faculdade estadual de filosofia ciências e letras de união da vitória

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FACULDADE ESTADUAL DE FILOSOFIA CIÊNCIAS E LETRAS DE UNIÃO DA
VITÓRIA – FAFIUV
DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA
FELIPE WISNIEWSKI
A UTILIZAÇÃO DE UM EXPERIMENTO PARA O ESTUDO DA TERMODINÂMICA:
UMA PROPOSTA DE ENSINO
UNIÃO DA VITÓRIA
2011
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FACULDADE ESTADUAL DE FILOSOFIA CIÊNCIAS E LETRAS DE UNIÃO DA
VITÓRIA – FAFIUV
DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA
FELIPE WISNIEWSKI
A UTILIZAÇÃO DE UM EXPERIMENTO PARA O ESTUDO DA TERMODINÂMICA:
UMA PROPOSTA DE ENSINO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
como exigência parcial para obtenção do título de
Licenciado em Matemática à Faculdade de
Filosofia, Ciências e Letras de União da Vitória,
sob orientação do professor Doutor João Alberto
Valcanover.
UNIÃO DA VITÓRIA
2011
2
Dedico esse trabalho aos meus pais Geraldo e Leonarda, e à minha
irmã Silvia.
3
AGRADECIMENTOS
A Deus...
Ao professor Doutor João Alberto Valcanover, pela contribuição com seus conhecimentos e sugestões
na orientação desse trabalho.
A professora Mestre Michele Regiane Dias Veronez, coordenadora do departamento de matemática,
que além de exercer sua função, pôde me auxiliar e dar conselhos durante a produção desse trabalho.
Aos meus familiares, que nunca mediram esforços para dar-me incentivo aos estudos.
Aos meus colegas de sala de aula, que sempre demonstraram companheirismo e solidariedade.
A todos, que direta ou indiretamente contribuíram para a conclusão dessa pesquisa.
4
“A física é a poesia da natureza. A matemática, o idioma.”
(Antonio Gomes Lacerda)
5
RESUMO
Esse trabalho consiste no desenvolvimento de uma proposta de ensino voltada ao estudo da
Termodinâmica com o uso de uma atividade experimental, partindo de uma análise da situação atual
do ensino de Física, e também da concepção de alguns autores quanto à forma com que devemos
propor as atividades experimentais em sala de aula. O experimento utilizado para o desenvolvimento
desse trabalho é uma espécie de purificador de água em forma de pirâmide de vidro, criado por pósgraduandos da Universidade Federal de Santa Catarina.
Palavras-chave: Termodinâmica, Atividade Experimental, Purificador de Água.
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1
–
Esquema de funcionamento de um destilador solar.......................... 15
Figura 2
–
Processos de transmissão de calor................................................... 21
Figura 3
–
Pirâmide de vidro com reservatório de água interno ........................ 22
Figura 4
–
Pirâmide de vidro com reservatório de água externo ........................ 24
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Alguns Coeficientes de Dilatação Linear................................................ 25
8
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO............................................................................................... 09
2
O ENSINO DE FÍSICA E A UTILIZAÇÃO DE EXPERIMENTOS................... 10
2.1
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE O ENSINO DE FÍSICA.................. 10
2.2
A UTILIZAÇÃO DE EXPERIMENTOS NAS AULAS DE FÍSICA................... 12
3
O PURFICADOR DE ÁGUA EM FORMA DE PIRÂMIDE DE VIDRO:
UM EXPERIMENTO......................................................................................... 14
3.1
ORIGEM DO PURIFICADOR DE ÁGUA COMO EXPERIMENTO............... 14
3.2
CARACTERÍSTICAS DESSE EXPERIMENTO............................................ 14
4
O ENSINO DE TERMODINÂMICA E A UTILIZAÇÃO DO PURIFICADOR
DE ÁGUA...................................................................................................... 16
4.1
DESCRIÇÃO DA PROPOSTA DE ENSINO.................................................... 16
4.2
INDICAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA.................. 17
4.2.1 Planejamento................................................................................................. 17
4.2.2 Aplicação....................................................................................................... 17
4.2.3 Discussões sobre os conceitos da termodinâmica viabilizados
pelo experimento do purificador de água...................................................... 26
5
CONCLUSÃO............................................................................................... 27
REFERÊNCIAS....................................................................................................... 28
9
1 INTRODUÇÃO
Baseados na minha experiência como aluno na disciplina de Física, seja no
Ensino Médio ou no Ensino Superior, e em comentários feitos por outros alunos,
percebemos que a Física é concebida por muitos indivíduos como uma disciplina
difícil de ser entendida. A partir dessas observações, fomentamos a idéia de tentar
desenvolver uma proposta de ensino que motive os alunos a estudarem Física. Para
proporcionar essa motivação, procuramos um meio de contextualizar os conceitos
da Física, ou seja, uma forma de mostrar que esses conceitos podem ser úteis para
o desenvolvimento do ser humano.
Através de pesquisas, pudemos ter conhecimento de uma invenção criada
por pós-graduandos da Universidade Federal de Santa Catarina, que consiste numa
espécie de purificador de água, em forma de pirâmide e construída em vidro, que
visa destilar a água utilizando da energia solar. Pudemos perceber a imensa
quantidade de conceitos da física que estavam sendo aplicados nessa invenção.
Outro ponto positivo desse experimento, é que o resultado que ele produz está
diretamente relacionado com questões de preservação do meio ambiente e
sustentabilidade, questões essas que são comentadas pela maioria da população,
ou seja, são do interesse de todos. Por esses e por outros motivos que decidimos
explorar esse experimento para desenvolver o trabalho.
Após algumas análises, decidimos procurar uma forma de introduzir
conceitos de termodinâmica nas séries do Ensino Médio com o uso do purificador de
água em forma de pirâmide de vidro como experimento. Para isso, se fez necessário
uma pesquisa sobre as condições do ensino de Física atual, também sobre as
concepções da utilização de experimentos nas aulas de Física. Para que baseado
nos resultados dessa pesquisa, e contando com a ajuda do projeto da Universidade
Federal de Santa Catarina que viabilizou a construção de um purificador de água,
fosse possível desenvolver a proposta de ensino exposta nesse trabalho.
10
2
O ENSINO DE FÍSICA E A UTILIZAÇÃO DE EXPERIMENTOS
2.1
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE O ENSINO DA FÍSICA
Assim como Marineli e Pacca (2006), podemos considerar a Ciência como
uma forma de conhecer o mundo. Sendo assim, a Física pode ser entendida como
Ciência, pois a partir dela é possível compreendermos diversos aspectos e
fenômenos. Podemos dizer que a Ciência não é mera extensão do cotidiano de
quem a estuda, mas uma compreensão do mundo como um todo, Marineli e Pacca
(2006) ressaltam que se a realidade é aquilo que existe, ela depende da consciência
de que algo existe e este algo é definido por um ser consciente. Isso nos leva a
pensar que um determinado conhecimento só faz parte da realidade das pessoas a
partir do momento que ele é descoberto por alguém, até então, esse conhecimento é
“inexistente” para os que não tem consciência disso.
Ao assumir a Física como Ciência, sustentamos que a disciplina de Física
deve ser trabalhada no Ensino Fundamental e no Ensino Médio, com o objetivo de
formar pessoas capazes de desenvolver um pensamento que vai além de
simplesmente saber conceitos básicos de Física e resolver problemas clássicos
dessa disciplina. Borges (2002) aponta as metas que mais comumente expressam
aquilo que os estudantes devem aprender: adquirir conhecimento científico;
aprender os processos e métodos das ciências, e por fim, compreender as
aplicações da Ciência, especialmente as relações entre Ciência e Sociedade, e
ciência-tecnologia-sociedade. Obviamente não há necessidade de fazer com que
todos os alunos do Ensino Médio tornem-se cientistas, capazes de prever
fenômenos e realizar grandes descobertas, mas de proporcionar à eles a autonomia
de entender o mundo em que vivem, e de estarem preparados à possíveis
mudanças.
Na concepção atual de ensino, as aulas de Física podem não estar
proporcionando a busca por esses objetivos. Rezende (2003), em um relato feito a
partir do discurso de uma amostra de professores do município de Rio de Janeiro,
menciona algumas deficiências no ensino de Física e Matemática que ocorrem nas
instituições em que esses profissionais atuam. Dentre elas estão: a falta de apoio
aos professores por parte da escola; falta de recursos e materiais didáticos; baixo
nível socioeconômico e cultural do alunos; falta participação da família na escola;
11
deficiências cognitivas dos alunos; atitude desfavorável do aluno e falta de
perspectiva e interesse do aluno. São mencionados também vários problemas, por
vezes, relacionados a essas deficiências, dentre eles estão: dificuldade dos
professores em relacionar conteúdos teóricos à fenômenos do cotidiano; dificuldade
para implementar enfoque interdisciplinar; insatisfação dos professores com os
métodos tradicionais de ensino; formalismo matemático excessivo; dificuldades para
usar o laboratório didático de Física; dificuldade para transpor as teorias de
aprendizagem para a sala de aula.
Sabemos que a física é uma disciplina escolar pouco atraente para a
maioria dos alunos. O desinteresse pelo estudo de física não resulta da falta
de sua aplicação no cotidiano do aluno, pois ela está presente, por exemplo,
no funcionamento de aparelhos eletrônicos existentes na maioria dos lares
brasileiros. Também não se pode alegar que é uma disciplina cujo conteúdo
seja difícil de se ensinar e aprender. O desinteresse que se reflete na má
qualidade do ensino brasileiro exige, portanto, revisão das práticas
pedagógicas. (PEREIRA; AGUIAR, [20--] p. 66)
Existe uma grande mobilização para a melhoria das práticas pedagógicas
voltadas às Ciências. Segundo Borges, em vários países têm havido movimentos de
reforma curricular quanto as Ciências, desde os “grandes projetos” de intervenção
da década de 60 até ações menores e mais localizadas, fundamentadas nas
concepções alternativas dos estudantes à respeito de vários tópicos de Física, e das
dificuldades de aprendizagem que eles enfrentam.
As mobilizações e mudanças curriculares nos últimos tempos proporcionam
condições para os professores melhorarem significativamente o ensino da disciplina
de Física, e aderirem a práticas pedagógicas diferenciadas. É o caso do uso de
trabalhos experimentais como metodologias de ensino.
O trabalho experimental tem reconhecida importância na aprendizagem das
ciências, é largamente aceito entre a comunidade científica e pelos professores que
pesquisam sobre metodologias de ensino e, tem resultados comprovados em muitas
investigações (NEVES et al, 2006). As dificuldades dos alunos podem ser
minimizadas por meio de atividades experimentais, ainda que o trabalho com elas se
aproxime muito mais de atividades de verificação de conceitos que de atividades de
caráter investigativo (PEREIRA e AGUIAR, [20--]). Trabalhando com atividades
experimentais, os estudantes podem ter a oportunidade de interagir mais
intensamente entre si e com o professor (MARINELI e PACCA, 2006).
12
Segundo Neves, Caballero e Moreira (2006, apud HODSON 2000) existem
basicamente cinco motivos para envolver os alunos em trabalhos experimentais:
motivar, estimulando o interesse e o prazer de investigar; treinar destrezas
laboratoriais; enfatizar a aprendizagem do conhecimento científico; percepcionar o
método científico e adquirir perícia na sua utilização; desenvolver certas “atitudes
científicas” como abertura de espírito e objetividade.
Pereira e Aguiar ([20--] apud GASPAR 2003), afirmam que o ensino de física
nas escolas brasileiras vem recebendo, há anos, a crítica por não se realizarem
atividades experimentais. Supomos que essa ausência seja como um reflexo da
insuficiência estrutural das escolas, ou seja, os professores muitas vezes podem
justificar o não uso de atividades experimentais, alegando que não dispõem de
laboratórios de Física devidamente equipados.
Visto
que
as
práticas
pedagógicas
alternativas,
como
atividades
experimentais, são eficazes no Ensino de Física, nosso objetivo é descobrir como
fazer uso dessas práticas em sala de aula de forma consciente e significativa.
2.2 A UTILIZAÇÃO DE EXPERIMENTOS NAS AULAS DE FÍSICA
Talvez seja possível superar os problemas estruturais das escolas, se
soubermos como deve se caracterizar o ensino de Física com uso de atividades
experimentais.
O importante não é a manipulação dos objetos e artefatos concretos, e sim o
envolvimento comprometido com a busca de respostas/soluções bem articuladas
para as questões colocadas, em atividades que podem ser puramente de
pensamento, pois qualquer que seja o método de ensino-aprendizagem escolhido,
esse deve mobilizar a atividade do aprendiz, em lugar de sua passividade (BORGES
2002).
Podemos imaginar o estudo de Física com atividades experimentais, como a
abordagem de uma situação da vida real. Essa situação vista como um experimento,
de alguma maneira pode ser descrita, aprimorada e até mesmo servir de base
experimental para a formulação de um novo projeto. Nessa abordagem, os alunos
devem ter autonomia de discutir problemas, garimpar hipóteses, e buscar soluções.
Valorizando assim o planejamento do experimento feito pelos próprios alunos.
13
Percebemos que as
atividades experimentais, caracterizadas como
atividades voltadas ao planejamento e investigação, não exigem muita estrutura
laboratorial, ou seja, são práticas pedagógicas viáveis à maioria dos professores.
Através de uma analogia, é possível perceber outras vantagens dessa prática
perante a maneira tradicional de utilização das atividades experimentais.
Borges (2002, apud TAMIR, 1991) afirma que no que é determinado
laboratório tradicional, o aluno segue um roteiro para realizar atividades práticas,
envolvendo
observações
e
medidas,
acerca
de
fenômenos
previamente
determinados pelo professor, geralmente com objetivo de testar leis científicas,
ilustrar conceitos aprendidos em sala de aula ou aprender a utilizar algum
instrumento ou técnica de laboratório. Sendo assim, o estudante se restringe a
observar fatos e leis da Física previamente constatados, sabendo antecipadamente
as conclusões a serem obtidas. Com efeito, ele pode até “burlar” possíveis erros de
experimentação para poder chegar ao resultado previsto. Como conseqüência, os
alunos acabam não ampliando seu conhecimento em Física.
Já no uso de atividades experimentais voltadas ao planejamento, reflexão e
investigação, não existem limites para o aprendizado do aluno, pois ele possui
autonomia para realizar pesquisas e formular hipóteses. Por esse motivo, também é
possível trabalhar com interdisciplinaridade, pois um experimento pode fornecer
indícios de pesquisa a uma ampla área de conhecimento.
14
3
O PURFICADOR DE ÁGUA EM FORMA DE PIRÂMIDE DE VIDRO: UM
EXPERIMENTO
3.1
ORIGEM DO PURIFICADOR DE ÁGUA COMO EXPERIMENTO
Pessoas do mundo todo estão se conscientizando quanto à escassez de
água potável. O Brasil é um dos poucos países que ainda possui água em
abundância. O problema é que essa água nem sempre é própria para o consumo e
os processos de filtragem da mesma acabam sendo bastante inacessíveis à maioria
da população, principalmente a mais pobre.
No sentido de viabilizar processos de purificação de água à maioria da
população, muitas universidades e centros de pesquisa empenham-se na busca por
uma solução alternativa para esse problema. É o caso de um grupo de
pesquisadores do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFSC
(Universidade Federal de Santa Catarina), em parceria com a Companhia
Catarinense de Águas e Saneamento (Casan). Esse grupo se mostrou empenhado
em desenvolver projetos de purificação de água. Um desses projetos consiste numa
pirâmide de vidro, capaz de destilar água utilizando energia solar.
Adotamos o projeto purificador de água em forma de pirâmide de vidro como
um experimento a ser utilizado no ensino de conceitos de Termodinâmica. Por
questões práticas, no decorrer do trabalho chamaremos esse experimento apenas
como “pirâmide de vidro”.
3.2
CARACTERÍSTICAS DESSE EXPERIMENTO
A pirâmide de vidro criada pela UFSC possui construção e funcionamento de
fácil compreensão. Utiliza basicamente: garrafas plásticas, mangueira de ducha de
chuveiro (ou similar), fibra de vidro, tinta preta, vidro liso transparente, silicone, e
calhas, que podem ser feitas cortando um cano de PVC ao meio.
Com as garrafas plásticas são feitos os reservatórios, tanto de água poluída,
prestes a ser purificada, como da água destilada que sai do equipamento. Com a
mangueira é feito o encanamento da água para que ela possa fluir com a força da
gravidade, primeiramente do reservatório inicial para a base do aparelho, e depois
também, da calha para o reservatório de água limpa. A base da pirâmide é feita de
15
fibra de vidro e pintada da cor preta para absorver melhor o calor solar. Sobre essa
base é montada uma pirâmide com placas de vidro coladas com silicone. Em torno
dessa pirâmide é colocada a calha que está encanada ao reservatório final. Com a
madeira pode ser feito um suporte para essa pirâmide.
O
funcionamento
do
destilador
em
forma
de
pirâmide
depende,
basicamente, da força da gravidade e do calor solar. O equipamento é posicionado
de forma que a água escoe do reservatório inicial para a base da pirâmide, formando
ali uma película de água. Quando a pirâmide é exposta ao sol, os raios solares
penetram as placas de vidro e acumulam-se entre as placas de vidro e a base,
fazendo com que a temperatura dentro da pirâmide aumente. Consequentemente, a
água evapora, e encontra com a placa de vidro, que é mais fria, e ali se condensa.
Devido ao desnível do vidro, essa água destilada escoa até ser coletada pelas
canaletas. É possível entender melhor esse processo analisando a figura 1.
Figura 1: Esquema de funcionamento de um destilador solar
Fonte: SOARES, 2004
16
4
O ENSINO DE TERMODINÂMICA E A UTILIZAÇÃO DO PURIFICADOR DE
ÁGUA
4.1
DESCRIÇÃO DA PROPOSTA DE ENSINO
A proposta que apresentamos, consiste em utilizar o experimento pirâmide
de vidro, desenvolvido pela Universidade Federal de Santa Catarina, no ensino de
conceitos de Termodinâmica para o Ensino Médio.
Adotamos esse experimento em virtude de que seu funcionamento está
relacionado com muitos conceitos de Termodinâmica, como veremos adiante. Outro
motivo é o fato dele estar relacionado a questões muito discutidas atualmente, como
o aumento da poluição das águas e a busca por alternativas sustentáveis da
utilização da mesma. Isso faz com que esse experimento esteja relacionado com o
cotidiano da maioria dos indivíduos.
O intuito é propor a abordagem de conceitos de Termodinâmica através de
um aprimoramento da idéia inicial da Pirâmide de Vidro, com o objetivo de descobrir
as melhores maneiras de estruturar esse experimento para que seu rendimento seja
o maior possível. Nessa concepção, deve existir uma especulação, por parte dos
alunos, quanto: aos materiais a serem utilizados; dimensões, formato e forma de
construção do purificador; de modo que estejam em concordância com leis e
conceitos de Termodinâmica, tornando esse experimento mais rentável, ou seja,
fazendo com que a quantidade de água purificada num determinado tempo seja a
maior possível, dentro das possibilidades.
Com essa proposta, é possível que os alunos levantem hipóteses de
condições necessárias para o melhor funcionamento do experimento fundamentadas
em seu conhecimento prévio, em livros didáticos, em dados obtidos pela internet, em
explanações feitas pelo professor e em informações obtidas de meios de
comunicação como rádio e TV, desde que sejam informações devidamente
comprovadas.
O objetivo principal não é o de construir o experimento e observar seu
funcionamento. Mas o de planejar a melhor maneira de construí-lo para que seja
bem aproveitado. Não sendo descartada a hipótese de que ao final das
explanações, a partir do projeto feito pelos alunos, seja construído um purificador, ou
até mesmo um protótipo do purificador em forma de pirâmide de vidro. É viável
17
também, a construção prévia de um experimento para ser apresentado durante ou
após as investigações feitas pelos alunos.
O processo de aprendizagem pode ser avaliado de várias formas, através de
observações durante seu desenvolvimento, através de um relatório feito pelos
próprios alunos, ou ainda através de apresentação em forma de seminário.
Ao final, pode ser feita uma discussão retrospectiva para enfatizar os
conceitos de Termodinâmica utilizados ao aprimorar o experimento.
No que diz respeito à aplicação da atividade, descreveremos possibilidades
de se estudar conteúdos relacionados à Termodinâmica durante o planejamento do
experimento pirâmide de vidro. Obviamente, não queremos supor que os alunos
desenvolverão suas idéias idênticas às que colocamos nesse trabalho. Nossa
prioridade é, através de exemplos, mostrar que é possível trabalhar conceitos
relacionados ao conteúdo que abordamos com o uso de um experimento.
4.2
INDICAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA
4.2.1 Planejamento
O objetivo dessa proposta é o estudo de conceitos de Física, mais
precisamente de Termodinâmica. Portanto, nessa concepção, o professor deve
possuir um bom nível de conhecimento dos conteúdos a serem abordados. Até
porque, o fato de os alunos possuírem autonomia em pesquisar sobre o assunto faz
com que seja grande o leque de conceitos que poderão ser explorados.
Para facilitar e direcionar a busca por informações, pode ser feita uma
seleção prévia de livros e apostilas, que durante o desenvolvimento das atividades,
podem ser viabilizadas aos alunos através de sugestões de pesquisa. Para
desenvolver as possibilidades de estudo de conceitos de Termodinâmica na
atividade experimental, baseamo-nos principalmente no livro “Fundamentos de
Física” de Halliday, Resnick e Walker (1996). Muitos desses conceitos estão
disponibilizados em livros didáticos do Ensino Médio como “Curso de Física” de
Antônio Máximo e Beatriz Alvarenga.
4.2.2 Aplicação
Ao propor a atividade de aprimoramento do purificador de água, é preciso
estabelecer um ponto de partida para as investigações. É o momento onde o projeto
18
inicial da Pirâmide de Vidro deve ser apresentado aos alunos. Acreditamos que não
há necessidade da apresentação desse projeto em detalhes, mas sim de forma
bastante simples, enunciando os princípios básicos de seu funcionamento.
Justamente para que fique a critério dos alunos planejarem a melhor forma de
construir a pirâmide.
Resumidamente, o purificador de água consiste em uma estrutura em forma
de pirâmide, rodeado de calhas, instalada sobre uma base impermeável. Essa base
é capaz de conter certa quantidade de água em estado líquido. A partir do momento
que a pirâmide é exposta ao sol, a água aquece, evapora, condensa nas faces da
pirâmide e escoa para as calhas. A água coletada pelas calhas é considerada limpa.
Pode-se utilizar a Figura 1 para facilitar o entendimento do experimento.
A partir da descrição básica da construção e do funcionamento do
purificador, podemos estabelecer o objetivo da pesquisa, e os fatores a serem
analisados, que podem influenciar na busca por esse objetivo
No contexto da atividade que propomos, o objetivo dos alunos é desenvolver
um projeto aprimorado desse purificador, de forma que a quantidade de água limpa
produzida por ele seja a maior possível. Para isso os critérios a serem analisados
podem ser: material adequado para a construção do experimento, tanto da base
como da pirâmide; proporções ideais das medidas, dentre elas a altura da pirâmide,
o ângulo das faces com relação à base; maneira ideal de fazer um reservatório de
água, proporcionando ao experimento maior autonomia de funcionamento sem
interferir no seu rendimento; também podem ser estimuladas idéias de como fazer
acabamentos que possam aumentar rendimento desse experimento.
Os ajustes que por ventura sejam propostos pelos alunos para a melhoria do
experimento devem estar devidamente fundamentados em leis e conceitos de
Física.
A atividade pode ser promovida em grupos, cabendo a cada grupo
desenvolver seu projeto, que ao final pode ser apresentado aos demais colegas
numa espécie de seminário.
Para que os alunos possam iniciar as investigações acerca do experimento,
é preciso que eles tenham um entendimento sobre conceitos de Física envolvidos
neste experimento. A precisão desse entendimento pode não ser tão visível para os
alunos, cabendo ao professor estimulá-los à buscar essas informações.
19
Visto que o funcionamento da pirâmide de vidro depende basicamente de
variações de temperatura, precisamos entender o conceito de temperatura, que é
considerada uma das sete grandezas fundamentais do Sistema Internacional de
Medidas, e está relacionada à movimentação das partículas que compõem a
matéria. Costumamos medir a temperatura de objetos usando termômetros com
escala Celsius, mas de acordo com o Sistema Internacional de Medidas, a escala
Kelvin é utilizada mais formalmente. A diferença é que na escala Celsius o zero é
comumente associado ao o ponto de fusão da água numa pressão atmosférica
considerada normal. Já na escala Kelvin, o zero representa ausência total de
temperatura, ou seja, para um objeto possuir 0 Kelvin, não pode existir
movimentação entre suas partículas.
Calor não é a mesma coisa que temperatura, pois a temperatura é uma
grandeza que os objetos possuem e que pode ser medida, já o calor está associado
à transferência de energia térmica entre os objetos e também com o ambiente em
que esses objetos estão, devido às diferenças de temperatura entre eles.
A transferência da energia térmica pode ocorrer basicamente de três formas:
condução, convecção, e radiação.
A condução é a transmissão de energia através do contato direto entre
objetos. Essa transmissão ocorre mais facilmente quando o material do qual é feito
esses objetos possuem pouca resistência térmica à condução, ou seja, quando são
bons condutores de calor.
A transferência de energia por convecção de fluidos ocorre devido a
mudança de volume com a variação de temperatura. A temperatura do fluido em
contato com o objeto quente aumenta e o fluido se expande. Como se torna menos
denso que o fluido frio à sua volta, o quente sobe devido a forças de empuxo. O
fluido frio desce, para ocupar o lugar do quente que subiu, e uma circulação
convectiva se estabelece.
Quando a energia é transportada por ondas eletromagnéticas, como a
energia solar, dizemos que esse transporte é feito por radiação. Todos os objetos
emitem tais radiações eletromagnéticas, simplesmente porque sua temperatura está
acima de zero absoluto, e todos os objetos absorvem um pouco da radiação que
chega até eles, emitida por outros objetos.
Se analisarmos o experimento pirâmide de vidro, podemos perceber que
durante seu funcionamento ocorrem os três tipos de transporte de energia. Pois ele
20
capta a energia vinda do sol por meio da radiação. Essa radiação aquece a água e
também a base da pirâmide, que por sua vez transmite calor para água por meio de
condução. Ou se a água estiver com maior temperatura, a base é que receberá
energia térmica da água. A água, ao ser aquecida, aumenta seu processo de
vaporização, onde ocorre a transferência de energia por convecção, pois o vapor
quando é mais quente que as demais partículas do ar ele sobe, deixando espaço
para as partículas mais frias. O vapor, ao subir, encontra as faces da pirâmide, onde
perde energia térmica por contato com o material das faces e condensa voltando ao
estado líquido, ficando assim mais denso e escoando com a força da gravidade pela
face da pirâmide até a borda do experimento.
Figura 2: Processos de transmissão de calor
Fonte: O autor
Essa constante troca de energia entre os componentes da pirâmide faz com
que ela funcione.
Já que o aumento da vaporização da água depende do aumento de sua
temperatura, devemos elaborar o experimento pirâmide de vidro de forma que seja
mais bem aproveitada a energia proveniente do sol. Como já vimos, a energia solar
é transportada através de radiações eletromagnéticas. Em nosso experimento, antes
dessas ondas atingirem a água, elas atravessam as faces da pirâmide, onde
provavelmente perdem intensidade. O material do qual são feitas as faces da
pirâmide influenciam nessa perca de intensidade, pois se esse material for opaco,
acabará absorvendo o calor dos raios solares ao invés de deixá-los entrar na
pirâmide. Sendo assim, é conveniente que seja usado vidro ou plástico para a
construção das faces da pirâmide. As ondas eletromagnéticas de calor podem ser
21
entendidas como forças vetoriais, pois possuem direção e sentido, portanto se o
ângulo da direção dessas ondas com a face da pirâmide for mais próxima de um
ângulo reto, essas ondas atravessarão a face da pirâmide com mais facilidade,
inclusive é esse o motivo que faz com que a temperatura em nosso ambiente fique
maior nas horas próximas ao meio dia. E já que nessas horas a radiação solar
chega até nós com maior intensidade, a pirâmide de vidro deve ser construída de
forma essa radiação seja melhor aproveitada nesses momentos. As faces da
pirâmide devem estar voltadas para o sol, portanto, o ângulo entre essas faces e a
base da pirâmide deve ser o menor possível. Lembrando que o caimento das faces
deve ser suficiente para fazer com que a água destilada escoe por elas.
À medida que as ondas de eletromagnéticas atravessam as faces da
pirâmide, diminui sua energia (frequência), com isso, à medida que essas ondas são
refletidas pela água elas não conseguem mais atravessar o vidro novamente,
permanecendo dentro da pirâmide, provocando o que chamamos de efeito estufa. É
criado assim um novo ambiente dentro da pirâmide, com temperatura mais elevada
que a do ambiente externo. Podemos imaginar que se a pirâmide for construída com
materiais sem resistência térmica à condução, a diferença entre a temperatura
interna e externa da pirâmide fará com que haja grande dissipação de energia. Em
contrapartida, as faces da pirâmide devem ser construídas de materiais que se
portem como bons condutores de energia para facilitar a condensação da água.
Mesmo assim, ainda pode ser reduzida a perca de energia térmica interna da
pirâmide se a base for construída com um material que seja mal condutor de energia
como, por exemplo, fibra de vidro.
Vendo a precisão de fazer com que o purificador tenha maior autonomia de
funcionamento, somos levados a pensar numa maneira de adequar um reservatório
de água, supostamente poluída, para abastecer esse experimento. Observando a
figura 2, percebemos que a água prestes a ser destilada, está disposta na base da
pirâmide, sendo assim, poderíamos ampliar essa base, fazendo com que coubesse
uma maior quantidade de água, como na figura 3:
22
Figura 3: Pirâmide de vidro com reservatório de água interno
Fonte: O autor
É preciso saber se esse tipo de reservatório influenciará no desempenho do
experimento.
Visto que a água deve ser aquecida através do recebimento de calor do
ambiente, o efeito causado por esse recebimento de energia está diretamente
relacionado à capacidade calorífica e o calor específico da água. Segundo Halliday,
Resnick e Walker (1996), a capacidade calorífica de um objeto, que podemos
chamar de C, é a constante de prporcionalidade entre uma quantidade de calor e a
variação de temperatura que esta mesma quantidade de calor produz no objeto.
Assim, temos a equação 1:
(1)
Onde
e
respectivamente, e
são temperatura final e temperatura inicial do objeto
é o calor (energia transferida entre o objeto e seu ambiente).
Dois objetos feitos do mesmo material, terão capacidades caloríficas
proporcionais às suas massas. Assim, é conveniente a equação 2:
(2)
Onde c é o calor específico por unidade de massa do objeto, e m é a massa
desse objeto, no nosso caso, dá água.
23
Já que c é uma constante, é possível observar que à medida que
aumentarmos a quantidade de massa de determinado material, a quantidade de
energia transferida do ambiente terá que ser maior para gerar um determinado
aumento de temperatura. Isso fica mais visível se modificarmos a equação 2 da
seguinte forma:
(3)
Sendo assim, quanto menor a quantidade de água disposta na base da
pirâmide de vidro, maior será o aumento de temperatura dessa água e
consequentemente a valorização dessa água será maior.
A transferência de calor está também relacionada à superfície de contato do
objeto com o sistema. Quanto maior for a superfície de contato, maior a quantidade
de calor transferido.
A partir dessas observações, somos levados a imaginar que a quantidade de
água disposta na base da pirâmide deve ser pequena, e ao mesmo tempo, sua
superfície de contato com o ambiente deve ser a maior possível. No caso do
experimento pirâmide de vidro, podemos fazer com que haja uma lâmina de água
sobre toda a base da pirâmide, sendo abastecida por um reservatório externo a essa
pirâmide.
Figura 4: Pirâmide de vidro com reservatório de água externo
Fonte: O autor
Observando a Figura 4, supomos que a água será transferida do
reservatório para a pirâmide pela força da gravidade. Construindo o reservatório de
modo que não possua entradas de ar, poderá ser mantido o nível da lâmina de água
até a altura do orifício pelo qual ela entra na pirâmide.
24
A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que a energia pode ser
transferida, através da fronteira de um sistema, como trabalho ou como calor. No
caso da pirâmide de vidro, a água sendo aquecida aumenta seu volume, esse
aumento do volume da água gera trabalho. Esse trabalho só é percebido se de
alguma maneira usarmos a expansão da água para mover algum objeto. Nosso
objetivo não é aproveitar o trabalho gerado pela expansão da água, mas perceber
que influências esse trabalho pode trazer para o funcionamento da pirâmide de vidro
dependendo de sua estrutura. Pois se a pirâmide for construída sem nenhuma
espécie de respiro, a expansão do volume da água pode gerar aumento da pressão
interna da pirâmide. Como conseqüência disso, pode haver uma diminuição da
vaporização da água, ou até mesmo danos à estrutura da pirâmide. Portanto no
experimento pirâmide de vidro devem existir orifícios por onde a pressão interna
dessa pirâmide possa dissipar-se, igualando-se à pressão externa.
Estudos mostram que a cor preta é mais vulnerável a transferências de
calor, ou seja, objetos que possuem coloração escura, podem tanto receber calor
com mais facilidade como emitir calor com mais intensidade do que objetos com a
coloração mais clara. Esse fato pode aumentar o rendimento da pirâmide de vidro.
Se a base for pintada de preto, a película de tinta absorverá uma grande quantidade
de calor. Se a base for feita de um material que se comporte como mal condutor de
energia térmica, a maior parte da energia absorvida pela película de tinta será
transferida por contato para a água que consequentemente terá seu processo de
vaporização acelerado devido ao aumento de temperatura.
É importante observar também a questão da expansão térmica dos
materiais, pois todas as dimensões de um sólido se expandem com o aumento de
temperatura. O que dos diz se uma substância dilata mais ou menos do que a outra
é o Coeficiente de Dilatação Linear dessa substância. Podemos ver os coeficientes
de dilatação linear de algumas substâncias à temperatura ambiente na tabela 1:
Substância
Coeficiente de Dilatação linear (10-6/C°)
Chumbo
29
Alumínio
23
Latão
19
25
Cobre
17
Aço
11
Vidro (comum)
9
Vidro (pirex)
3,2
Quartzo fundido
0,5
Tabela 1: Alguns Coeficientes de Dilatação Linear
Fonte: HALIDAY, RESNIK e WALKER; Fundamentos de Física, S.A.; Rio de Janeiro, 1996.
Para facilitar a interpretação da tabela, podemos tomar como exemplo o
vidro comum. Supondo que uma placa de vidro de comprimento 30cm possui
temperatura semelhante à temperatura ambiente. Se houver um aumento de
temperatura equivalente a 1C°, a dilatação linear dessa placa pode ser calculada da
forma:
Onde
é a dilatação linear, ou seja, a diferença entre o comprimento final e
o comprimento inicial da placa de vidro, e os três valores do lado direito da igualdade
são o comprimento inicial da placa, o coeficiente de dilatação linear da placa e a
variação de temperatura da placa respectivamente. Para esse caso em específico,
teremos uma variação de 0,00027cm no comprimento da placa de vidro com uma
variação de temperatura de 1C°.
Sendo assim, quanto maior o coeficiente de dilatação linear de um objeto,
mais esse objeto aumenta de tamanho com o aumento de temperatura.
No experimento pirâmide de vidro, uma dilatação do material com o qual
seriam feitas as faces da pirâmide devido ao aumento de temperatura, poderia
ocasionar danos à estrutura dessa pirâmide. Observando a tabela 1, percebemos
que o vidro pirex possui um coeficiente de dilatação linear bem mais baixo que o
vidro normal. O problema é que o vidro pirex é mais caro e mais difícil de ser
encontrado que o vidro normal. Talvez possa ser usado o vidro normal se alguns
cuidados forem tomados, como por exemplo, na hora de montar o equipamento,
utilizar cola à base de silicone ou algum outro tipo de cola flexível para unir as faces
da pirâmide.
26
4.2.3 Discussões
sobre
os
conceitos
da
termodinâmica
viabilizados
pelo
experimento do purificador de água
Conforme mencionamos anteriormente, ao término do planejamento do
experimento pirâmide de vidro, pode-se realizar uma discussão em sala de aula,
onde cada aluno, ou cada grupo pode expor os resultados que obteve durante as
investigações.
Nessa discussão, pode-se dar ênfase aos conceitos de física que os alunos
utilizaram para fundamentar suas conclusões quanto ao aprimoramento do
experimento pirâmide de vidro.
Na breve descrição de um encaminhamento de investigações feita nesse
trabalho, percebemos que nele podem ser vistos muitos conceitos relacionados à
Termodinâmica como: temperatura, calor, lei zero da termodinâmica, primeira lei da
termodinâmica, meios de transmissão de energia térmica, capacidade calorífica,
calor específico, expansão térmica, etc.
A discussão final pode ser usada também como uma forma de avaliar o
aprendizado dos alunos.
27
5
CONCLUSÃO
Ao desenvolver esse trabalho, pudemos perceber que existem duas
maneiras de utilizar atividades experimentais nas aulas de Física. Uma delas, talvez
a mais tradicional, consiste em fazer com que os alunos verifiquem conceitos
comprovados anteriormente, e que eles já conhecem, através de experimentos. A
outra maneira, que é vista como a mais produtiva com relação à aprendizagem dos
alunos, é a de promover a investigação e o planejamento acerca de um
experimento, fundamentando-se em conceitos de Física já existentes, para
formulação de novas conjecturas.
Baseados na idéia de trabalhar com atividades experimentais visando a
investigação e o planejamento, produzimos uma proposta de ensino que nos fez
acreditar que é possível incentivar a pesquisa na área da Física, partindo de
situações do dia-a-dia das pessoas. Isso faz com que, para os alunos, haja
significado nos conceitos que venham a ser pesquisados.
Percebemos que os conteúdos de Física que surgiram durante os
aprimoramentos do experimento pirâmide de vidro, não possuem uma complexidade
muito grande. Isso viabiliza a aplicação dessa atividade em séries do Ensino Médio.
Esse fato não significa necessariamente que o experimento não possa envolver
conhecimentos de física mais avançados, assim como não é descartada a hipótese
de que até mesmo alunos do Ensino Médio possam desenvolver esses
conhecimentos.
28
REFERÊNCIAS
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da UFMG, Belo Horizonte, 2002. Disponível em: http://www.fsc.ufsc.br/cbef/port/193/artpdf/a1.pdf
DESTEFASNI Anelise et al; DESTILADOR SOLAR. disponível em http://www.ifcaraquari.edu.br/1/mct/2007/saude/saude5.pdf
GASPAR, A. Experiência no ensino da Física. 4ª edição, Editora Ática, 2003.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física 2.
Gravitação, Ondas e Termodinâmica.Editora S.A. Rio de Janeiro. 1996.
HODSON, D. The place of Pratical Work in Science Education. In Trabalho Prático e
Experimental na Educação em Ciências. Braga: Universidade do Minho, 2000.
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dificuldades enfrentadas pelos estudantes em um laboratório didática de
Física. Universidade de São Paulo, SP. 2006.
Disponível em: http://web.if.usp.br/cpgi/sites/default/files/Fabio_Marineli.pdf
MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física Volume 2. 1ª edição,
Editora Scipione, 2011.
NEVES, Margarida Saraiva; CABALLERO, Concesa; MOREIRA, Marco Antônio.
Repensando o papel do trabalho experimental, na aprendizagem da Física, em
sala de aula – um estudo exploratório. 2006.
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desenvolve sistemas para controle da qualidade da água de abastecimento.
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PEREIRA, Denis Rafael de Oliveira, AGUIAR, Oderli. Ensino de Física no Nível
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29
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natural; 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina. Disponível em:
http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/abes22/cxxxiv.pdf