170ºC, respectivamente; e o último
aluno (6,25%) respondeu que chutou 144°C.
Adição de dois copos de água quente e dois copos de água fria: dez alunos
(62,50%) responderam que a temperatura final seria 46°C, usando a mesma lógica da
primeira mistura (a); três alunos (18,75%) previram 49°C, seguindo a lógica que usaram
na primeira mistura; dois alunos (12,50%) afirmaram ter feito algumas contas, que não
demostraram, chegando no valor de 75°C; e outro aluno (6,25%), com a mesma
justificativa anterior, respondeu que seria 84ºC.
E finalmente, mistura de dois copos de água quente com três copos de água fria:
seis alunos (37,50%) previram 41°C, calculando a média das temperaturas (72 + 72 + 72+
20 + 20 / 5); três alunos (18,75%) disseram que seria 50°C, afirmando ter usado a lógica
101
não explicada; outros três alunos (18,75%) a temperatura final será 36°C porque a
temperatura vai ficar variando; os últimos quatro alunos (25,00%) afirmaram ter chutado,
sendo que: dois (12,50%) predisseram 85°C; um (6,25%) disse 90°C; outro (6,25%)
respondeu 111°C.
Percebe-se que a maioria dos alunos entendem que o fluxo de calor ocorre do
corpo com temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura e que o valor da
temperatura final é intermediário às temperaturas dos corpos envolvidos. Que a
quantidade de matéria (volume) influencia na variação de temperatura dos corpos e na
temperatura de equilíbrio térmico.
7.1.3.bb Observação
Todos os dezesseis alunos (100%) assinalaram:
• 01 copo de água quente e 01 copo fria: 46°C
• 02 copos de água quente e 01 copo fria: 55°C
• 02 copos de água quente e 02 copos fria: 46°C
• 02 copos de água quente e 03 copos fria: 41°C
7.1.3.c Explicação
Nove alunos (56,25%) disseram que as observações não foram as esperadas,
dentre eles: sete alunos (43,75%) afirmaram pensar que bastava tirar a média das
temperaturas; um aluno (6,25%) justificou dizendo ser necessário o uso de termômetro;
e outro aluno (6,25%) que a temperatura não é sempre a mesma. Um aluno (6,25%)
respondeu mais ou menos porque as duas primeiras leituras ficaram acima e as duas
temperaturas finais dentro do que esperava. Os seis alunos restantes (37,50%)
responderam que as observações foram as esperadas, sendo que: dois (12,50%) não
justificaram e quatro (6,25%) afirmaram que a observação: “que, quando se trata da
mesma substância, a variação da temperatura também depende das suas massas. E que o
equilíbrio térmico acontece quando todas as moléculas têm a mesma agitação
(temperatura).”
Quando perguntados quão boas foram as suas previsões e se poderiam encontrar
uma maneira de calcular a temperatura da mistura, as respostas foram: seis alunos
(37,50%) acharam que suas previsões foram boas porque chegaram nos resultados
102
observados, somando e dividindo as temperaturas (tirando a média); outros sete alunos
(43,75%) deram a mesma solução, mas avaliaram suas previsões como mais ou menos
(erraram nas misturas b e d), porque não sabiam que o volume (quantidade de matéria)
influenciava na temperatura final (variação) da mistura, já que tinham visto em outro
experimento que a temperatura (grau de agitação das moléculas) de uma amostra não
depende da quantidade analisada; dois alunos (12,5%) registraram que não conseguem
formular uma maneira de calcular a temperatura da mistura, mesmo depois das
observações; e houve uma abstenção (6,25%).
Os seis alunos que previram corretamente as observações demostraram ter
consolidado, com os experimentos, o conceito de equilíbrio térmico, empregando de
maneira satisfatória os conceitos de temperatura e calor. Mas o ganho maior foi com os
sete alunos que viram na prática que a influência da quantidade de matéria (massa,
volume) é na variação de temperatura (final – inicial) e que equilíbrio térmico significa
situação em que todas as moléculas das sustâncias de um sistema estão com o mesmo
grau de agitação, ou seja, temperatura e que isso ocorre naturalmente devido ao fluxo de
calor (energia térmica) do corpo de maior temperatura para o corpo de temperatura mais
baixa.
7.1.4 Roteiro Experimental POE 4 - Investigando o Calor da Eletricidade
Pré investigação – Medir a temperatura inicial e após 30s de aquecimento de 500ml de
água.
Todos os dezesseis alunos (100%) assinalaram os seguintes valores:
• Temperatura de início: 26 ºC.
• Temperatura final: 42 ºC.
• Aumento de temperatura: 16 ºC.
Investigação 1: Dobrar o calor (60s).
7.1.4.a Predição 1
Para um volume constante, nove alunos (56,25%) predisseram que a temperatura
final sofre uma pequena variação quando dobramos o tempo de aquecimento da amostra.
Prevendo como temperaturas finais: 30°C (sete alunos), 33°C (um aluno) e 35°C (um
aluno) justificando que o aumento no tempo de aquecimento (30s) seria pequeno. Dois
103
alunos (12,50%) disseram que a temperatura, praticamente dobraria, porque o tempo de
aquecimento dobrou: 50°C (um aluno), 55°C (um aluno). Outros três alunos responderam
que a temperatura final seria 45°C, justificando que água iria esquentar mais. E para os
três últimos alunos (18,75%) a temperatura triplicaria, chegando a 78°C, porque a
temperatura ambiente já era 26°C, dando a entender que para cada 30s de aquecimento,
o aumento na temperatura seria de 26°C. Sendo que foi medido e assinalado na ficha,
antes da predição, o aumento de 16°C após 30s, conforme na tabela abaixo. Mesmo que
a maior parte (nove alunos) predisse valores próximos ao esperado (32°C) nenhum aluno
mencionou que a medida dobrada é da diferença das temperaturas (final – inicial) e não
da temperatura.
Investigação 2: Dobrar o calor e o volume da água (60s; 1000mL).
7.1.4.aa Predição 2
Sete alunos (43,75%) predisseram que a temperatura final seria 45°C, justificando
que houve aumento tanto no volume de água quanto no tempo de aquecimento,
aproximando do valor correto 42ºC; quatro alunos (25%) disseram 50°C, porque o
volume e o tempo tiveram o mesmo aumento (dobraram), mas a temperatura não
chegariaa dobrar porqueo volume de água seria muito grande parao pouco tempo de
aquecimento; três alunos (18,75%) falaram 30°C, porque pelo acréscimo de volume de
água, um minuto de aquecimento praticamente não alteraria a temperatura; e dois alunos
(12,50%) disseram ter “chutado” 80°C.
7.1.4.b Observação
Todos os dezesseis alunos (100%) assinalaram os seguintes valores:
Grandezas
Pré
investigação
Investigação 1:
Duplicação
do calor
Investigação 2:
Duplicação do calor
e do volume de água
Quantidade de água 500 mL 500 mL 1000 mL
Tempo de
aquecimento 30s 60s 60s
Temperatura final 42ºC 59ºC 42ºC
Temperatura inicial 26ºC 26ºC 26ºC
Aumento da
temperatura
16ºC
33ºC
16ºC
104
7.1.4.c Explicação
Seis alunos (37,5%) afirmaram que já esperavam os resultados obtidos. Isso não
ocorreu para nove alunos (56,25%), em que 37,5% (seis alunos) achou que o aumento da
temperatura foi bem maior que imaginava. Houve uma abstenção (6,25%). E um aluno
(6,25%) respondeu que: “com o dobro de água não muda a temperatura”, dando a
entender que queria dizer que: o aumento de temperatura foi o mesmo quando ocorreu a
mesma variação (dobra) no volume e tempo de aquecimento.
Sete alunos (43,75%) responderam que quanto menor a quantidade de água mais
rápido ela esquenta; outros seis (31,25%) disseram que se a quantidade de água for menor
maior será a temperatura alcançada; um aluno (6,25%) se absteve; outro (6,25%)
respondeu que se tiver uma quantidade de água grande o valor da temperatura não cresce;
e o último (6,25%) afirmou que: “para obter uma temperatura alta, precisa elevar a
quantidade de calor.” Ou seja, nenhum aluno, mesmo com a tabela preenchida, concluiu
que dobrando o tempo de aquecimento e a massa, o aumento da temperatura é o mesmo
(raciocínio quantitativo). Também não concluíram que calor é uma propriedade extensiva
da matéria, isto é, dependente ou proporcional à massa do corpo (ou volume) e pode ser
definido como sendo a energia transferida de um sistema a outro, quando existe uma
diferença de temperatura. E a temperatura é uma propriedade intensiva, ou seja,
independente da massa ou volume.
7.2 ATIVIDADE 2 - Medidas de Temperatura
13 alunos presentes
Roteiro Experimental POE 5 - Não precisa soprar!
Resposta a pergunta norteadora
Para oito alunos (61,54%) o ar fica quente quando é aquecido; três alunos
(23,08%) declararam não saber o que acontece; e dois alunos (15,38%) relacionaram o
aumento da temperatura com o aumento do grau de agitação das moléculas do ar. Em
relação ao aumento da pressão nos pneus de carro após movimentação, três alunos
(23,08%) responderam que a pressão aumentou devido ao aumento da temperatura; três
alunos (23,08%) disseram não saber o porquê; dois alunos (15,38%) afirmaram que o
motivo era o calor vindo do chão; três alunos (23,08%) relacionaram ao aumento da
movimentação das moléculas e consequentemente maior o contato entre elas; um aluno
105
(7,69%) disse que era por causa da força e outro aluno (7,69%) afirmou que quando o
carro está em movimento ele fica mais pesado.
Investigação 1: Observar o comportamento de uma bexiga usada para fechar a boca de
uma garrafinha mergulhada na água morna; na água quente; e na água gelada.
Investigação 2: Funcionamento de um medidor de temperatura caseiro.
7.2.a Predição
Água morna: Seis alunos (46,15%) afirmaram que a bexiga iria murchar; seis alunos
(46,15%) que não aconteceria nada; e um aluno (7,69%) que iria encher um pouco.
Água quente: Sete alunos (53,85%) afirmaram que a bexiga iria encher; seis alunos
(46,15%) que ela iria estourar.
Água gelada: Sete alunos (53,85%) responderam que a bexiga iria murchar; dois alunos
(15,38%) que iria murchar mais do que na água morna; um aluno (7,69%) afirmou que
iria encher sem estourar; um aluno (7,69%) que nada aconteceria; um aluno (7,69%)
disse que a bexiga iria esvaziar e houve uma (7,69%) abstenção.
Justificativas: para quatro alunos (30,77%) a variação de volume é devido a variação de
temperatura, mas sem relacioná-la com o movimento das moléculas de ar dentro da
bexiga; quatro alunos (30,77%) se abstiveram; dois alunos (15,38%) responderam que a
bexiga iria encher devido ao vapor da água quente, dando a entender que o mesmo quando
aquecido atravessa a parede da bexiga e não a energia térmica pela diferença de
temperatura; dois alunos (15,38%) que o calor esquentaria a bexiga, sem dar mais
detalhes; e para um aluno (7,69%) seria porque as moléculas entram em agitação
aumentando a temperatura e a bexiga estoura, contrariando o modelo cinético molecular.
7.2.b Observação
Água morna: Seis alunos (46,15%) - bexiga murchou; quatro alunos (30,77%)
marcaram a temperatura – 32°C; um (7,69%) - esvaziou um pouco; um (7,69%) – não
houve alteração; um (7,69%) – abstenção.
Água quente: Sete alunos (53,85%) - bexiga encheu; quatro alunos (30,77%)
marcaram a temperatura – 67°C; um (7,69%) – bexiga subiu devido ao vapor; um (7,69%)
– abstenção.
Água gelada: Oito alunos (61,54%) - marcaram a temperatura – 08°C; dois alunos
(15,38%) – bexiga murchou; dois alunos (15,38%) – esvaziou totalmente; um (7,69%) –
abstenção.
106
Nota: Temperatura Ambiente: 27ºC (verificada e anotada por todos os alunos).
7.2.c Explicação 1
Quatro alunos (30,77%) disseram que a observação foi a esperada, sendo que dois
alunos (15,38%) afirmaram não conseguir explicar, um aluno (7,69%) já tinha visto o
experimento sem dar a explicação; uma abstenção (7,69%). Para nove alunos (69,23%) a
observação não foi a esperada, dentre eles: três alunos (23,08%) descreveram as
observações sem explicá-las; três alunos (23,08%) disseram que a diferença nas
temperaturas da água fazia a bexiga reagir de maneiras diferentes, murchando na água
gelada e enchendo na água quente, deixando subentendido a relação direta entre
temperatura e volume; três alunos (23,08%) explicaram que o ar dentro da bexiga se
expande (ocupa mais espaço) quando na água quente (maior temperatura) e contrai
(diminui volume) quando colocado na água gelada (temperatura mais baixa), fazendo,
corretamente, uma relação direta entre temperatura e volume.
7.2.cc Explicação 2
Dois alunos (15,38%) declararam não saber se o medidor de temperatura caseiro
funcionaria porque a garrafa em água morna ficaria em temperatura ambiente,
esquecendo que sua funcionalidade ocorre no contato com outro objeto (equilíbrio
térmico); dez alunos (76,92%) responderam que funcionaria, sendo que seis deles
(46,15%) afirmaram que na água morna, o líquido (água) colorido dentro da garrafa
subiria pelo canudo porque o ar dentro dele, igual na bexiga, iria expandir (subir) dando
lugar para o líquido colorido, sem mencionar a ação do empuxo; outros três alunos
(23,08%) disseram que a cor do líquido mudaria porque o corante iria se decompor,
mostrando total mudança do foco; e um aluno (7,69%) disse não saber como funcionaria.
Três alunos (23,08%) disseram não poder melhorar o medidor de temperatura caseiro; um
aluno (7,69%) não respondeu; nove alunos (69,23%) afirmaram poder melhorar o
medidor de temperatura caseiro, sendo que seis alunos (46,15%) também acreditam poder
transformá-lo em termômetro, sugerindo colocar uma escala no canudo para medir a
temperatura depois de estabelecer uma relação com o volume do líquido que sobe nele;
os outros três alunos (23,08%) não explicaram como.
Somente seis alunos (46,15%) acertaram a conversão da escala Celsius para a
escala hipotética (Nayra); três alunos (23,08%) não apresentaram os cálculos; outros
107
quatro alunos (30,77%) apesar de montar a equação de conversão certa erraram na
resolução matemática, encontrando o valor 10ºN quando deveria ser 60ºN.
7.3 ATIVIDADE 3 - Variação de Temperatura
7.3.1. Roteiro Experimental POE 6 - Que calor é esse!
13 alunos presentes
Resposta a pergunta norteadora
Um aluno (7,69%) disse não ter percebido o fato acima; doze alunos (92,31%)
afirmaram que sim, sendo que: três alunos (23,08%) não justificaram; sete (53,85%)
alunos responderam que o fenômeno acontece porque devido ao calor, a temperatura e
correntes marítimas a água sobe e fica mais próxima da linha do equador, mostrando
displicência com a resposta; um aluno (7,69%) respondeu: “porque o sol esquenta a areia
mais rápido que a água, portanto de dia a areia esquenta e de noite a areia do fundo do
mar que retêm calor esquenta a água”; um outro aluno (7,69%) disse: “por conta da
temperatura do ar à noite a água fica quente e a areia fica fria (gelada)”. Portanto nenhum
aluno conseguiu relacionar o conceito de calor específico com a situação cotidiana.
Investigação: Verificar o aquecimento de três bexigas de aniversário, uma com álcool,
outra com água e uma terceira bexiga com areia.
7.3.1.a Predição
Dois alunos (15,38%) predisseram que a primeira bexiga a estourar seria com
areia, segunda seria com álcool e por último a bexiga com água, porque a areia esquentaria
mais rápido; um outro aluno (7,69%) disse que a bexiga com areia não estouraria, ao
contrário das outras duas, porque estava no estado sólido; três alunos (23,08%) afirmaram
que a bexiga com água não iria estourar, ao contrário das outras duas, só iria aquecer; dois
alunos (15,38%) responderam que as três bexigas estourariam porque iriam ficar quentes;
e cinco alunos (38,46%) responderam que a bexiga com álcool estouraria primeiro porque
é o mais inflamável, segunda seria com areia e por última com água que “aguenta” uma
temperatura maior.
A maioria dos alunos reconhece que a bexiga com água, quando aquecida, não
estoura e/ou demora mais tempo, mas se confundem na propriedade que lhe confere esta
característica: o seu elevado calor específico, propriedade específica que difere os
108
materiais quanto a variação de temperatura, para uma mesma massa e quantidade de calor
recebido ou cedido.
7.3.1.b Observação
Todos os treze alunos (100%) observaram e anotaram que:
Primeira bexiga a estourar - com areia Segunda bexiga a estourar - com álcool Terceira
bexiga a estourar - com água
7.3.1.c Explicação
Seis alunos (46,15%) responderam que a observação foi a esperada; e os outros
sete alunos (53,85%) disseram que não, sendo que: seis alunos (46,15%) achavam que a
primeira a estourar seria a bexiga com álcool por ser um material inflamável; e um aluno
(7,69%) não explicou. Sete alunos (53,85%) afirmaram que a bexiga com areia estourou
primeiro porque a areia é condutora de calor melhor respectivamente, que o álcool e a
água e por isso a areia da praia esquenta e esfria mais rápido que a água do mar,
esquecendo que a condução de calor está relacionada com o transporte de energia e não
com a capacidade de variação de temperatura; três alunos (23,08%) explicaram que o
resultado obtido foi influenciado pela resistência ao fogo que alguns materiais têm, como
a água; e dois alunos (15,38%) explicaram corretamente que a diferença do calor
específico (propriedade específica de cada material) influenciou no resultado e que no
caso da praia a areia esquenta (de dia) e esfria (de noite) mais rápido porque possui calor
específico menor que água, ou seja, a variação de temperatura da água é menor quando
recebe ou perde uma mesma quantidade de calor por unidade de massa.
Dois alunos entenderam que o calor específico da água é maior do que da areia,
sendo mais difícil o seu aquecimento durante o dia ou resfriamento durante a noite. Ou
seja, pensaram no calor específico como uma medida de “resistência” de uma substância
a mudar de temperatura quando troca calor.
7.3.2 Roteiro Experimental POE 6 - Qual substância é mais “quente”?
17 alunos presentes
Resposta a pergunta norteadora
Somente um aluno (5,88%) disse que as capacidades térmicas das substâncias são
iguais; os dezesseis alunos restantes (94,12%) afirmaram achar que existe diferença entre
109
aquecer a cama com garrafas de água quente ou rocha (minérios) quente, sendo que: para
cinco alunos (29,41%) a diferença está no calor específico de cada substância; a
capacidade térmica foi citada por quatro alunos (23,53%); dois alunos (11,76%)
predisseram que a rocha demoraria mais tempo para esquentar, mais esquentaria mais
rápido a cama; um aluno (5,88%) deu como justificativa o fato de serem substâncias
diferentes; outro aluno (5,88%) achava que água tem mais facilidade em esquentar e em
transmitir calor; mais um aluno (5,88%) disse que “a rocha tem uma propriedade de calor
mais necessária”; o penúltimo aluno (5,88%) relacionou o calor específico (de cada
substância) à diferença nas capacidades térmicas, mas afirmou que ele forneceria
substância para haver agitação das moléculas; e o último aluno (5,88%) achou que a pedra
esquenta mais rápido que a água, pois seu calor específico é maior.
Investigação 1: “Derreter” água e óleo
7.3.2.a Predição 1
Para dez alunos (58,82%) o óleo derrete mais rápido, destes: quatro alunos
(23,53%) disseram que era porque o óleo esquenta mais rápido; três alunos (17,65%)
justificaram que o calor específico do óleo era maior; dois alunos (11,76%) responderam
que a capacidade térmica do óleo era maior; um aluno disse achar que a água iria congelar
mais rápido que o óleo, portanto demoraria mais tempo para descongelar/derreter. Os
outros sete alunos (41,18%) afirmaram que água derreteria mais rápido, sendo que: quatro
alunos (23,53%) justificaram que a água tem mais facilidade para esfriar ou descongelar
do que o óleo; dois alunos (11,76%) disseram que a água absorve mais calor; um aluno
(5,88%) respondeu “porque é o comum”. Percebe-se que as justificativas foram baseadas
nas sensações táteis ligadas àquelas percebidas ou sentidas no cotidiano dos alunos e o
termo calor específico é interpretado de forma errônea.
7.3.2.b Observação 1
Quatorze alunos (82,33%) descreveram que o primeiro derreter foio óleo; seguido
pela mistura (óleo + água) e por último a água; dois alunos (11,76%) só responderam que
os sistemas derretem em tempos diferentes; e um aluno (5,88%) disse ter observado que
a água derreteu mais rápido.
110
7.3.2.c Explicação 1
Para dez alunos (58,82%) a observação foi a esperada, sendo que: três alunos
(17,65%) justificaram que o óleo possui maior capacidade térmica, não relacionando as
grandezas físicas que influenciaram no resultado; quatro alunos (23,53%) responderam
que o calor específico da água é maior e portanto ela demora mais tempo para derreter,
citando capacidade térmica e temperatura como grandezas físicas influenciadoras do
resultado; três alunos (17,65%) explicaram que quanto menor a capacidade térmica (óleo)
mais rápido a substância derrete ou descongela e que isso acontece devido ao seu calor
específico, a temperatura atingida e a massa no recipiente, porque se fosse maior
demoraria mais tempo.
Os sete alunos restantes (41,18%) disseram que não esperavam o resultado obtido,
sendo que: um aluno (5,88%) explicou que “a capacidade térmica do óleo foi maior para
derreter porque os dois tinham a mesma massa”; outro aluno (5,88%) disse que após
congelado o óleo volta a sua temperatura ambiente mais rápido do que a água e que a
densidade maior faz com que as moléculas do óleo “lutem” mais para voltar ao normal;
cinco alunos (29,41%) justificaram que se o óleo derreteu primeiro foi porque seu calor
específico é menor, como tinha a mesma massa da água então sua capacidade térmica
também é menor. E que quando mistura os dois (óleo + água), o tempo de derretimento
fica no meio, ou seja, a capacidade térmica fica maior que a do óleo e menor que da água.
Os últimos cinco alunos mudaram suas concepções prévias e acomodaram o
conhecimento (capacidade térmica), após conflitos (observação), de maneira
cientificamente correta. Nos dez alunos que não se surpreenderam com a observação é
possível perceber que os três primeiros permanecem no senso comum de achar que
capacidade térmica é a capacidade que uma substância tem de esquentar e não
“resistência” para variar sua temperatura. Os quatro seguintes não relacionaram a massa
como grandeza física influenciadora, talvez porque no experimento se usou a mesma
quantidade de água e óleo. Os três últimos do “sim” mantiveram, corretamente, suas
concepções em relação aos conceitos trabalhados. Percebe-se também erro na concepção
do conceito de temperatura ambiente, como se fosse exclusiva para cada substância e não
de tudo que está no ambiente, desconsiderando o equilíbrio térmico existente entre os
componentes do sistema.
111
Investigação 2: Observar o comportamento de dois cadeados aquecidos a 100ºC. O
primeiro transferido para 100mL de água e o segundo para 100mL de óleo, ambos à
temperatura ambiente.
7.3.2.aa Predição 2
Oito alunos (47,06%) predisseram que o óleo aqueceria mais, sendo que: cinco
alunos (29,41%) responderam corretamente que a razão é seu menor calor específico; um
aluno (5,88%) respondeu que a capacidade térmica do óleo é maior; outro aluno (5,88%)
disse que a temperatura do óleo era maior do que da água; e o oitavo aluno (5,88%) relatou
– “já fui queimado por essas duas substâncias após aquecidas e então achei a temperatura
do óleo maior que a da água”, correlacionando conteúdo à sua vivência. Para sete alunos
(41,18%) será a água a mais aquecida porque suas moléculas são mais agitadas do que as
do óleo, talvez lembrando da formação de bolhas quando ferve; e dois alunos (11,76%)
disseram que o aquecimento seria igual para a água e para o óleo porque possuem a
mesma massa e temperatura, não levando em consideração que são substâncias diferentes.
7.3.2.bb Observação 2
Todos os dezessete alunos (100%) observaram e anotaram:
• Temperatura da água: 26ºC
• Temperatura do óleo: 26ºC
• Temperatura da água + cadeado de metal: 34ºC
• Temperatura do óleo + cadeado de metal: 39ºC
7.3.2.cc Explicação 2
Treze alunos (76,47%) se surpreenderam com o resultado, sendo que: oito alunos
(47,06%) responderam que o material que mostrou ter capacidade térmica maior foi a
água e menor foi o metal, material que ocorreu a maior variação de temperatura; cinco
alunos (29,41%) disseram que o óleo tinha menor capacidade térmica e a água maior, não
levaram em consideração as variações nas temperaturas das três substâncias (água= 08ºC;
óleo = 13ºC e metal > 60ºC); para quatro alunos (23,53%) o resultado não foi surpresa,
destes: três alunos (17,65%) disseram que o óleo mostrou ter maior capacidade térmica e
o metal menor, não levando em consideração a variação de temperatura da água; umaluno
(5,88%) respondeu que o metal tem capacidade térmica maior e o óleo menor, também
112
não considerou a variação de temperatura da água e persistiu no senso comum de que
capacidade térmica seria a capacidade de esquentar ou esfriar mais.
Para descobrir qual material aqueceria ou resfriaria melhor: sete alunos (41,18%)
deram como sugestão aquecer um metal e encostar na rocha e na água, aquele que tiver
maior variação de temperatura (quatro alunos disseram que seria a rocha) seria o melhor
aquecedor; agora, nove alunos (52,94%) explicaram que a água seria melhor porque tem
maior “resistência à variação de temperatura” devido ao seu elevado calor específico e
consequentemente sua maior capacidade térmica. Portanto aqueceria ou resfriaria durante
um tempo maior e a variação na temperatura da cama ocorreria devagar, sem queimar ou
congelar bruscamente. Mostrando que a aplicação da POE foi satisfatória.
7.4 ATIVIDADE 4 - Trocas de calor
16 alunos presentes
Roteiro Experimental POE 8 - Troca troca de calor!
Resposta a pergunta norteadora
Dois alunos (12,50%) afirmaram que a utilização da garrafa térmica é aquecer,
sendo que um aluno (6,25%) justificou que além de manter, ela ajuda no aquecimento; O
outro (6,25%) disse que era “devido ao material que há dentro dela”. Para quatorze alunos
(87,50%) a função da garrafa térmica é manter a temperatura, sendo que: seis alunos
(37,50%) deram o metal (alumínio) e o espelho que estão dentro dela como justificativa;
três alunos (18,75%) responderam que a manutenção da temperatura se daria pela troca
de calor que seria convecção, condução e radiação; dois alunos (12,50%) afirmaram que
era o espelho dentro dela; um aluno (6,25%) disse que o motivo era a o processo de
condução de calor dentro da garrafa; outro aluno (6,25%) justificou com o processo de
radiação; e o último aluno (6,25%) respondeu que “a garrafa térmica evita trocas de calor
por convecção, irradiação e condução”.
A maioria dos alunos mostra conhecer os tipos de trocas de calor (condução,
convecção e radiação), mas só um associou com a função da garrafa térmica: manter a
temperatura evitando os processos de trocas de calor com o ambiente externo a ela.
Investigação 1: Verificar o que acontece quando se adiciona corante, durante o
aquecimento, em uma certa quantidade de água.
113
Investigação 2: Observar como funciona uma garrafa térmica, identificando as partes e
princípios calorimétricos envolvidos.
7.4.a Predição
Para os dezesseis alunos (100%) ocorrerá trocas de calor durante o aquecimento,
sendo que: oito alunos (50%) disseram que o fogareiro iria passar calor para o Becker,
água e corante por condução; cinco alunos (31,25%) predisseram que as trocas de calor
seriam por convecção porque as moléculas de corante ficariam subindo e descendo presas
na água; e três alunos (18,75%) responderam que o calor saindo do fogareiro passa para
o Becker por condução e que a água começaria a ferver: água do fundo (mais quente) iria
subir e água de cima (mais fria) iria descer. Do total de alunos, dez (62,50%) predisseram
que as trocas de calor ocorreriam por causa do aquecimento; cinco alunos (31,25%)
disseram que com o aquecimento, as moléculas iriam ficar mais agitadas e por isso teriam
que trocar calor para voltar a temperatura ambiente; e houve uma (6,25%) abstenção.
Apesar de todos os alunos preverem trocas de calor durante o aquecimento da
água colorida, nenhum previu a transferência de calor por irradiação. A maioria escolheu
um tipo em detrimento das outras trocas de calor, como se a identificação de um
excluísse-os demais. Também não aplicaram a lei zero da termodinâmica: equilíbrio
térmico, como motivo para as trocas de calor entre os componentes de um sistema, com
temperaturas diferentes, apesar de mencionarem temperatura ambiente como situação
(temperatura) de estabilidade. Boa parte dos alunos descrevem o calor como algo que se
desprende do fogareiro e não como energia em trânsito entre os componentes, devido à
diferença do grau de agitação de todas as moléculas (temperatura) do sistema. Os três
últimos (18,75%) descrevem o processo de sobe e desce da massa d’água (pela diferença
de densidade) sem mencionar que a troca se dá por convecção e que como o sistema está
aberto haverá perda de massa d’água para o ambiente até que fique só o corante nas
paredes do Becker.
7.4.2b Observação
Todos os dezesseis alunos (100%) assinalaram terem observado a movimentação
de massas de água na direção vertical e que sentiram suas mãos aquecerem ao aproximá-
las do sistema.
114
7.4.c Explicação 1
Treze alunos (81,25%) explicaram corretamente que a transferência de calor entre
o fogareiro, Becker e água se dá pelo contato direto entre eles (condução); outros três
alunos (18,75%) disseram que as moléculas vão ficando mais quentes e vão passando de
um material para o outro. Entre as massas de água do fundo e da borda do Becker, dez
alunos (62,50%) responderam de forma correta que a transferência se dá por convecção:
o aquecimento das moléculas da massa de água do fundo aumenta o grau de agitação e o
distanciamento entre elas, diminuindo a densidade em relação a massa de água que está
na borda do Becker, criando uma corrente de sobe e desce de massas; três (18,75%)
disseram que a transferência de calor ocorre por condução também; e os outros três
(18,75%) responderam que a agitação das moléculas provoca a mistura das massas de
água. Para nove alunos (56,25%) a transferência de calor entre o fogareiro e as mãos se
deu por irradiação porque não teve contato direto, o calor se movimentou por ondas
eletromagnéticas; três alunos (18,75%) responderam condução; e quatro alunos (25,00%)
disseram que as moléculas do fogo passaram às mãos.
7.4.cc Explicação 2
O funcionamento da garrafa térmica foi explicado de maneira satisfatória por onze
alunos (68,75%): a garrafa térmica mantém a temperatura interna (estado quente ou frio)
porque é feita de material que evita as trocas de calor com o ambiente – A tampa é feita
de material isolante e a parte interna é constituída por duas paredes de vidro (mau
condutor de calor) espelhadas que impedem a irradiação e separadas por vácuo, ou seja
impede a perda de calor por condução e convecção que acontecem em meio material; dois
alunos (12,50%) alunos falaram que dentro da garrafa térmica tem isolante térmico que
evita as trocas de calor, sem explicar como; e três alunos (18,75%) só disseram quea
garrafa térmica mantém a temperatura do que está dentro dela.
Os últimos cinco alunos (31,25%) colocam em dúvida se entenderam realmente
que as trocas de calor estabelecem o equilíbrio térmico. E que esta é uma tendência natural
entre corpos com temperaturas diferentes, por isso entre o interior da garrafa térmica e o
exterior são colocados anteparos (isolantes térmicos) que evitam que elas ocorram. Caso
contrário, o líquido em seu interior entraria em equilíbrio térmico com o ambiente, ou
seja, ficaria à temperatura ambiente, nem quente ou frio.
115
7.5 ATIVIDADE 5 - Dilatação térmica
16 alunos presentes
Roteiro Experimental POE 9 - Como funciona um termostato?
Respostas a pergunta norteadora
Oito alunos (50%) afirmaram que já se perguntaram por que os engenheiros
deixam pequenas lacunas na estrada onde constroem pontes, sendo destes: Cinco alunos
(31,25%) disseram que isso acontece porque como o metal dilata facilmente ele precisa
de um vácuo (espaço) para que não quebre, derreta ou exploda; um aluno (6,25%)
respondeu que “toda vez que alguém for construir coisas pesadas tem que deixar espaços,
porque vai haver um dilatação e se não tiver, o metal poderá derreter ou explodir”; outro
aluno (6,25%) disse que é necessário essas lacunas pois como o ferro se dilata e se contrai
facilmente quando está muito quente ou muito frio poderia explodir; e o oitavo aluno
(6,25%) afirmou que era devido a dilatação que acontece com facilidade nos ferros e que
o espaço é para que haja resfriamento.
A outra metade dos alunos (50%) afirmaram nunca ter se perguntado sobre o
porquê das lacunas, sendo que: quatro alunos (25%) justificaram dizendo que se não tiver
folga no metal, ele pode quebrar ou explodir; dois alunos (12,50%) responderam que se
não houver essas lacunas, as pontes podem dilatar por causa da exposição às trocas de
calor; um aluno (6,25%) disse que os metais precisam de pequenas lacunas para poderem
dilatarem (para não explodir) e contrair (para não enferrujarem); e o último aluno (6,25%)
respondeu que “se não tiver uma folga no metal para outro ele pode explodir e quebrar,
maior calor específico menor dilatação e menor calor específico maior dilatação.”
Percebe-se que, apesar da metade dos alunos nunca terem se perguntado do porquê
das pequenas lacunas na estrada, todos relacionaram com a dilatação térmica dos metais,
mas demostram dificuldades no uso dos termos físicos.
Investigação: Observar o aquecimento dos seguintes materiais: folha de alumínio,
papelão, isopor, plástico, caixinha de leite, pacote laminado, folha de alumínio + fita
adesiva, folha de alumínio + fita transparente.
116
7.5.a Predição
Com unanimidade, todos os alunos (100%) predisseram que a tira de papel
laminado iria dobrar e a de papelão não; quinze alunos (93,75%) responderam alumínio;
treze alunos (81,25%) assinalaram folha de alumínio com fita adesiva; treze alunos
(81,25%) disseram folha de alumínio com fita transparente; dez alunos (62,50%)
marcaram caixinha de leite; nove alunos (56,25%) responderam plástico; e um aluno
(6,25%) marcou isopor. Destes: sete alunos (43,75%) justificaram dizendo que a razão
das escolhas foi a composição dos materiais; quatro alunos (25%) afirmaram que
escolheram os materiais que continham metais; três alunos (18,75%) falaram que era
devido a maior ou menor dilatação das moléculas que compõem os materiais; e os dois
alunos restantes (12,50%) disseram que alguns materiais eram mais resistentes a dilatação
do calor.
A maioria dos alunos marcaram certo as tiras que iriam dobrar com o
aquecimento, mas boa parte deles também assinalaram nas tiras que continham somente
um tipo de material, inclusive materiais reconhecidamente isolantes, como o plástico,
isopor e o papelão. Mostraram desconhecer que a oscilação da tira ocorre devido a
diferença dos coeficientes de dilatação dos materiais. Ou seja, ocorre variação em suas
dimensões quando são aquecidos ou resfriados, devido à agitação térmica de suas
moléculas ou átomos, permitindo que os mesmos se afastem ou se juntem. Percebe-se que
alguns reconhecem que o fenômeno de dilatação está relacionado as moléculas, sendo
uma propriedade térmica do material. Mas os mesmos não citam o coeficiente de
dilatação térmica como medida de variação unitária da grandeza de suas dimensões.
7.5.b Observação
Oito alunos (50%) assinalaram que as tiras de caixinha de leite; papel laminado e
folha de alumínio com fita adesiva dobraram quando aquecidas; seis alunos (37,50%)
acrescentaram a folha de alumínio com fita transparente; um aluno (6,25%) assinalou que
só a tira de caixinha de leite dobra; e outro aluno (6,25%) respondeu que todas as tiras
que tinham metal dobraram.
7.5.c Explicação
Para nove alunos (56,25%) a observação não foi a esperada, sendo que: cinco
alunos (31,25%) se disseram surpresos com os resultados, principalmente com a caixinha
117
de leite e papel laminado, que foi possível ver a variação da dobra quando invertia os
lados das tiras (o material de maior coeficiente de dilatação, melhor condutor de calor
expande para cima do material de menor coeficiente de dilatação, menos condutor ou
isolante térmico); os outros quatro alunos (25%) justificaram se dizendo surpresos com o
fato do isopor derreter e o plástico queimar. Isto porque, o primeiro sofre fusão (processo
físico) e o segundo, como o papelão, passa por um processo químico (se decompõe e se
transforma em substâncias diferentes).
Cinco alunos (31,25%) disseram que “a observação foi a esperada porque a
composição dos materiais é diferente. Portanto vão responder de forma diferente a
variação de temperatura, uns expandindo ou contraindo mais do que outros”. O metal
(alumínio) que possui um coeficiente de dilatação maior expande bem mais, por exemplo,
que o plástico que é mau condutor de calor e possui coeficiente de dilatação baixo.
Dois alunos (12,50%) responderam que “a observação foi mais ou menos o que
esperavam porque a folha de alumínio não dobrou como as outras tiras que também
tinham o metal”. Mostraram incompreensão, confusão do conceito de dilatação
(expansão) e coeficiente de dilatação (medida da variação unitária da grandeza de suas
dimensões), que é diferente para cada tipo de material. Portanto a folha de alumínio
expande, porque suas moléculas ficam mais agitadas e se afastam, em todas as direções,
umas das outras com o aquecimento.
Depois da explanação do significado e funcionamento do termostato, treze alunos
(81,25%) disseram que as tiras que se dobraram (papel laminado, caixinha de leite, folha
de alumínio com fita adesiva) poderiam ser usadas neste dispositivo, mas com ressalva
quanto a temperatura alcançada e que o interruptor do circuito ficasse ligado do lado do
alumínio, evitando que o plástico queimasse ou então se ele fosse do tipo termo resistente.
Mas, três alunos (18,25%) disseram que as tiras de plástico e de papelão poderiam ser
usadas em termostato porque são isolantes térmicos, mostrando que não relacionaram os
conceitos de dilatação e coeficiente de dilatação térmica com o funcionamento das
lâminas bimetálicas e suas aplicações.
7.6 ATIVIDADE 6 - MUDANÇAS DE FASE
18 Alunos presentes
7.6.1 Roteiro Experimental POE 10 - A Sensibilidade do Calor
118
Resposta a pergunta norteadora
Dos dezoito alunos presentes, quatorze alunos (77,80%) responderam que a panela
de óleo de cozinha aquece mais rápido e quatro alunos (22,22%) disseram que é a panela
de água.
Investigação: Observar o aquecimento de uma mesma quantidade de água e óleo.
7.6.1.a Predição
Quatorze alunos (77,80%) responderam que a panela de óleo de cozinha aquece
mais rápido, sendo que: oito alunos (44,44%) justificaram dizendo que o calor específico
do óleo é menor e por isso esquenta mais rápido; para dois alunos (11,11%) é porque a
evaporação da água acontece mais rapidamente do que a do óleo; quatro alunos (22,22%)
relacionaram com o fato do óleo ser menos denso que água. E quatro alunos (22,22%)
disseram que a panela de água aquece mais rápido do que a panela de óleo, onde: três
alunos (16,67%) justificaram dizendo que as moléculas de água já estão mais afastadas
do que as moléculas do óleo que é grudento; um aluno (5,56%) que é “por causa da
capacidade térmica da água”.
Percebemos que mais da metade dos alunos (77,80%) responderam que a panela
de óleo esquenta mais rápido, mas somente 44,44% deles justificaram corretamente que
é devido ao seu menor calor específico e portanto sua velocidade no aumento de
temperatura é maior do que da água; para dois alunos o aumento de temperatura está
relacionado à mudança de estado físico (evaporação); outros quatro alunos (22,22%)
usaram erroneamente o conceito de densidade como se fosse somente quantidade de
material (massa), desconsiderando que na pergunta, subentende-se a mesma quantidade
de óleo e água nas panelas.
Para os quatro alunos (22,22%) que responderam que a panela de água aquece
mais rápido, constatamos a fusão do conceito de estado líquido com a grandeza física
viscosidade, no caso do óleo; e o uso invertido do conceito de capacidade térmica que,
considerando massas iguais, tem o seu valor definido pelo calor específico (quantidade
de calor necessária para variar de 1 °C, 1g de uma substância), que no caso da água vale
1,0kcal / kgºC e do óleo vale 0,4kcal / kgºC. Portanto a elevação de temperatura é maior
no óleo do que na água.
119
7.6.1.b Observação
Todos os alunos presentes (18) registraram que o tempo que levou para cada
líquido atingir 50ºC foi:
• óleo - 7 minutos
• água - 14 minutos
7.6.1.c Explicação
Quatorze alunos (77,80%) disseram que aconteceu o que esperavam, sendo que:
doze alunos (77,80%) explicaram, de maneira correta, que o menor tempo (maior
velocidade) do óleo em alcançar a temperatura de 50ºC está relacionado ao fato do seu
calor específico ser menor do que o da água; dois alunos (11,11%) responderam “por
causa do calor específico do óleo ser diferente da água”. E os outros quatro alunos
restantes (22,22%) se surpreenderam com o resultado, achavam que o calor específico do
óleo era maior “porque ele é mais grosso”.
Houve um aumento significativo do uso do termo calor específico, de oito alunos
na predição para todos os dezoito alunos após experimento, mostrando que a relação calor
específico e variação de temperatura passou a fazer sentido para os mesmos. Ou seja,
calor específico é a quantidade de calor que um grama de determinado material deve
ganhar ou perder para que sua temperatura varie em um grau Celsius. Um material que
possua alto calor específico (água) aquece — e também esfria — muito mais lentamente
do que um material de baixo calor específico (óleo). Apesar disso, os quatro últimos
alunos persistiram em mesclar o conceito de calor específico com viscosidade, deixando
evidente que não reconhecem calor específico (propriedade intensiva) como característica
da substância e viscosidade (propriedade extensiva) como característica do material
formado pela substância.
7.6.2 Roteiro Experimental POE 11 - Temperaturas Fixas da Água
Resposta a pergunta norteadora
Dos dezoito alunos presentes, quatorze alunos (77,80%) responderam que a panela
de óleo de cozinha aquece mais rápido e quatro alunos (22,22%) disseram que é a panela
de água.
120
Investigação: Acompanhar a variação de temperatura durante o aquecimento de uma
amostra de água, inclusive após a adição de sal de cozinha quando a mesma estiver
fervendo.
7.6.2.a Predição
Dez alunos (55,56%) responderam que a água entra em ebulição após algum
tempo de cozimento das batatas porque a temperatura na panela está muito alta; um aluno
(5,56%) respondeu que a água evapora, “pois acontece uma transição de estado líquido
para gasoso”; e sete alunos (38,89%) disseram que a água começa a ferver, sendo que:
três alunos (16,67%) responderam que é “porque está no fogo, então a temperatura
aumenta”; um aluno (5,56%) disse que é “por causa da sua temperatura de fusão”; outro
aluno (5,56%) respondeu que é “porque as moléculas do fogo passa para água”; o
penúltimo aluno (5,56%) disse que é “devido ao grau de calor”; e o último aluno (5,56%)
falou que é “ por causa do calor latente que depois passa para o ponto de ebulição”.
Percebemos alguns erros, como: tratamento corpuscular do calor (transferência de
moléculas do fogo para a panela, devido ao grau de calor); ponto de ebulição como estado
físico alcançado depois do calor latente (temperatura de transição); ponto de ebulição
igual temperatura limite a ser alcançada por uma substância; ponto de fusão (passagem
de sólido para líquido e vice-versa) no lugar de ponto de ebulição (passagem de líquido
para gasoso e vice-versa). Quando fornecemos calor a um líquido, aumentamos a energia
cinética média de suas partículas, isto é, aumentamos sua temperatura. Algumas
moléculas adquirem energia suficiente para escapar do líquido e passar à fase gasosa.
Observa-se, então, o aparecimento de bolhas de vapor formando-se nas paredes do
recipiente, indicando o início da ebulição do líquido. A partir daí, o calor fornecido é
utilizado para romper as ligações entre as moléculas de água e não para aumentar sua
energia cinética. Por isso, a temperatura permanece constante. Após esse processo,
permanecendo o aquecimento, a temperatura volta a subir.
Um aluno disse não saber que o cozimento é melhor quando adicionamos sal; e
dezessete alunos (94,44%) responderam que sim, sendo que: sete alunos (38,89%)
disseram que “o sal tem substância que ajudam a ferver a água mais rápido; três alunos
(16,67%) responderam que o calor específico do sal é menor que da água; três alunos
(16,67%) justificaram dizendo que era porque o sal dá gosto; dois alunos (11,11%)
disseram que o sal é mais denso que a água; um aluno (5,56%) respondeu que era “porque
121
o sal absorve a água”; e um aluno (5,56%) disse que o sal aumenta o tempo de ebulição
da água.
Apesar do quase total de alunos (94,44%) concordar que o cozimento é melhor
quando adicionamos sal, só um aluno (5,56%) respondeu corretamente que quando
adicionamos o sal à água, a temperatura de ebulição da água aumenta, o que significa que
a solução ficará mais quente do que se fosse apenas a água. Com isso, o tempo de
cozimento do alimento diminui. De acordo com a lei de Raoult, as moléculas do sal irão
interagir com as moléculas de água, diminuindo a pressão de vapor desse líquido. Assim,
como a pressão do líquido fica menor, se faz necessário aquecer ainda mais o sistema
para que a pressão de vapor da solução iguale-se à pressão atmosférica e então entre em
ebulição. Desse modo, a temperatura em que entrará em ebulição será maior.
7.6.2.b Observação
Todos os dezoito alunos (100%) assinalaram os seguintes valores:
Tempo (minutos) Temperatura Água (º C)
0 75
2 90
4 101
6 102
8 102
10 102
12 102
Fonte: Arquivo da autora
Temperatura após a adição de sal de cozinha: 96ºC.
122
7.6.2.c Explicação
Gráfico 7.1 - Temperatura (ºC) X Tempo (min)
Fonte: Arquivo da autora
Todos os dezoito alunos (100%) assinalaram que a leitura 102ºC repetiu quatro
vezes, fato que justificaram dizendo que esse valor se manteve constante porque tinha
chegado o ponto de ebulição da água. Mas, somente dez alunos (55,56%) explicaram que
essa constância na temperatura indicava a mudança de fase (calor latente), ou seja, o calor
que continuou sendo fornecido foi utilizado para romper as ligações entre as moléculas
de água e não para aumentar sua energia cinética (temperatura). E que a temperatura
permaneceria constante até secar (todas as moléculas de água passar para o estado gasoso,
evaporando-se no ambiente), sendo que seis alunos (33,33%) mencionaram que se as
moléculas de água gasosa ficassem aprisionadas no sistema, após o processo,
permanecendo o aquecimento, a temperatura voltaria a subir.
Todos os dezoito alunos (100%) responderam que a temperatura diminuiu após a
adição de sal, mas apenas dois alunos (11,11%) assinalaram que a água parou de ferver.
Do total: oito alunos (44,44%) justificaram dizendo que substâncias diferentes têm pontos
de ebulição diferentes, sugerindo que o sal possui maior valor e por isso arrasta (aumenta)
o ponto de ebulição da água de valor menor; seis alunos (33,33%) apenas disseram que
“cada substância tem um ponto de ebulição”; três alunos (16,67%) explicaram que além
de possuírem pontos de ebulição diferentes, ocorre a adição de massa com menor
temperatura, deixando subentendido que primeiro a mistura demora um tempo para entrar
em equilíbrio térmico e que depois a temperatura volta a subir; e o último aluno (5,56%)
disse que “o sal retarda o processo”, não explicando o porquê.
123
7.6.3 Roteiro Experimental POE 12 - Fervendo Água e Óleo
Resposta a pergunta norteadora
Doze alunos (66,67%) responderam que o preparo de um bife é mais rápido no
óleo do que na água, sendo que: sete alunos (38,89%) justificaram, corretamente, que o
óleo esquenta mais rápido porque tem calor específico menor que água; quatro alunos
(22,22%) disseram que o óleo frita e a água cozinha, sem dar mais detalhes; um aluno
(5,56%) respondeu que era porque o fogo aquece mais rápido o óleo. Para seis alunos
(33,33%) o preparo de um bife é mais rápido na água do que no óleo, sendo que: três
alunos (16,67%) responderam “porque o que cozinha a carne é a água”; dois alunos
(11,11%) justificaram que as partículas da água se agitam em torno do bife com mais
intensidade; e um aluno (5,56%) disse que “colocando em pressão a carne irá cozinhar
totalmente”.
Investigação: Observar o aquecimento simultâneo de uma amostra de óleo e outra de
água e verificar quem entra em ebulição primeiro.
7.6.3.a Predição
Doze alunos (66,67%) predisseram que a água entra em ebulição antes do óleo,
sendo que: três alunos (16,67%) disseram “a água entra em ebulição mais rápido por ter
maior capacidade térmica”; três alunos (16,67%) responderam que água vai aquecer mais
rápido porque é mais densa que o óleo; quatro alunos (22,22%) afirmaram que o óleo é
mais denso que a água; e dois alunos (11,11%) responderam “por causa da agitação das
moléculas da água”. Para seis alunos (33,33%) quem entra em ebulição primeiro é o óleo,
sendo que: dois alunos (11,11%) justificaram que o óleo é menos denso que a água; dois
alunos (11,11%) disseram “porque o calor específico do óleo é menor que da água”; um
aluno (5,56%) respondeu que o óleo é mais denso que a água; outro aluno (5,56%) disse
“porque o grau de ebulição fica mais alto”.
A utilização excessiva do termo densidade como quantidade de matéria (massa)
sem considerar sua relação com o volume ocupado, mostra desconhecerem que a
densidade é uma grandeza intensiva que varia de acordo com a temperatura e pressão.
Isso porque as variações de temperatura e de pressão provocam uma alteração no volume
do material e, consequentemente, alteram também a densidade que é inversamente
124
proporcional ao volume. Portanto quando um material é aquecido (temperatura aumenta),
o seu volume também aumenta e a sua densidade diminui.
A necessidade de comparar massas iguais quando se quer comparar o calor
envolvido nos processos é importante porque a quantidade de calor necessária para elevar
a temperatura de um corpo em uma certa quantidade depende do calor específico do
material de que é feito o corpo e da massa do corpo. Quanto maior o calor específico do
material, mais calor é necessário para aquecer o corpo. O mesmo se pode dizer em relação
à massa do corpo: quanto maior a massa, mais calor é necessário para aquecer o corpo. A
capacidade térmica do óleo é menor que da água já que possui menor calor específico,
considerando massas iguais, portanto, sofrerá mais facilmente variações em sua
temperatura e não o contrário como afirmado por alguns alunos.
Percebe-se também que os alunos têm dificuldades em entender o significado do
estado estacionário de um sistema, ou seja, entender o significado do equilíbrio térmico,
do ponto de vista microscópico. Macroscopicamente, quando ocorre uma colisão
inelástica, há transformação de energia mecânica em energia interna, o que inclusive
causa aumento de temperatura dos corpos. Microscopicamente, o mesmo não acontece
com as colisões entre as partículas das substâncias, ou seja, com o movimento térmico.
As colisões envolvendo o movimento térmico devem ser consideradas elásticas, desta
forma não contribuem para o aumento de temperatura. A energia cinética média desse
movimento representa a própria temperatura. Se essa energia permanece inalterada, temos
uma situação de equilíbrio térmico, ou seja, de temperatura constante. Mas, os alunos não
interpretam dessa forma o estado de equilíbrio térmico, pois entendem que as colisões
internas entre as partículas do corpo, necessariamente, vêm acompanhadas de
aquecimento do mesmo.
7.6.3.b Observação
Quinze alunos (83,33%) assinalaram que o óleo entrou em ebulição primeiro e os
outros três alunos (16,67%) marcaram que a água entrou em ebulição primeiro.
7.6.3.c Explicação
Seis alunos (33,33%) responderam que o resultado foi o esperado, sendo que:
quatro alunos (22,22%) explicaram que o ponto de ebulição do óleo é maior que da água,
por isso atinge temperaturas mais altas que a água antes de passar ao estado gasoso; dois
125
alunos (11,11%) disseram que o calor específico do óleo é menor que da água e por isso
aquece mais rápido e por ter ponto de ebulição maior que a água atinge temperaturas
também maiores que a água. Para doze alunos (66,67%) o resultado obtido não foi o que
esperavam, sendo que: nove alunos (50,00%) relacionaram corretamente fritar com calor
sensível e ferver com calor latente, justificando que o óleo continua esquentando porque
não atingiu a seu ponto de ebulição (bem maior que da água); enquanto a temperatura de
ebulição da água é em torno de 100ºC, fazendo com que o aquecimento fique nessa
temperatura, levando mais tempo para cozinhar o bife; Os outros três alunos (16,67%) só
disseram que o óleo atinge uma temperatura maior que o ponto de ebulição da água, sem
fazer associações com os tipos de calor pedido na questão.
Constata-se que para maior parte dos alunos aquecer um corpo significa aumentar
sua temperatura (calor sensível) indefinidamente e que a temperatura de mudança de fase
(calor latente) não é considerada como propriedade específica de uma substância pura.
Além disso, interpretam a temperatura da mudança de fase como a temperatura máxima
que a substância pode ter quando aquecida, ficando evidente como os conceitos
científicos de calor e temperatura são diferentes dos conceitos cotidianos.
Na vida diária o calor é diretamente associado à temperatura, considerando que a
uma temperatura mais alta corresponde uma quantidade maior de calor. No experimento,
o óleo possui menor calor específico, consequentemente atinge maior temperatura. Além
de aquecer bem mais rápido do que a água, tem o ponto de ebulição maior, permanecendo
no estado líquido em temperaturas acima de 100ºC, ao contrário da água que evapora. O
aquecimento nas frituras é mais rápido e intenso, quando o bife mergulha no óleo
fervente, sua água começa a evaporar. Por isso se vê aquele mar de bolhinhas. É um
processo de secagem que permite a formação da casquinha crocante. E essa crosta
dificulta a saída de vapor: a água em estado gasoso gera pressão dentro do alimento e
acaba por cozinhá-lo.
7.7 Questionários Pré e Pós Instrução
O levantamento de informações sobre o conhecimento dos alunos em relação aos
conteúdos da Calorimetria antes e após aplicação da sequência didática foi através da
versão em português (Gonçalves, 2012) do inventário padronizado de conceitos térmicos
de Yeo e Zadnik (2001) com 26 questões abordadas de forma diferenciada que revelaram
as maiores dificuldades dos alunos.
126
7.7.1 Metodologia de Análise das Respostas
A análise dos questionários pré e pós teste aplicados foi feita com base na
estatística tradicional de percentual de acertos por questão e obtenção dos escores brutos.
Abaixo é apresentada a fórmula usada para o desvio padrão onde os dados foram
considerados uma população por conta própria.
𝜎 = √∑N
𝑖−1(𝑋 − 𝜇)2 N
Na fórmula, 𝜎 é desvio padrão populacional, µ é a média populacional, Xi os valores da
amostra, e N é o número de elementos da população.
7.7.2 Apresentação e Análise dos Resultados
Nesse trabalho não foi feito nenhum cálculo de TRI; apenas utilizou-se a ideia de
construção empírica das Curva Característica dos Itens para as diversas questões
apresentadas no questionário. Utilizou-se como aptidão do aluno a nota (a soma dos
acertos no teste, escore bruto) para a construção e avaliação das curvas características
para cada um dos itens do teste.
7.7.2.1 Resultado Pré Instrução
Inicialmente, fez-se um levantamento do percentual de acertos dos dezenove
alunos participantes da pesquisa, levando-se em consideração uma pontuação máxima
possível, que corresponde 26 pontos, número total de itens do questionário.
A tabela 7.1 traz o número de acertos, número de erros, percentagem de acertos,
sinalizando suas médias, como também o desvio padrão e a média da nota da turma no
questionário antes da aplicação da sequência didática.
Número da questão Número de acertos Número de erros % de acertos
1 12 7 60
2 5 14 26
3 3 16 16
4 3 16 16
5 4 15 21
6 8 11 42
7 9 10 47
Continua - - -
127
Número da questão Número de acertos Número de erros % de acertos
8 4 15 21
9 10 9 53
10 2 17 11
11 6 13 32
12 12 7 63
13 4 15 21
14 1 18 05
15 6 13 32
16 2 17 11
17 7 12 37
18 4 15 21
19 4 15 21
20 5 14 26
21 4 15 21
22 6 13 32
23 5 14 26
24 4 15 21
25 5 14 26
26 4 15 21
Média 5,35 13,65 28
Nota (em 10) 2,06
Tabela 7.1 - Resultado do teste pré-instrução
Fonte: Arquivo da autora
Observa-se que a média de acertos para todos os estudantes antes da instrução foi
5,3 acertos (nota 2,1 em 10) com desvio padrão 2,8 (1,1 em 10).
7.7.2.2 Resultado Pós Instrução
O número de acertos, número de erros, percentagem de acertos, sinalizando suas
médias, como também o desvio padrão e a média da nota da turma no questionário depois
da aplicação da sequência didática na tabela 7.2.
Número da questão Número de acertos Número de erros % acertos
1 12 7 63
2 8 11 42
3 7 12 37
4 11 8 58
5 10 9 53
Continua - - -
128
Número da questão Número de acertos Número de erros % acertos
6 9 10 47
7 10 9 53
8 3 16 16
9 8 11 42
10 1 18 05
11 8 11 42
12 13 6 68
13 4 15 21
14 5 14 26
15 4 15 21
16 3 16 16
17 11 8 58
18 6 13 32
19 5 14 26
20 9 10 47
21 5 14 26
22 9 10 47
23 7 12 37
24 4 15 21
25 6 13 32
26 6 13 32
Média 7,08 11,92 37
Nota (em 10) 2,72
Tabela 7.2 - Resultado do teste pós-instrução
Fonte: Arquivo da autora
Observa-se que a média de acertos para todos os estudantes pós instrução foi 7,1
acertos (nota 2,7 em 10) com desvio padrão 3,0 (1,2 em 10).
7.7.2.3 Frequências de Acertos dos Questionários Pré e Pós Instrução
Com os dados das tabelas 7.1 e 7.2 foi elaborada a tabela abaixo com as
frequências de acertos nos questionários pré e pós instrução.
Total de
Acertos 1 3 5 7 9 11 13
Frequência
Pré teste 3 10 7 2 2 2 0
Continua
129
Frequência
Pós teste 1 5 6 5 5 3 1
Tabela 7.3 - Frequências de acertos nos questionários pré e pós teste
Fonte: Arquivo da autora
Buscando-se ter uma percepção do nível de dificuldade do questionário pré
aplicação da sequência didática, apresenta-se o histograma do total de acertos dos alunos
envolvidos no gráfico 7.2. Foi utilizado uma escala de intervalos iguais (2) para que cada
coluna no histograma tenha largura uniforme e a altura determinada pelo número de
acertos (frequência) em cada questão.
Gráfico 7.2 - Histograma do total de acertos pré instrução
Fonte: Arquivo da autora
A percepção do nível de dificuldade do questionário pós aplicação da sequência
didática, apresenta-se o histograma do total de acertos dos alunos envolvidos no gráfico
7.3
130
Gráfico 7.3 - Histograma do total de acertos pós instrução
Fonte: Arquivo da autora
7.7.2.4 Comparação das frações de acertos
Na análise dos gráficos 7.2 e 7.3, verifica-se que a média do percentual de acertos
do pré-teste foi de 23% e pós teste foi de 31%. Em alguns tópicos, houve um crescimento
significativo nos acertos, já em outras, o índice de acertos ficou abaixo de 10%. Apesar
disto, de modo geral, houve um acréscimo no desempenho dos estudantes depois da
instrução, mesmo que ainda evidencie uma certa resistência à evolução das concepções
sobre calor, temperatura e equilíbrio térmico. Para analisar melhor o desempenho dos
estudantes nos questionários, construiu-se o gráfico 7.4, que mostra as frações de acertos
apresentadas em cada questão.
131
Gráfico 7.4 - Comparação das frações de acertos na pré e pós instrução
Fonte: Arquivo da autora
Esses valores obtidos indicam que o questionário, como um todo, apresentou um
nível de dificuldade alto uma vez que esta média representa um total de acertos inferior a
30% do escore total do questionário, conforme resumido no quadro do 7.1.
Resultado Acertos (em 26) Nota (em 10) Pré-instrução 5.3 ± 2.8 2.1 ± 1.1 Pós-instrução 7.1 ± 3.0 2.7 ± 1.2
Ganho médio = 8,4% Quadro 7.1 - Resultado Global dos Questionários Testes
Fonte: Arquivo da autora
7.7.2.5 Levantamento das Concepções Alternativas
Os autores Yeo e Zadnik estabeleceram as possíveis concepções alternativas
correspondentes a cada questão do inventário, a versão em português (GONÇALVES,
2012) é apresentada no quadro 7.2. A revisão bibliográfica mostrou que são bastante
coincidentes entre alunos de diferentes países, idades e grupos como: brasileiros,
australianos, tchecos, turcos, libianos, sul coreanos e americanos.
132
Quadro 7. 2 - Relação entre as concepções não-científicas e itens do questionário
Fonte: Yeo e Zadnik (2001)
Concepções dos Estudantes nº das Questões
A. Concepções sobre calor
1. Calor é uma substância.
2. Calor não é energia.
3. Calor e frio são diferentes, em vez de extremos opostos
de um contínuo.
4. Calor e temperatura são a mesma coisa.
5. Calor é proporcional a temperatura.
6. Calor não é um conceito mensurável ou quantificável.
10, 22
22
10, 13, 18, 23, 24
15, 18
7, 11, 15
7
B. Concepções sobre calor
7. Calor é uma substância.
8. Calor não é energia.
9. Calor e frio são diferentes, em vez de extremos opostos
de um contínuo.
10. Calor e temperatura são a mesma coisa.
11. Calor é proporcional a temperatura.
12. Calor não é um conceito mensurável ou quantificável.
10, 22
22
10, 13, 18, 23, 24
15, 18
7, 11, 15
7
C. Concepções sobre temperatura
13. A temperatura é a “intensidade”de calor (ou medida da
quantidade de calor).
14. A temperatura pode ser determinada pelo toque ou pele
15. As percepções de calor e temperatura não estão
relacionadas a transferência de energia.
16. Quando a temperatura de ebulição permanece
constante, há algo errado.
17. A temperatura de ebulição é a maior temperatura que
um corpo pode atingir.
18. Um corpo frio não contém calor.
19. A temperatura de um objeto depende do seu tamanho.
20. Não há limite para a temperatura mais baixa.
15
16
10, 18, 21, 22
5
19
7, 10, 11, 22, 26
1, 9, 14
25
D. Concepções sobre transferência de calor e mudança
de temperatura
21. Aquecimento sempre resulta em um aumento de
temperatura.
22. O calor só se move para cima
23. Calor sobe.
24. Calor e frio fluem como líquidos.
25. Temperatura pode ser transferida.
26. Objetos com diferentes temperaturas em contato entre
si, ou em contato com o ar em diferente temperatura, não
necessariamente atingem a mesma temperatura (não
possuem o conceito de equilíbrio térmico)
27. Objetos quentes esfriam naturalmente e objetos frios
esquentam naturalmente.
28. Calor flui mais lentamente através de condutores
fazendo-os parecer mais quentes.
29. A teoria cinética não explica de fato a transferência de
calor (os conceitos são expressos mas não se acredita
neles).
3, 4, 5
20
20
10, 13
7, 13
1, 2, 3, 6, 9, 10, 17,
24
3, 13
25
18, 20, 21
133
A seguir, são apresentados os textos das questões 10 e 16, como foi observado na
tabela 7.1 e 7.2, estes são os dois itens que apresentam o maior índice de dificuldade para
os respondentes. A questão 09 é apresentada também por ser pré-requisito para questão
10. No questionário pós instrução, alguns alunos usaram a fórmula Q = mcΔt para
descobrir a quantidade de energia térmica, contudo não consideraram o valor da
capacidade térmica específica como um fator de mudança de temperatura do objeto em
outras questões.
*Questão 9: Pedro pega uma lata de coca cola e uma garrafa plástica de coca cola no
refrigerador, onde elas haviam sido colocadas na noite anterior. Ele rapidamente coloca
um termômetro na coca cola contida na lata. A temperatura é de 7ºC. Qual é a temperatura
mais provável da garrafa de plástico e da coca cola em seu interior?
*Questão 10: Poucos minutos mais tarde, Cassiano levanta a lata de coca cola e diz para
todos que superfície do balcão que estava embaixo da lata está mais fria que o resto do
balcão.
a. Gabriel diz: “O frio foi transferido da coca cola para o balcão.”
b. Alan diz: “Não há energia deixada no balcão pela lata."
c. Sabrina diz: “Um pouco de calor foi transferido do balcão para coca cola.”
d. Edilaine diz: “A lata faz com que o calor embaixo dela se desloque através
dela para o balcão “. Qual das explicações você acha que é a melhor?
Antes da instrução: Nove alunos (47,37%) marcaram o distrator “a”; seis alunos
(31,58%) marcaram o distrator “d”; três alunos (15,79%) marcaram o distrator “b” e um
aluno (5,26%) marcou corretamente o distrator “c”. Após instrução: Doze alunos
(63,16%) marcaram o distrator “a”; seis alunos (31,58%) marcaram o distrator “d” e um
aluno (5,26%) marcou corretamente o distrator “c”.
*Questão 16: Tom pega uma régua de metal e uma de madeira de seu estojo. Ele diz que
sente a régua de metal mais fria que a de madeira. Qual é sua explicação preferida?
a. O metal retira energia da sua mão mais rapidamente que a madeira.
b. A madeira é naturalmente uma substância mais quente do que o metal.
c. A régua de madeira contém mais calor que a régua de metal.
d. Metais são melhores irradiadores de calor do que a madeira.
134
e. O frio flui mais facilmente de um metal.
Antes da instrução: Dez alunos (52,63%) marcaram o distrator “b”; cinco alunos
(26,32%) marcaram o distrator “c”; um aluno (5,26%) marcou o distrator “d”; um aluno
(5,26%) marcou o distrator “e”; dois alunos (10,53%) marcaram corretamente o distrator
“a”. Após instrução: Sete alunos (36,84%) marcaram o distrator “c”; sete alunos (36,84%)
marcaram o distrator “d”; dois (10,53%) marcaram o distrator “b”; três alunos (15,79%)
marcaram corretamente o distrator “a”.
Muitos alunos não conseguiram prever a temperatura final quando duas amostras
em temperaturas diferentes são misturadas. No entanto, a maioria deles entende que a
temperatura final não pode ser superior à temperatura de dois amostras antes da mistura,
fato evidenciado na questão 17, apresentada abaixo, onde não houve marcação no
distrator “a”.
*Questão 17: Alzira pegou duas garrafas de vidro contendo água a 20ºC e as embrulhou
em toalhas de banho. Uma das toalhas estava molhada e a outra estava seca. Vinte minutos
mais tarde, ela mede a temperatura da água em cada garrafa. A água na garrafa
embrulhada na toalha molhada estava a 18ºC e a que estava embrulhada na toalha seca
estava a 22ºC. A temperatura mais provável da sala durante esse experimento era:
a. 26ºC
b. 21ºC
c. 20ºC
d. 18ºC
Fazendo uma análise da evolução apresentada pelos alunos após a aplicação da
sequência didática, percebe-se que o conceito que teve um dos maiores crescimentos foi
o que se refere as mudanças de fase, especialmente a questão 4, apresentada abaixo, que
trata do ponto de ebulição.
*Questão 4: Sobre o fogão está uma chaleira cheia de água. A água começou a ferver
rapidamente. A temperatura mais provável da água é:
a. 88ºC
b. 98ºC
135
c. 110ºC
d. Nenhuma das respostas acima pode estar correta
Acredita-se que isso se deve ao fato de ter sido o experimento que praticamente
os alunos realizaram sozinhos, desde a montagem até a confecção do gráfico.
Na questão 1, reproduzida abaixo, o índice de acerto permaneceu antes e depois
da aplicação da sequência didática com um percentual de 63,2 %, bem acima da média
global alcançada. O que evidencia a aceitação da continuidade de troca de calor durante
a mudança de fase, por exemplo, existir água líquida a 0ºC.
*Questão 1. Qual é a temperatura mais provável dos cubos de gelo que se encontram
armazenados no congelador de um freezer?
a. - 10ºC
b. 0ºC
c. 5ºC
d. A temperatura depende do tamanho dos cubos de gelo.
Um fato interessante ocorreu na questão 15, apresentada abaixo, em que o número
caiu de seis para quatro acertos.
*Questão15: Um grupo está ouvindo a previsão do tempo no rádio. Eles ouvem: “... à
noite fará uns 5ºC, mais frio do que os 10ºC da noite passada.”
a. Marta diz: “Isso significa que esta noite será duas vezes mais fria que a noite
passada.”
b. Alice diz: “Não está certo. 5ºC não é duas vezes mais frio que 10ºC.”
c. Rui diz: “Está parcialmente correto, mas ela deveria dizer que 10ºC é duas vezes
mais quente do que 5ºC.”
d. Gabi diz: “Está parcialmente correto, mas ela deveria ter dito que 5ºC é a metade
do frio de 10ºC. Com qual afirmação você mais concorda?
O resultado sugere, a princípio, que o número de alunos pensando que a
temperatura se transfere de um corpo para o outro e que não consideram a temperatura
como o número usado para traduzir o estado de “quente” ou “frio” de um corpo, não só
136
permaneceram como até aumentaram após a instrução. Mas, ao inspecionar o enunciado
e as opções de respostas dos alunos na questão, pode-se sugerir que neste caso há uma
aparente persistência provocada por uma má formulação (ou tradução) da questão. Por
exemplo, verifica-se que a opção de resposta 15b só pode ter sido escolhida como
“científica” apenas por uma questão de lógica, pois “5 °C não são duas vezes mais que
10 °C”. E as opções de resposta 15a, 15c e 15d já tinham sido também objeto de
negociação e, portanto, o mais certo seria ter excluído desde o início esta questão da
análise.
7.8 Análise dos Aspectos Não Cognitivos
A análise dos aspectos não cognitivos presentes na Matriz de Competências
indicou uma melhora na postura dos estudantes relacionada a:
Responsabilidade - Os alunos, em sua grande maioria, realizaram as tarefas e
leituras solicitadas; cumprindo os prazos estabelecidos; demostraram perceber que
aprendem mais e melhor quando se comprometem com as tarefas combinadas.
Autoconfiança - Os alunos se expuseram; falaram suas opiniões sem temer
julgamento do colega ou o da professora; resolveram os impasses na discussão coletiva;
todos foram ouvidos e acompanhados pela professora.
Colaboração - Todos participaram e colaboraram com o desenvolvimento do
trabalho.
Autonomia - As atividades desenvolvidas concederam, também, aos alunos um
grau de autonomia, ainda não experimentado nas aulas. O interesse em participar, ao invés
de apenas observar se mostrou evidente, principalmente na montagem e realização dos
experimentos.
Conforme relatos nas pesquisas de opinião realizadas, juntamente aos
questionários pré e pós sequência didática, o uso da experimentação investigativa, com
materiais alternativos, aliada a exemplificações presentes no cotidiano, torna o ensino de
Física mais divertido, didático e significativo, o que facilita a aprendizagem, trazendo
maior significância dos conteúdos para os alunos.
137
Figura 7.1 - Resposta da Pesquisa de opinião pré instrução
Fonte: Arquivo da autora
Figura 7.2 - Resposta da Pesquisa de opinião pré instrução
Fonte: Arquivo da autora
138
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho foi desenvolvido com o objetivo principal de mostrar que para
oferecer uma aula diferenciada, na qual os alunos participam ativamente, não é necessário
material especificamente de laboratório, por vezes escassos na maioria das escolas
públicas brasileiras. É possível fazer uso de metodologias ativas como a abordagem POE
(Predizer-Observar-Explicar), que numa dinâmica de atividades experimentais favorece
a aproximação de conceitos científicos e possui enorme potencial de propiciar a interação
e comunicação entre alunos e docente. Os resultados, baseados no que se encontra na
literatura, foram considerados satisfatórios e indicam que um planejamento levando em
consideração as concepções alternativas dos alunos resulta em uma aprendizagem mais
eficiente, tanto em relação aos aspectos cognitivos como aos socioemocionais e apontam
para uma melhora no desempenho à medida que os estudantes entram em contato com o
estudo formal dos conceitos de Física térmica.
A pesquisa desenvolvida indica que o emprego da estratégia didática POE permite
que os estudantes exponham seus conceitos previamente concebidos, tornando-os autores
do próprio conhecimento. Que diante dos experimentos observados (conflitos cognitivos)
são conscientizados dos seus conhecimentos prévios e impulsionados a estabelecer a
construção de novas explicações mais próximas do modelo científico vigente. Leva o
estudante à compreensão da Física como uma ciência, essencialmente experimental, que
trabalha com hipóteses que devem ser continuamente testadas para sua validação. Além
disso, favorece o desenvolvimento de habilidades cognitivo-linguísticas, como:
descrever, resumir, definir, explicar, justificar, argumentar etc. Mostrou ser uma
ferramenta eficaz tanto do ponto de vista da aprendizagem ativa quanto da análise
diagnóstica. No entanto, conforme Vasquez Diaz (1987), ao se fazer uma abordagem
conceitual de calor, verifica-se que vários outros conceitos estão implicados, tais como:
temperatura, energia, transferência de energia, energia interna e interação térmica. Por
isso foi necessário oferecer, conjuntamente aos roteiros experimentais POE, outras
ferramentas didáticas para os alunos como, por exemplo, aulas expositivas, exercícios de
fixação, resumos, pesquisas e dicionário térmico.
Indubitavelmente, os trabalhos de Piaget e Ausubel contribuíram e muito no
desenvolvimento e aplicação dessa pesquisa, principalmente porque proporcionam um
139
conhecimento minucioso sobre o desenvolvimento do ser humano e esse conhecimento
permite compreendermos como nossa interação e ação com o meio influenciam em nossa
capacidade de aprender os conceitos científicos e suas implicações em nosso cotidiano.
Ao ensinar o professor também desenvolve valores e normas que deverão ser apreendidas
pelos estudantes com o objetivo de melhor se adaptar ao meio e agir sobre ele. E o
educando, ao aprender isso, é capaz de compreender como a sociedade está organizada,
se sentir parte e responsável por ela. Assim, as metodologias ativas são indispensáveis na
construção de conhecimentos, ou seja, o aluno precisa participar ativamente do processo
de aprender, pois dessa maneira, ele passa a construir coisas novas ao invés de repetir ou
reproduzir algo que lhe foi transmitido. No que tange às explicações causais, foi possível
verificar que as situações envolvendo os fenômenos térmicos se apresentam
particularmente menos acessíveis do que as situações mecânicas, visto que não existem
relações diretas com as ações exercidas. Estão em jogo as sensações táteis e os efeitos
provocados, portanto as percepções manifestadas pelos alunos são realizadas através de
regulações muito menos ativas e amplas do que aquelas onde estejam presentes situações
envolvendo a causalidade mecânica.
Constata-se também que o insucesso de boa parte dos alunos em suas explicações
ocorre porque elas refletem concepções profundamente enraizadas durante a vida
cotidiana, dificultando o aprendizado dos conceitos científicos e o desenvolvimento de
conceitos complexos que ocorrem em muitos pequenos passos. Os autores Louzada, Elia
e Sampaio (2015) afirmam haver discrepâncias de tipificação das opções de resposta entre
o questionário original e o adaptado para o Português, sugerindo, de um lado, que algumas
dimensões apresentam maiores dificuldades em serem tipificadas, como é o caso, por
exemplo, concepções dos estudantes sobre o calor. E, de outro, que a tradução, adaptação
e os resultados de alguns procedimentos necessários para operacionalizar o instrumento
introduzem alterações importantes nos resultados de sua aplicação, conforme discutido
na questão 15. Entretanto, o uso do questionário padronizado proposto por Yeo e Zadnik
(2001), adaptado para aplicação em português, mostrou ser um recurso didático
interessante para revelar as dificuldades dos alunos, em relação à Calorimetria, antes e
após aplicação da sequência didática.
A pesquisa sugere que apesar de muitos alunos escolherem as alternativas
corretas, as justificativas não sustentam suas respostas. Eles são capazes de usar fórmulas
e resolver os problemas teóricos ou matemáticos, mas não entendem os conceitos
140
subjacentes às fórmulas. Boa parte dos estudantes ligam intimamente suas experiências
de vida com uma situação concreta, mas não “linkam” o que aprendem nas aulas de Física
com suas experiências pessoais. Percebe-se que os alunos têm ciência de que o calor é
uma forma de energia em trânsito entre dois objetos devido às diferenças de temperatura,
mas não reconhecem que o fluxo de calor ocorre, espontaneamente do objeto com maior
temperatura para o objeto de menor temperatura. As marcações contraditórias por parte
dos alunos mostram que ainda confundem os conceitos de calor e temperatura, que não
entendem as diferenças entre eles e por isso escolheram esses termos alternadamente. A
temperatura de um objeto foi vista como uma característica do material do qual o objeto
é feito e não como uma medida do grau de agitação das moléculas do qual o objeto é
formado. A capacidade térmica e o calor específico foram muitas vezes mal diferenciadas.
Os alunos nem sempre consideram que objetos no mesmo ambiente têm a mesma
temperatura, quando são dadas novas situações, conforme relatado por Tiberghien (1985),
Thomaz et al. (2003) e Clark e Jorde (2004): “os alunos aprendem memorizando o
conceito sem a compreensão fundamental porque suas experiências pessoais são
resistidas pelos conceitos científicos”. A maioria dos alunos tende a raciocinar que
sensações diferentes significam temperaturas diferentes.
Alguns estudantes responderam às perguntas dos questionários POE
corretamente, mas voltaram para suas concepções alternativas aplicadas a situações
cotidianas. Uma parcela dos alunos afirmou, em suas marcações, que o calor é uma
substância, algo como o ar ou fluxo que poderia ser adicionado ou removido de um objeto,
muito semelhante à teoria calórica do calor. Outros alunos no pós-teste ainda
consideraram que as palavras “calor” e “temperatura” são a mesma coisa, fato que ocorreu
de forma semelhante no trabalho de Kesidou e Duit (1993), Elwan (2007), que aponta a
dificuldade dos alunos em distinguirem o calor e temperatura na estrutura extensiva e
intensiva. Isso leva a crer que houve falhas no decorrer das atividades, talvez por ter sido
o conteúdo tratado, principalmente na primeira atividade, quando ainda a metodologia
era uma novidade para a professora e os alunos. No entanto, o aumento percentual de
acerto (72%) da questão 4 evidencia a eficácia do uso da experimentação numa
abordagem investigativa tanto para a compreensão da diferenciação da temperatura da
água em ebulição e do vapor formado logo acima dela, quanto das diferentes temperaturas
atribuídas ao gelo e água no processo de fusão. Além disso, observa-se que um número
considerável de alunos pesquisados deixou de associar a mudança de fase a um valor
141
pontual de temperatura e passou a aceitar a continuidade de troca de calor, por exemplo,
existir água líquida a 0ºC, associando à perda de calor necessária para a mudança de
estado e não à sua temperatura.
A pesquisa sinaliza para alguns fatores que comprometeram a prática docente, tais
como: alunos heterogêneos e faltosos; tempo limitado para o planejamento e
desenvolvimento das aulas; grande dificuldade de uma parcela dos alunos em operações
matemáticas; número escasso de aulas reservadas à disciplina Física no Ensino Médio.
Entretanto, no decorrer da aplicação da sequência experimental mediada pela
metodologia POE no ensino da Calorimetria, os alunos se tornaram mais receptivos,
interessados, participativos, questionadores e autônomos. O que credencia a sua
aplicabilidade para outros níveis e disciplinas curriculares. Segundo Sasseron (2013),
alfabetizar cientificamente os alunos significa oferecer condições para que os alunos
possam se posicionar e tomar decisões conscientes sobre os problemas da sua vida e da
sociedade relacionados ao conhecimento científico.
Como docente de escola pública, desenvolver, aplicar e analisar essa sequência
didática experimental via abordagem POE foi muito desafiador. Mas, chegar até aqui,
mostra que o desenvolvimento verificado não foi apenas no desempenho dos alunos, mas
também no profissional docente.
142
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151
APÊNDICE 1
PRODUTO EDUCACIONAL
152
ABORDAGEM PREDIZER- OBSERVAR- EXPLICAR:
UMA ESTRATÉGIA DIDÁTICANO ENSINO DA
CALORIMETRIA PARA O NÍVEL MÉDIO
ELISÂNGELA LOPES GOMES TEIXEIRA SANTOS
Macaé, RJ
2021.
153
ABORDAGEM PREDIZER. OBSERVAR. EXPLICAR: UMA
ESTRATÉGIA DIDÁTICA NO ENSINO DA CALORIMETRIA
PARA O NÍVEL MÉDIO
ELISÂNGELA LOPES GOMES TEIXEIRA SANTOS
Material instrucional associado à
dissertação de Mestrado de
ELISÂNGELA LOPES GOMES
TEIXEIRA SANTOS apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em
Ensino de Física do Campus UFRJ-
Macaé, vinculado ao Mestrado
Profissional de Ensino de Física
(MNPEF), como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Mestre em Ensino de Física.
Orientadora:
Professora Irina Nasteva
Macaé, RJ
2021.
154
Apresentação
Prezados (as) professores (as),
A presente proposta didática para o ensino de Calorimetria foi elaborada como
parte do trabalho de mestrado do MNPEF oferecendo um produto educacional para ensino
e aprendizagem significativa em Calorimetria. A sequência didática está baseada na teoria
de aprendizagem significativa de David Ausubel, composta de atividades experimentais
mediadas pela metodologia POE (Predizer – Observar – Explicar) que tem como objetivo
contribuir com o professor nas aulas de calorimetria, de modo a possibilitar um
envolvimento mais efetivo e autônomo dos alunos, relacionando a prática com a teoria
no decorrer das aulas de Física.
Este trabalho foi desenvolvido e aplicado no ambiente de sala de aula no segundo
bimestre (de maio a julho) do ano 2019 na turma 2001 do ensino médio integral com
ênfase em Empreendedorismo do Colégio Estadual CIEP 393 Aroeira, Macaé- RJ.
Acredita-se que este material também possa ser utilizado em turmas dos cursos de
graduação em Física e Química para auxiliar e motivar o estudo da calorimetria e também
em turmas de Magistério e Pedagogia como alternativa de vivenciarem metodologias
ativas e significativas de ensino.
Acredita-se que o material aqui disponível contém as informações necessárias
para o professor que deseje repetir ou adaptar essa proposta didática. Espera-se que,
através deste trabalho, outros professores se interessem em implementar e fazer uso de
experimentos simples, mas com alto valor didático, no cotidiano escolar.
Um abraço, Elisângela Lopes Gomes
Teixeira Santos.
155
CONTEÚDO CURRICULAR
Foi escolhido dentro do tópico Física Térmica o tema Calorimetria, devido
não só às dificuldades usualmente enfrentadas pelos estudantes na interpretação
dos fenômenos relacionados com a Calorimetria, mas também, divulgar
experimentos realizáveis ou demonstráveis de fácil acesso e manipulação, onde os
alunos são instigados a participarem ativamente das aulas, através da abordagem
POE (Predizer – Observar – Explicar).
METODOLOGIA ESCOLHIDA
A metodologia ativa POE se apresenta como uma ferramenta eficaz tanto
do ponto de vista da aprendizagem ativa quanto da análise diagnóstica. Esta
metodologia permite que o estudante exponha seus conceitos previamente
concebidos, tornando-os autores do próprio conhecimento, que diante dos
experimentos observados (conflitos cognitivos) são conscientizados dos seus
conhecimentos prévios e impulsionados a estabelecer a construção de novas
explicações mais próximas do modelo científico vigente. Além disso, leva o
estudante à compreensão da Física como uma ciência, essencialmente,
experimental que trabalha com hipóteses que devem ser continuamente testadas
para sua validação.
ETAPAS DA METODOLOGIA POE
A sequência do predizer, observar, explicar deve ser seguida com o cuidado
de construir situações que promovam o contraste entre o conhecimento prévio do
aluno com as observações para que a atividade proposta tenha seus objetivos
alcançados. Assim é possível que os alunos ao trabalharem em grupos possam
compartilhar opiniões, predições e interpretações (CROOK apud TAO e
GUNSTONE, 1999). Importante também haver situações que confirmem a
resposta intuitiva. Esse equilíbrio deve ser pensado para que os estudantes não
fiquem desestimulados e percebam que também são capazes de criarem modelos
que estão de acordo com o pensamento científico vigente (CID e SASAKI, 2018).
156
Por isso o produto educacional apresentado foi desenvolvido de forma a envolver
o aluno os conteúdos estudados, não de maneira mecânica e literal, mas sim
significativa, que faça sentido para ele, permitindo estabelecer relações com
situações do seu dia a dia. Principais pontos do sequenciamento da metodologia
estão listados abaixo.
PREDIÇÃO
Fonte: Arquivo da Autor
Etapa de levantamento das hipóteses dos alunos sobre vários fenômenos
relacionados aos conceitos que eles verificam no cotidiano. Que explicações
apresentam? Como interpretam? Como justificam? Trata-se de uma chamada para
o estudo que será desenvolvido, mobilizando os alunos para as explicações
científicas de “fatos cotidianos”, e de uma oportunidade de conhecer o que eles já
sabem, que linguagem utilizam, quais aproximações fazem com conceitos formais
que já possuem, que assuntos relacionados aos conteúdos demonstram mais
curiosidade e/ou motivação para aprender.
157
OBSERVAÇÃO Fonte: Arquivo da Autor
O experimento é executado pelos alunos e/ou pelo professor para que todos
possam realizar e observar os fenômenos que surgem da atividade, registrar e
discutir com seus pares, confrontar os conhecimentos prévios e descrever os
eventos observados. Nesta etapa são requeridas várias operações do pensamento,
tanto na observação direta quanto na observação abstrata. É nessa etapa também
que as observações serão comparadas com as predições que foram feitas na etapa
anterior.
EXPLICAÇÃO
Fonte: Arquivo da Autora
158
Os alunos irão descrever possíveis semelhanças e/ou diferenças, por meio
da identificação, comparação, análise entre as suas respostas da predição com
aquilo que observaram durante a realização do experimento, tentando explicar o
fenômeno comprovando ou não a suposição inicial, buscando reconciliar suas
suposições iniciais entre a previsão e as observações.
CONTRIBUIÇÃO DA PROPOSTA
Os resultados obtidos e as opiniões dos alunos em relação a metodologia
dos roteiros experimentais POE, foram considerados satisfatórios e indicam que
um planejamento levando em consideração as concepções alternativas dos alunos
resulta em uma aprendizagem mais eficiente, tanto em relação aos aspectos
cognitivos como aos não cognitivos. O produto educacional elaborado contém seis
planos didáticos das atividades, bem como os doze roteiros experimentais,
questionários POE de aplicação de cada aula e um quadro associando os conceitos
aos experimentos, de modo a facilitar a escolha.
A intenção é subsidiar o professor com instrumentos e metodologias que
possibilitem a construção de um ambiente dinâmico e atraente para o aluno. Diante
do exposto, a sugestão é uma avaliação de caráter formativo usando competências
socioemocionais relativas ao trabalho autônomo, além da observação, o
levantamento de hipóteses e a argumentação. O professor pode e deve adequar esta
proposta, de acordo com a realidade local, tanto com relação aos experimentos
empregados, quanto ao número de aulas, que foram planejadas de modo que os
alunos adquiram autonomia no processo.
PLANEJAMENTO
As atividades foram organizadas de maneira que os professores da área
possam reproduzi-las no formato que foram realizadas na pesquisa. O
planejamento contempla os objetivos a serem alcançados, o tempo necessário para
as execuções das atividades, conteúdos curriculares e experimentos POE
selecionados. A proposta didática deve incorporar diversas estratégias de ensino,
como aulas expositivo-dialogadas, com recursos de imagens, pedido de pesquisa
159
ou resumo, resolução, em casa ou em pequenos grupos em aula, de listas de
exercícios incluindo questões dos concursos vestibulares, temas transversais como
inversão térmica, aquecimento global e efeito estufa e principalmente dos
questionários POE.
ATIVIDADES
ATIVIDADE 1- CONCEITOS BÁSICOS DA CALORIMETRIA
4 aulas (50 minutos cada)
Conteúdo
▪ Energia interna de um sistema
▪ Temperatura
▪ Calor
▪ Equilíbrio térmico
▪ Condutividade térmica
▪ Sensações térmicas
Objetivos
▪ Compreender e significar os conceitos
científicos de calor, sensação térmica,
temperatura e energia interna de um
sistema, entendendo calor como fluxo de
energia e temperatura como grandeza
associada à energia interna de um corpo.
▪ Saber que a sensação térmica está ligada à
taxa de transferência de calor e, portanto, à
condutividade térmica do material ao qual o
indivíduo está em contato.
▪ Diferenciar calor e temperatura,
reconhecendo suas unidades de medidas.
▪ Saber que, quando dois corpos trocam calor
entre si eles tendem a uma temperatura final
160
comum chamada de temperatura de
equilíbrio térmico.
▪ Verificar situações cotidianas em que
situação se estabelece o equilíbrio térmico.
Roteiro
Experimental POE
▪ 1 Você pode dizer a diferença?
▪ 2 Quente ou frio?
▪ 3 Temperatura perfeita para banho
▪ 4 Investigando o calor da eletricidade
Sugestão de
atividade para casa
▪ Pesquisa sobre a evolução do conceito de calor
para que os alunos tomem consciência da
importância histórica, econômica da
calorimetria. Entendendo que seus conceitos
complexos foram estudados por muitos
cientistas durante muito tempo para chegar nos
conceitos científicos de hoje.
▪ Pesquisa sobre os principais tipos de
termômetros, características das substâncias
usadas e as principais escalas termométricas.
161
ATIVIDADE 2- MEDIDAS DE TEMPERATURA
2 aulas (50 minutos cada)
Conteúdo
▪ Calor sensível
▪ Escalas termométricas
▪ Relação entre as escalas termométrica
Objetivos
▪ Apresentar o conceito de equilíbrio térmico,
observando que este é alcançado em decorrência das
trocas de energia térmica entre os corpos de
temperaturas iniciais diferentes.
▪ Identificar o calor sensível trocado por um corpo com
base na equação fundamental da Calorimetria.
▪ Conhecer as principais escalas termométricas- Celsius,
Fahrenheit e Kelvin, bem como as relações de
transformação entre as medidas de temperatura nessas
escalas.
▪ Reconhecer o termômetro como instrumento que
realiza a medida da temperatura por meio da variação
de uma grandeza física que pode ser, por exemplo, a
altura de uma coluna líquida.
▪ Interpretar relações entre fenômenos naturais que
envolvem
calor e temperatura, e fazer associações com as propriedades da
matéria.
Roteiro
Experimental
POE
▪ Roteiro POE 5 – Não precisa soprar!
Sugestão de
atividade
para
casa
▪ Exercícios sobre transformações termométricas.
162
ATIVIDADE 3 - VARIAÇÃO DE TEMPERATURA
2 aulas (50 minutos cada)
Conteúdo
▪ Calor específico
▪ Capacidade térmica
Objetivos
▪ Compreender e significar os conceitos científicos de
calor, sensação térmica, temperatura e energia interna de
um
sistema, entendendo calor como fluxo de energia e temperatura
como grandeza associada à energia interna de
um corpo.
▪ Saber que a sensação térmica está ligada à taxa de
transferência de calor e, portanto, à condutividade
térmica do material ao qual o indivíduo está em contato.
▪ Diferenciar calor e temperatura, reconhecendo suas
unidades de medidas.
▪ Saber que, quando dois corpos trocam calor entre si eles
tendem a uma temperatura final comum chamada de
temperatura de equilíbrio térmico.
▪ Verificar situações cotidianas em que situação se
estabelece o equilíbrio térmico.
Roteiro
Experimental
POE
▪ 6 Que calor é esse
▪ 7 Qual substância é mais "quente”?
Sugestão de
atividade
para
casa
▪ Pesquisa sobre efeito estufa, aquecimento global e
inversão térmica.
163
ATIVIDADE 4 - TROCAS DE CALOR
2 aulas (50 minutos cada)
Conteúdo
• Fluxo de calor através de um corpo
• Condução
• Convecção
• Irradiação
Objetivos
▪ Compreender o calor como forma de energia,
identificando a equivalência entre a caloria e o joule.
▪ Reconhecer a relevância dos processos de condução e
convecção na transmissão de calor em meios materiais
sólidos e fluidos.
▪ Identificar na convecção uma modalidade de troca de
calor motivada pelo movimento de massas fluidas de
densidades diferentes.
▪ Reconhecer a irradiação térmica como um processo de
transmissão de calor que ocorre tanto em meios materiais
como no vácuo.
▪ Relacionar as formas e troca de calor a alguns fenômenos
de aquecimento e resfriamento de observação cotidiana.
▪ Identificar numa garrafa térmica os dispositivos para
impedir o fluxo de calor entre os meios interno e externo, bem
como sua relação com os processos de transmissão de calor
(condução, convecção e irradiação).
Roteiro
Experimental
POE
▪ Troca troca de calor!
Sugestão de
atividade
para casa
▪ Exercícios sobre equação do cálculo do fluxo de calor
através de um corpo.
164
ATIVIDADE 5 - DILATAÇÃO TÉRMICA
2 aulas (50 minutos cada)
Conteúdo
▪ dos sólidos
▪ linear
▪ superficial
▪ volumétrica
▪ dos líquidos
Objetivos
▪ Reconhecer que a variação de temperatura produz a
variação das dimensões de um corpo, tanto no aspecto
linear e no superficial quanto no volumétrico.
▪ Compreender e significar o conceito científico de dilatação
térmica.
▪ Reconhecer que a dilatação de um líquido é quantificada
considerando a dilatação do recipiente que o contém.
▪ Significar os principais tipos de dilatação térmica, bem
como as diferenças entre elas.
▪ Identificar situações cotidianas e fenômenos naturais
explicados pelo conceito de dilatação térmica.
Objetivos
▪ Reconhecer que a variação de temperatura produz a
variação das dimensões de um corpo, tanto no aspecto
linear e no superficial quanto no volumétrico.
▪ Compreender e significar o conceito científico de dilatação
térmica.
▪ Reconhecer que a dilatação de um líquido é quantificada
considerando a dilatação do recipiente que o contém.
▪ Significar os principais tipos de dilatação térmica, bem
como as diferenças entre elas.
▪ Identificar situações cotidianas e fenômenos naturais
explicados pelo conceito de dilatação térmica.
165
ATIVIDADE 6 - MUDANÇAS DE FASE
4 aulas (50 minutos cada)
Conteúdo
▪ Fases da matéria
▪ calor sensível e calor latente
▪ Fusão e Solidificação
▪ Influência da pressão na fusão-solidificação
▪ Vaporização / Evaporação / Ebulição
▪ Influência da pressão na temperatura de ebulição
▪ gás e vapor / Pressão máxima de vapor
▪ calor latente de vaporização e de condensação
▪ Curvas de aquecimento e de resfriamento / Diagrama de
fases
Objetivos
▪ Reconhecer as mudanças de fase da matéria como
transformações físicas motivadas pela troca de calor.
Saber diferenciar calor sensível e calor latente,
reconhecendo capacidade térmica e calor específico
como características de corpo e substância,
respectivamente.
▪ Reconhecer os fenômenos de ebulição, evaporação e
calefação como modalidades da vaporização.
▪ Identificar no diagrama de fases de uma substância sua
fase e relacionar as grandezas pressão e temperatura
durante uma mudança de fase.
▪ Compreender o significado de ponto crítico, bem como
diferenciar vapor de gás.
▪ Identificar nos diagramas de aquecimento ou
resfriamento as mudanças de fase quantificando os
calores latentes e sensível trocados nas diversas etapas.
▪ Identificar situações cotidianas e fenômenos naturais
explicados pelas mudanças de estados físicos da matéria.
Roteiro
Experimental
POE
▪ 10 A Sensibilidade do Calor
▪ 11 Temperaturas Fixas da Água
▪ 12 Fervendo Água e Óleo Fonte: Elaborado pela autora
166
ROTEIROS POE
Roteiro POE 1 – Você sabe a diferença?
Conteúdo
Calor Temperatura
Investigação
▪ Descobrir o quanto a temperatura de 10mL de água da
torneira vai subir quando for aquecido com o calor de
um fósforo.
▪ Descobrir se há alguma diferença quando usamos o calor
de dois fósforos.
Explicação Científica:
Quando a quantidade de energia térmica é duplicada, os cientistas esperam que
o aumento da temperatura dobre. No entanto, haverá alguma discrepância,
porque parte do calor é perdido para o ar circundante.
Roteiro POE 2 – Quente ou frio?
Conteúdo
Sensação térmica
Investigação
▪ Verificar qual carrinho está mais quente, o de plástico
ou de metal.
Explicação Científica:
Os termos quente, frio, morno, gelado são usados para classificar sensações
térmicas que percebemos, por exemplo, quando tocamos diferentes corpos. Já o
conceito de temperatura está intimamente relacionado à energia cinética
(rotacional, vibracional e
translacional) das moléculas que formam um corpo.
Roteiro POE 3 – Temperatura perfeita para banho
Conteúdo Equilíbrio térmico
Investigação ▪ Misturar quantidades diferentes de água quente e fria.
167
Explicação Científica:
Quando você mistura um copo de água quente com um copo de água fria (ou dois
quentes com dois frios), a temperatura final está a meio caminho entre as duas
temperaturas. A água quente tem mais energia térmica do que a água fria. Quando
você mistura com água fria, esta energia é dispersa por todo o volume. A temperatura
mede o movimento térmico (o movimento de agitação aleatório dos átomos onde o
aumento da agitação indica maior energia.
Roteiro POE 4 – Investigando o calor da eletricidade
Conteúdo
Relação entre massa, calor e temperatura
Investigação
▪ Descobrir o quanto a temperatura da água fria de torneira
sobe se aquecer 500mL em 30s.
▪ Descobrir o quanto a temperatura da água fria de torneira
sobe se aquecer 500mL em 60s.
▪ Descobrir o quanto a temperatura da água fria de torneira
sobe se aquecer 1000mL de água fria da torneira em 60s.
Explicação Científica:
Quando ligamos a cafeteira ocorre a transformação da energia elétrica em movimento
térmico (aumento da vibração das moléculas, que muitas vezes chamamos de energia
térmica). A quantidade de calor produzida em 60 segundos é duas vezes maior do que
em 30 segundos. Dobrar o calor ou o movimento térmico duplica o aumento da
temperatura.
Quando você dobra a quantidade de água, você reduz para metade o aumento da
temperatura, porque há duas vezes mais água para aquecer (duas veze mais moléculas
para vibrar com a mesma quantidade de calor).
o mesmo aumento de temperatura como antes. Salvo quando ocorre mudança de
estado físico, por exemplo, de líquido para gás. Nesse caso a temperatura se manterá
constante, mesmo com fornecimento de calor, até que toda a substância mude de
estado físico. Ou seja, a relação entre a entrada de energia e aumento de temperatura
não é estritamente linear.
▪ Roteiro POE 5 – Não precisa soprar!
Conteúdo
Calor sensível
Investigação
▪ Observar o comportamento de uma bexiga usada para
fechar a boca de uma garrafinha mergulhada na água
morna; na água quente; e na água gelada.
▪ Um medidor de temperatura caseiro conforme imagem
abaixo, funciona?
168
Explicação Científica:
O estado de certa massa constante de gás fica definido quando conhecemos o
volume que ela ocupa, sua temperatura e a pressão por ela exercida nas paredes
do recipiente a contém. Ao aumentar a temperatura de um gás, a energia
cinética das moléculas deste gás também aumenta. Sendo assim, a trajetória
das moléculas do gás até as paredes do recipiente também aumenta, mantendo-
se constante o número de
choques (pressão).
▪ Roteiro POE 6 – Que calor é esse!
Conteúdo
Calor específico
Investigação
▪ Encher, respectivamente, três bexigas de
aniversário com álcool, água e areia e depois
aquecer.
Explicação Científica:
Calor específico é a quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a
temperatura de 1 grama de uma substância. Como as substâncias são diferentes
possuem valores de calor específicos diferentes, por exemplo a água com calor
específico de 1 cal/g ºC, o álcool etílico com 0,573 cal/g ºC e a areia com 0,20
cal/g ºC, portanto, dentre os
exemplos, a temperatura da areia aumenta mais rápido.
Roteiro POE 7 – “Qual substância é mais quente”?
Conteúdo
Capacidade térmica
Investigação
▪ Observar o descongelamento de uma mesma
quantidade de água e óleo.
▪ Observar o comportamento de dois cadeados
aquecidos a 100ºC. O primeiro transferido
para 100mL de água e o segundo para 100mL
de óleo, ambos à temperatura
ambiente.
169
Explicação Científica:
Substâncias com baixo calor específico não só se aquecem, mas também
se esfriam mais rapidamente daqueles que possuem maior calor específico. Se
as massas analisadas forem iguais, a capacidade térmica, quantidade de calor
que deve ser absorvida ou cedida por um corpo para que ocorra variação de 1
°C, será determinada pelos valores do calor específico.
Roteiro POE 8 – Troca troca de calor!
Conteúdo
• Fluxo de calor através de um corpo
• Condução
• Convecção
• Irradiação
Investigação
▪ Verificar o que acontece durante o aquecimento de
uma certa quantidade de água quando se adiciona
corante.
▪ Observar como funciona uma garrafa térmica,
identificando as partes e princípios calorimétricos
envolvidos.
Explicação Científica:
Corpos em temperaturas diferentes têm energias térmicas diferentes. Corpos
nessa condição apresentam tendência ao equilíbrio térmico, estabelecido pela
transferência de calor entre eles. O calor pode se propagar em meios sólidos,
em meios fluidos
(líquidos e gases) ou até mesmo no vácuo.
▪ Roteiro POE 9 – Como Funciona um Termostato?
Conteúdo
Dilatação Térmica
Investigação
Observar o aquecimento dos seguintes materiais: folha de
alumínio, papelão, isopor, plástico, caixinha de leite, pacote
laminado, Folha de alumínio + fita adesiva, folha de alumínio
+ fita
transparente.
170
Explicação Científica:
Diferentes materiais se expandem (dilatam) ou se contraem em diferentes
quantidades, quando submetidos às trocas de calor. Quando a temperatura
chega a um limite predeterminado, o termostato desliga o aquecedor de
ambiente, pois a lâmina bimetálica se dobra (dilata) e abre o circuito. E quando
a temperatura cai, o aquecedor liga, pois a lâmina se contrai (desdobra),
fechando o circuito.
▪ Roteiro POE 10 – A Sensibilidade do Calor
Conteúdo
Calor sensível
Investigação
▪ Observar o aquecimento de uma mesma
quantidade de água e óleo.
Explicação Científica:
✓ Quando a quantidade de energia térmica é duplicada, os cientistas
esperam que o aumento da temperatura dobre. No entanto, haverá
alguma discrepância, porque parte do calor é perdido para o ar
circundante.
Roteiro POE 11 – Temperaturas Fixas da Água
Conteúdo
Calor latente
Investigação
▪ Acompanhar a variação de temperatura durante o
aquecimento de uma amostra de água, inclusive
após a adição de sal de cozinha quando a mesma
estiver fervendo.
Explicação Científica:
Uma dada substância é sempre a mesma, independentemente do estado em que
se encontra. O que muda de um estado para outro é a organização das
partículas (moléculas ou átomos). Sobretudo no que se refere à distância entre
elas e à sua
movimentação.
▪ Roteiro POE 12 – Fervendo Água e Óleo
Conteúdo
Calor específico Calor sensível Capacidade térmica
171
Investigação
▪ Observar o aquecimento simultâneo de uma
amostra de óleo e outra de água e verificar quem
entra em ebulição primeiro.
Explicação Científica:
Quando uma substância recebe ou libera certa quantidade de calor, sua
temperatura aumenta ou diminui, respectivamente. Em alguns casos, a
quantidade de calor trocado provoca apenas a variação de temperatura do corpo
ou substância, sem causar mudança
de fase.
Fonte: Elaborado pela autora
A seguir, um quadro com os experimentos e os conceitos abordados em
cada um.
172
QUADRO SÍNTESE DOS CONCEITOS DE CALORIMETRIA
ABORDADOS NOS EXPERIMENTOS
Fonte: Elaborado pela autora
ROTEIROS EXPERIMENTAIS POE
A seguir são disponibilizados os doze roteiros experimentais POE.
Roteiros
Experimentais
POE
Conceitos abordados
Sensação
Térm
ica
Calo
r
Tem
pera
tura
Equilíb
rio
Térm
ico
Energ
ia
Escala
s
Term
om
étr
icas
Calo
r E
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Capacid
ade
Térm
ica
Tip
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rocas
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T
érm
ica
Calo
r S
ensív
el
Calo
r Late
nte
Mudanças
Esta
dos
Dia
gra
ma
de
Fases
1Você pode dizer a diferença?
X X X
2 Temperatura perfeita para banho.
X X X X
3 Quente ou frio? X X X X
4 Investigando o calor da eletricidade
X X X X
5 Não precisa soprar! X X X
6 Que calor é esse! X X X X X X
7 “Qual substância X X X X X X
é mais quente?”
8 Troca troca de calor?
X X X X
9 Como Funciona um
Termostato? X X X X X
10 A Sensibilidade do
Calor X X X X
11 Temperaturas Fixas da Água
X X X X X
12 Fervendo Água e Óleo
X X X X X X
173
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 1: VOCÊ PODE DIZER A
DIFERENÇA?
Material
▪ Termômetro
▪ Água de torneira
▪ Tubo de ensaio
▪ Fósforos
Quando se coloca uma lata de refrigerante, a temperatura ambiente, em
contato com gelo em recipiente de isopor, a intenção é resfriar a bebida. Em
consequência, o gelo começa a aquecer e pode derreter. Você sabe a
diferença entre calor e temperatura?
Veja se você pode preencher os espaços em branco nas frases abaixo. Tente
usar as palavras calor ou temperatura como os cientistas usam.
Qual é ____________________ de água da torneira?
Dois fósforos dão duas vezes mais __________________ do que um.
Você pode obter ___________________ suficiente de um fósforo aceso para
elevar ____________________ da água até seu ponto de ebulição?
Agora tente escrever o que você entende por estas duas palavras.
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
Investigação 1: calor de um fósforo
Vamos descobrir o quanto a temperatura de 10mL de água da torneira vai subir
quando for aquecido com o calor de um fósforo:
➢ Meça a temperatura inicial da água da torneira. ____ ºC.
174
➢ Agora aqueça a água com um fósforo. Meça a temperatura final. ____ ºC.
➢ Quanto é que a temperatura se elevou? ____ ºC.
Investigação 2: dobrando o calor
Vamos descobrir se há alguma diferença quando usamos o calor de dois
ósforos?
➢ Coloque 10mL de água da torneira em um tubo de ensaio. Pense sobre quanto
acha que a temperatura vai subir!
➢ Quanto você acha que a temperatura vai subir? _____ ºC.
Por favor, dê as suas razões:
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
Observação
Descreva o que observou:
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
Temperatura de início: ____ ºC. Temperatura final: _____ ºC.
Aumento de temperatura: ____ ºC.
Explicação
Compare o aumento de temperatura entre um e dois fósforos. Tente explicar
seus resultados.
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
A observação foi o que esperava? Se não, como poderia explicar a diferença?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
175
Hmm...
Vamos tentar dobrar o calor e dobrar o volume de água! O que você acha que
vai acontecer? Tente explicar.
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
176
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 2: QUENTE OU FRIO?
Material
01 carrinho de metal vermelho
01 carrinho de plástico vermelho
01 termômetro
É comum, ao entrar no banheiro de casa, vermos joguinho de tapetes que dão um
charme a mais ao ambiente. Suponha que entre descalço no banheiro e coloque um pé
no tapete e outro no piso de azulejo.
Percebe alguma diferença? __________
Explique. ____________________________________________________________
____________________________________________________________________
Investigação: Qual dos carrinhos está mais quente?
Predição
Ao tocar dois carrinhos vermelhos na bancada, qual você acha que está mais quente, o
de plástico ou de metal? ____________________
Por favor, dê suas razões:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Com um termômetro, meça a temperatura dos carrinho.
Qual foi a temperatura medida:
Carrinho de metal vermelho? _______ ºC.
Carrinho de plástico vermelho? ______ ºC.
Explicação
177
Comparando as medidas de temperaturas dos carrinhos, suas previsões estavam de
acordo com a observação realizada? __________________
Como você explica o que foi observado? _____________________________________
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 3: TEMPERATURA PERFEITO
PARA BANHO
Material
05 copos
Termômetro
água quente
água gelada
Você já teve problemas para obter a temperatura perfeita para o banho? Qual é o
segredo?
Se você misturar 1 copo de água a 10 ºC com 1 copo de água a 50 ºC, qual a
temperatura que você vai conseguir? _____________.
Investigação - Misturar quantidades diferentes de água quente e fria
Abrir a torneira e, em seguida, recolher 3 copos de água fria e 2 copos de água
quente em recipientes separados.
Medir as suas temperaturas.
Água fria _____ºC.
Água quente _____ºC.
Previsão
Tente prever a temperatura resultante quando misturar quantidades diferente em
conjunto. Use a tabela abaixo.
Número de copos de
água fria (º C)
Número de copos de
água quente (º C)
Temperatura
prevista da mistura
(º C)
Temperatura
observada da
mistura (º C)
178
1 1
1 2
2 2
3 2
Tente explicar como você fez suas previsões:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Descreva o que observou:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Preencha a coluna da tabela que faltou.
Explicação
A observação foi o que esperava? Se não, como poderia explicar a diferença?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Quão boas foram as tuas previsões? Você pode encontrar uma maneira de calcular a
temperatura da mistura?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
179
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 4 – INVESTIGANDO O CALOR DA
ELETRICIDADE
Material
Água de torneira
Cafeteira elétrica
Termômetro
Na cafeteira elétrica ocorre transformação de energia elétrica em energia térmica.
Vamos descobrir o quanto a temperatura da água sobe se aquecer 500mL em 30s.
Coloque 500ml da água fria da torneira na cafeteira vazia e meça a temperatura de
começo: ____ º C.
Ligue a cafeteira para 30s e tome a temperatura final. ____ º C.
Calcule o aumento da temperatura: ____ º C.
Investigação 1: Dobrando o calor
Coloque 500ml de água fria da torneira na cafeteira vazia e aqueça por 60s.
Previsão
Para você qual será a temperatura final? _____ º C.
Por favor, explique.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Investigação 2: Dobrando o calor e dobrando o volume da água
Coloque 1000ml da água fria da torneira na cafeteira e aqueça por 60s.
Previsão
Qual será a temperatura final? ____ º C.
180
Por favor, explique.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Descreva o que observou no experimento 1:
_____________________________________________________________________
Descreva o que observou no experimento 2:
______________________________________________________________________
Registre suas observações para todas as suas experiências na tabela abaixo.
Pré investigação Investigação 1:
duplicação do calor
Investigação 2:
Duplicação de calor e
do volume de água
Quantidade de água
500 mL 500 mL 1.000 mL
Tempo de
aquecimento
30s 60s 60s
Temperatura final
Temperatura inicial
Aumento da
temperatura
Explicação
A observação foi o que esperava? Se não, como poderia explicar a diferença?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Tente relacionar de que maneira o aumento da temperatura varia dependendo da
quantidade de calor e da quantidade de água.
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
181
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 5 – NÃO PRECISA SOPRAR!
Material:
▪ 01 bexiga de aniversário pequena
▪ 01 garrafinha de leite de coco
▪ 01 termômetro
▪ 01 Becker de 100mL com água quente
▪ 01 Becker de 100mL com água gelada
▪ 01 Becker de 100mL com água morna
O conceito de temperatura está intimamente relacionado à constituição da matéria.
Quanto maior a energia cinética média das moléculas, maior a temperatura do objeto.
Você sabe o que acontece ao ar quando é aquecido?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
A pressão nos pneus de carro é mais elevada após uma movimentação. Você sabe por
quê?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Investigação: Medindo a temperatura
• Feche a boca da garrafinha com a bexiga
Predição
O que acontecerá com a bexiga se colocarmos a garrafinha na:
Na água morna?
______________________________________________________________________
Na água quente?
_____________________________________________________________________
Na água fria?
_____________________________________________________________________
182
Observação
O que aconteceu com a bexiga quando colocamos a garrafinha no:
1º Becker com água morna?
_____________________________________________________________________
2º Becker com água quente?
_____________________________________________________________________
3º Becker com água fria?
______________________________________________________________________
Explicação
Aconteceu o que você esperava?
______________________________________________________________________
Tente explicar o que aconteceu usando a palavra se expande.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Nayra, aluna do 2º ano do Ensino Médio, inventou um medidor de temperatura caseiro
para a feira das ciências de sua escola, conforme imagem abaixo.
Você acha que vai funcionar? _____________
O que você acha que vai acontecer se ele coloca a garrafa em água morna?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Você pode melhorá-lo? ___________
Você pode transformá-lo em um termômetro? ____________
Como?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
183
Na escala termométrica onde a água se funde a 25 ºN e entra em ebulição na marca de
125ºN, qual será a temperatura em ºN quando o termômetro caseiro marcar 35ºC?
_________.
184
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 6 – QUE CALOR É ESSE!
Material
▪ 03 bexigas de aniversário
▪ Água de torneira
▪ Areia
▪ Ar
▪ 03 Velas
▪ Fósforos
Em uma manhã de céu azul, um banhista na praia dos cavaleiros observa que a areia está
muito quente e a água do mar está muito fria. À noite, esse mesmo banhista observa que
a areia da praia está fria e a água do mar está morna.
Você já percebeu isso também? ________________
Por favor, dê suas razões para esse fenômeno.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Investigação: Enchendo e aquecendo as bexigas de aniversário
➢ Primeira com água
➢ Segunda com álcool
➢ Terceira com areia
➢ Colocar as três bexigas, ao mesmo tempo, sobre a chama das velas acessas.
Previsão
Para você o que irá acontecer?
______________________________________________________________________
Por favor, explique.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
185
Observação
Descreva o que observou no decorrer do tempo:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Explicação
A observação foi o que esperava? _________.
Se não, como poderia explicar a diferença?
Tente relacionar de que maneira o tipo de material dentro das bexigas influenciou no
resultado.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
E agora, qual a explicação você daria para o fenômeno observado pelo banhista?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
186
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 7: “QUAL SUBSTÂNCIA É MAIS
QUENTE?”
Material
▪ 03 copos descartáveis
▪ 03 recipientes metálicos
▪ 02 copos de vidro (200mL)
▪ Água de torneira
▪ óleo de soja
▪ Congelador
▪ Fonte de calor
▪ 02 amostras de metal de 30g cada (Cadeados ZAMAC- liga metálica de zinco,
alumínio, magnésio e cobre)
Qual substância contém mais energia térmica?
Você sabe?
Antigamente, antes que as casas tivessem sistemas de aquecimento, as pessoas
costumavam aquecer suas camas com garrafas de água quente ou rocha (minérios)
quente. Eles gostariam de saber o que funcionaria melhor - água, rocha ou qualquer
outra coisa.
Você acha que há alguma diferença? ____________________
Por favor, indique suas razões.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Investigação 1: “Derretendo” água e óleo
➢ Medir 30g de água e 30g de óleo em cada copo descartável. E no terceiro copo
60mL (30ml de água + 30mL de óleo)
➢ evar os copos ao refrigerador e aguardar.
➢ Após congelar transferir para os recipientes metálicos sobre a bancada.
187
➢ Observar durante 5min.
Previsão
Qual você acha que vai derreter mais rápido?
Óleo ( ) b) Água ( ) c) Ao mesmo tempo ( )
Por favor, dê suas razões.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Descreva o que você observou no decorrer do tempo estimado.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Explicação
Aconteceu o que você esperava? __________________
Qual é a sua explicação para o ocorrido?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Tente relacionar as grandezas físicas que influenciaram no resultado.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Investigação 2: Do que esse calor é capaz?
➢ Aqueça os dois cadeados (30g) de metal a 100º C em água fervente.
➢ Transfira um cadeado para 100mL de água à temperatura ambiente.
➢ E o outro para 100mL de óleo, também à temperatura ambiente.
➢ Aguardar até a temperatura estabilizar.
Predição
Qual você acha que vai aquecer mais?
A água ( ) O óleo ( ) Aquecimento igual ( )
Por favor, dê as suas razões para essa previsão
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Temperatura da água: ______________
188
Temperatura do óleo: ______________
Temperatura da água + cadeado de metal: _________________
Temperatura do óleo + cadeado de metal: ____________________
Explicação
Qual material mostrou ter maior e menor capacidade térmica?
Metal ( ) Água ( ) óleo ( )
Isso te surpreendeu? __________________________________
Aguente!
De volta aos aquecedores de cama!
Como você faria um experimento para descobrir qual aqueceria ou resfriaria melhor:
uma rocha (do tamanho de uma pedra grande) ou a mesma massa de água?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
189
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 8- TROCA TROCA DE CALOR
Material
▪ Becker água corante
▪ Álcool em gel
▪ Fogareiro
▪ Fósforo
Investigação: Identificando os tipos de troca de calor
➢ Acenda o fogareiro
➢ Coloque o Becker com água e gotas do corante
➢ Observar
Previsão
A garrafa térmica é utilizada para?
( ) Aquecer ( ) resfriar ( ) Manter a temperatura
Diga como, por favor.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Vamos aquecer!
O que acontece com todos os materiais usados, depois de algum tempo?
______________________________________________________________________
Você sente o que ao aproximar sua mão do sistema?
_____________________________________________________________________
190
Explicação
Como ocorre a movimentação de calor entre:
Fogareiro, Becker e água?
______________________________________________________________________
Massas de água do fundo e da superfície do Becker?
______________________________________________________________________
Sua mão nas proximidades do fogareiro?
______________________________________________________________________
E agora, como você explica o funcionamento da garrafa térmica?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
191
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 9- COMO FUNCIONA UM TERMOSTATO
Material
▪ Tiras de folha de alumínio
▪ Tiras de papel laminado
▪ Tiras de caixinha de leite
▪ Tiras de pacotes laminados
▪ Tiras de papelão
▪ Tiras de isopor
▪ Tiras de plástico
▪ Fita transparente
▪ Fita adesiva
▪ Vela
▪ Fósforo
▪ Pregador de madeira
Diferentes materiais se expandem (dilatam) ou se contraem em diferentes quantidades,
quando submetidos às trocas de calor.
você já se perguntou por que os engenheiros de estrada deixam pequenas lacunas na
estrada onde constroem pontes?
( ) Sim ( ) Não
Você acha que isso acontece por quê?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Investigação: “Dobra ou não Dobra”
➢ Aquecer as tiras dos dois lados
➢ Observar
➢ Colar a fita adesiva e isolante em tiras da folha de alumínio
192
➢ Levar ao aquecimento
➢ Observar
Previsão
Quais tiras você acha que vai dobrar?
( ) Folha de alumínio ( ) Papelão
( ) Isopor ( ) Caixinha de leite
( ) Plástico ( ) Pacote laminado
( ) Folha de alumínio + fita adesiva ( ) Todas
( ) Folha de alumínio + fita transparente
Dê suas razões, por favor.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Vamos aquecer! O que acontece:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Explicação
Aconteceu o que você esperava? __________________
Qual é a sua explicação para o ocorrido?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Qual (is) tira (s) você acha que poderia (m) ser usada (s) em um termostato. Justifique,
por favor.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
193
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 10 – A SENSIBILIDADE DO CALOR
Material
▪ 02 copos de vidro iguais.
▪ 02 termômetros que meçam acima de 50ºC.
▪ 50mL de óleo de cozinha.
▪ 50mL de água de torneira.
▪ Sanduicheira.
▪ Cronômetro.
No fogão da sua casa o que aquece mais rápido, uma panela de óleo de cozinha ou uma
panela de água? ________________
Investigação: “Quem aquece mais rápido?”
➢ Coloque dois copos do mesmo tamanho em uma chapa quente.
➢ Encha os copos no mesmo nível, um com óleo e outro com água.
➢ Qual você acha que vai aquecer mais rápido?
Previsão
Marque um x.
a) Óleo ( )
b) Água ( )
c) Levarão o mesmo tempo ( )
Dê suas razões, por favor.
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Observação
Ligar a sanduicheira.
194
Colocar os dois copos, um com 50ml de óleo e o outro com 50mL de água.
Observar a temperatura.
Registrar o tempo que leva para cada líquido atingir 50ºC.
Óleo: _____________ Água: ______________
Explicação
Aconteceu o que você esperava? __________________
Tente explicar o que aconteceu usando suas ideias sobre temperatura e calor.
______________________________________________________________________
195
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 11 – TEMPERATURAS FIXAS DA
ÁGUA
Material
▪ Água quente
▪ Álcool
▪ 01 Becker de 150mL
▪ Fogareiro
▪ Fósforo
▪ Termômetro
▪ Sal de cozinha
Investigação: Por que parou?
➢ Colocar 100mL de água quente no Becker
➢ Medir a temperatura inicial.
➢ Colocar o Becker no fogareiro.
➢ Anotar a temperatura a cada 2 min na tabela.
➢ Após 12 min, adicionar 40g de sal de cozinha.
Previsão
Quando colocamos batatas para cozinhar, após algum tempo o que acontece com água?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Por que isso acontece?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Dizem que o cozimento é melhor quando adicionamos sal. Você, concorda ou discorda?
______________________________________________________________________
196
Por favor, dê suas razões.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Observação
Tempo (minutos) Temperatura
Água (º C)
0
2
4
6
8
10
12
Temperatura após a adição de sal de cozinha: ____________
Explicação
Gráfico: Tempo (min) X Temperatura (ºC)
Houve leitura repetida? __________ Qual? ____________
Como você explica isso?
_____________________________________________________________________
197
O que aconteceu após a adição de sal?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Explique, por favor.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
198
ROTEIRO EXPERIMENTAL POE 12 – FERVENDO ÁGUA E ÓLEO
Material
▪ 02 copos de vidro
▪ 02 termômetros
▪ 50mL de óleo de cozinha
▪ 50mL de água de torneira
▪ Fogareiro
▪ Álcool
▪ Fósforo
O preparo de um bife é mais rápido no óleo ou na água? _________________
Por favor, justifique sua escolha.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Investigação: “Botando pra ferver!”
➢ Transferir 50ml de óleo para o copo 1 e 50mL de água para o copo 2, pré-
aquecidos.
➢ Medir as temperaturas iniciais.
➢ Colocar os copos no fogareiro acesso.
➢ Acompanhar o aquecimento.
➢ Quem entra em ebulição primeiro?
Previsão
Marque um x.
a) Óleo ( ) b) Água ( ) c) Ao mesmo tempo ( )
Dê suas razões, por favor.
______________________________________________________________________
199
Observação
Qual líquido entrou em ebulição primeiro?
Marque um x.
a) Óleo ( ) b) Água ( ) c) Ao mesmo tempo ( )
Explicação
Aconteceu o que você esperava? ______________
Tente explicar a diferença entre fritar e ferver usando suas ideias sobre os tipos de calor.
______________________________________________________________________
200
CONSIDERAÇÕES SOBRE O PRODUTO
Os resultados obtidos e as opiniões dos alunos em relação a metodologia dos
roteiros experimentais POE, foram considerados satisfatórios e indicam que um
planejamento levando em consideração as concepções alternativas dos alunos resulta em
uma aprendizagem mais eficiente, tanto em relação aos aspectos cognitivos como aos não
cognitivos.
Para uma aula diferenciada, na qual os alunos participam ativamente, não é
necessário material especificamente de laboratório, que por vezes são escassos na maioria
das escolas públicas brasileiras, mas sim do uso de metodologias ativas como a
abordagem POE (Predizer – Observar – Explicar). Uma ferramenta eficaz tanto do ponto
de vista da aprendizagem ativa quanto da análise diagnóstica.
Esta metodologia permite que o estudante exponha seus conceitos previamente
concebidos, tornando-os autores do próprio conhecimento, que diante dos experimentos
observados (conflitos cognitivos) são conscientizados dos seus conhecimentos prévios e
impulsionados a estabelecer a construção de novas explicações mais próximas do modelo
científico vigente. Além de levar o estudante à compreensão da Física como uma ciência,
essencialmente, experimental que trabalha com hipóteses que devem ser continuamente
testadas para sua validação.
201
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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didático”. Departamento de Física – UFSC Florianópolis – SC.,17(2):174-188. (2000).
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Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades”. Revista Brasileira de Ensino de Física,
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2018. Edição especial.
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2011.
BONJORNO, J. R.; BONJORNO, R. de F. S. A.; Física. 2ª edição, volume único. Editora:
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GUNSTONE, R.; WHITE, R. Understanding of gravity. Science Education, n. 65, p. 291-
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HOFSTEIN A.; LUNETTA, V. The Laboratory in Science Education: Foundations for
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202
PIAGET, J. A equilibração das estruturas cognitivas. Problema central do
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Rocha, J. M. B. Estudo da Calorimetria: uso dos dispositivos térmicos acessíveis.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Piauí, Centro de Ciências da Natureza,
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SANTOS, J.; MEIRA, K. C.. Operações de pensamento e estratégias de ensino: relações
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