A termodinâmica é um componente curricular de física, previsto para o segundo ano do ensino médio, que estuda as relações entre o calor e outras formas de energia.
“Analisa, consequentemente, os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume nos sistemas a nível macroscópico”, ressalta a doutoranda em educação científica e tecnológica na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Débora Samir Conceição de Souza
As atividades práticas são importantes na hora de ensinar este conteúdo, deixando-o menos abstrato e mais sintonizado ao cotidiano dos alunos.
“A termodinâmica se desenvolveu diferente de outras ciências como a mecânica e o eletromagnetismo. Ela teve um caráter empírico e sua prática veio primeiro que a teoria. Assim, as atividades práticas são um recurso metodológico que facilita a aprendizagem”, enfatiza Souza.
Além das atividades práticas, a professora também indica contextualizar historicamente o surgimento da termodinâmica com os alunos. Ela se desenvolve no período da Revolução Industrial, marcada pela chegada das máquinas de fiar, do tear mecânico e da máquina a vapor.
“Os problemas decorrentes das minas de carvão e os grandes investimentos feitos na solução deles foram fundamentais para o desenvolvimento da termodinâmica enquanto ciência. Isso despertou o interesse nos cientistas em compreender como se dava o funcionamento das máquinas utilizadas e como torná-las mais eficientes”, explica Souza no artigo “Uma UEPS para discussão de conteúdos metacientífícos da termodinâmica na educação básica” (2021).
A seguir, confira 6 atividades práticas que ajudam a ensinar termodiâmica para a turma. Lembrando que o professor deve manusear recipientes com líquidos e inflamáveis em alta temperatura com cuidado e equipamentos de segurança, visando evitar acidentes.
1. Máquina a vapor
A professora da rede estadual do Paraná, Ana Claudia Pasieznik Casini, ensina em artigo como construir uma maquina térmica com os alunos a partir de materiais alternativos.
“A realização deste experimento deve permitir ao aluno entender, na prática, como é o princípio de funcionamento de uma máquina térmica. Ou seja, que a pequena porção de água contida na latinha de refrigerante (caldeira), ao ser
aquecida pela lamparina (fornalha), transforma-se em grande quantidade de vapor. Este vapor movimentará o catavento, que faz o papel da turbina”, ensina.
Materiais: 1 lamparina pequena a álcool; 1 lata de refrigerante vazia; 1 tábua de madeira; durepoxi; 4 pregos grandes para fazer o suporte da latinha; papel alumínio para a confecção do catavento ou um catavento pronto; fósforo; martelo e prego fino.
Procedimento: Para construir a caldeira, coloque 1/3 de água na lata de refrigerante vazia, tampe a abertura da lata com durepoxi e faça um pequeno furo, de espessura fina, com o prego. Fixe 4 pregos na tábua de madeira para fazer um suporte à latinha com altura suficiente para que a lamparina seja colocada sob a caldeira e a caldeira encaixada na base de pregos. Apoie a caldeira horizontalmente na base de pregos e, abaixo dela, instale a lamparina que servirá como fonte de energia térmica. Para a construção da turbina, utilize papel alumínio para fazer um catavento ou utilize um pronto, de plástico. Coloque a turbina em uma armação, ajustando a altura para que coincida com o furo da caldeira. Coloque fogo na lamparina para a usina montada entrar em funcionamento.
2. Construção de um termômetro
Indicação dos professores Edivania Bispo e Clóves Rodrigues no artigo “Sugestões de experimentos de fácil acesso para o ensino de termodinâmica” (2019), este experimento demostra que, em geral, os líquidos aquecidos aumentam o seu volume e, ao serem resfriados, ocorre o processo contrário.
Materiais: Vidro de esmalte vazio; canudo com um diâmetro de 4 mm ou um tubo de caneta esferográfica limpo; seringa; álcool 70%; caneta; régua de 30 cm; termômetro de mercúrio ou similar; corante; pistola de cola quente ou durepox; alicate; prego e placa de isopor.
Procedimento: Em um recipiente, coloque aproximadamente 80 ml de álcool e misture o corante. Faça um furo na parte superior da tampa com um prego aquecido até atingir uma circunferência de aproximadamente 4 mm.
Introduza o canudo na tampa de forma que ele fique justo e perfeitamente encaixado. Retire todo o resíduo do vidro de esmalte e deixe-o secar. Com a ajuda de uma seringa, encha com álcool, já misturado com corante, o vidro de esmalte até transbordar e tampe-o.
Vede toda tampa e as laterais do canudo com cola quente ou Durepox para que o álcool não evapore. Verifique se está corretamente encaixado e vedado. Cole uma placa de isopor compressor na parte de trás do canudo para fazer as escalas termométricas.
Coloque o vidro em um recipiente com água quente, cuja temperatura é conhecida por um termômetro de mercúrio ou digital. Logo após verifique e marque com uma caneta a altura do líquido. Este será o primeiro valor-base de seu termômetro.
Coloque o vidro em um local frio (congelador) ou em um recipiente com água gelada, cuja temperatura é conhecida por um termômetro de mercúrio ou digital. Espere alguns minutos e marque novamente a altura do líquido.
Este será o segundo valor-base de seu termômetro. Neste momento pode ser demonstrado para os alunos como é feita a conversão de escalas de temperatura, tomando os dois valores-base do seu termômetro.
Perguntas sugeridas: Por que o álcool expande quando colocado em um recipiente com água aquecida? Como se deu a equação de transformações de escalas?
3. Dilatação de gases pelo calor
Outra indicação dos professores Edivania Bispo e Clóves Rodrigues em artigo científico. O objetivo é mostrar que, assim como os líquidos, os gases também sofrem expansão quando aquecidos e contração quando resfriados.
Materiais: Garrafa de vidro com gargalo sem defeito; bexiga; recipiente com água fria e recipiente com água quente.
Procedimento: Coloque em um recipiente 1/2 litro de água quente e, em outro, a mesma quantidade de água fria. Limpe a garrafa e deixe-a secar. Pegue a bexiga e envolva no gargalo da garrafa. Coloque a garrafa dentro do recipiente com água quente. Observe que a bexiga depois de aproximadamente 25 segundos estará cheia. Coloque a garrafa dentro do recipiente com água fria. Observe que a bexiga irá se esvaziar.
Perguntas sugeridas: Por que a bexiga se expande do seu tamanho inicial se não há nada visivelmente na garrafa? Pode-se fazer algumas referências ao cotidiano, como o voo de balões.
4. Condução térmica em metais
O objetivo é demonstrar experimentalmente a transferência gradual de calor ao longo de um fio metálico.
“A condução térmica existente nos sólidos; ocorre através da agitação dos átomos que constituem o material. Não há, entretanto, transporte de matéria durante o processo”, lembram Bispo e Rodrigues em artigo. Eles sugerem destacar com os alunos que o físico e matemático Jean-Baptiste Joseph Fourier foi pioneiro nos estudos sobre o tema.
Materiais: fio de cobre com aproximadamente 1,80 mm de largura; 2 velas grandes; suporte de madeira; isqueiro; cola quente e estilete.
Procedimento: Corte quatro pequenos pedaços de uma das velas e faça um furo no centro com a mesma medida que o fio. Separe um fio de cobre com aproximadamente 90 cm de comprimento. Utilize para a montagem do suporte dois pedaços de madeira de 18 cm.
Pegue os dois pedaços de madeira e cole um no outro em formato de L e espere secar. Enrole o fio de cobre em uma das extremidades do suporte deixando cerca de 45 cm do fio sobrando. Faça com o fio o formato de um U com aproximadamente 16 cm de comprimento. Coloque o fio devidamente preso ao suporte. Separe os quatro pedaços da vela e coloque dois em cada lado do fio e deixe-os a uma distância de 5 cm um do outro para melhor compreensão do experimento.
Coloque a vela no suporte, em um ponto que fique perto da extremidade do fio. Foi utilizado um suporte extra na base da vela devido ao seu tamanho, que era inferior ao tamanho do suporte feito para o fio.
Acenda a vela. Observe como o processo de condução ocorre de forma graduada no fio. O calor se propaga pelo fio aquecendo a parafina da vela, fazendo com que ela derreta e caia.
Perguntas sugeridas: Por que os pedaços de parafina caem depois de algum tempo? Como é definido este fenômeno e como as leis da física explicam o que ocorre? Qual das parafinas derrete mais rapidamente: a mais próxima ou a mais afastada da chama da vela?
5. Processo de transferência de calor – Corrente de convecção
Sugestão do professor Ewerton da Silva Bittencourt no trabalho “Termodinâmica aplicada no ensino médio no Instituto Federal de Paranaguá” (2021), este procedimento trata da corrente de convecção – movimento de massas fluidas que trocam suas posições devido à diferença de temperatura. Ocorre somente em fluidos como vapor, gases e líquidos.
Materiais: 1 copo de vidro transparente; água; leite em pó ou corante; canudo; vela e isqueiro ou fosforo.
Procedimento: Adicione água até a metade do copo e deposite o leite no fundo com o canudo. Na sequência, coloque o copo em cima da vela. Não use outra fonte de calor, pois o corpo de vidro pode quebrar.
“Percebeu-se que o leite começou a subir pelo meio do copo e, ao chegar na parte de cima, desce pelas laterais até deixar a água completamente turva”, relata Bittencourt na monografia.
“[Com os alunos], estabeleceu-se que a vela forneceu calor por irradiação, a qual excitou os átomos, aumentando sua vibração e diminuindo sua densidade. Sendo a densidade uma relação entre massa e volume, ao aumentar a vibração dos átomos, o volume ocupado pela mesma quantia de massa aumentou. Consequentemente o leite, que estava mais ao fundo se aqueceu mais rápido, diminuindo sua densidade e convergindo ao topo do copo, perdendo calor na sequência e retornando ao fundo”, acrescenta o autor.
6. Experimento sobre absorção de calor
Criação de Rodrigues e Bispo, o objetivo é demonstrar experimentalmente que a radiação só se transforma em calor quando absorvida, assim como materiais escuros absorvem mais radiação do que brancos.
Materiais: Duas latas de refrigerante; tinta em spray branca e preta; mesa; termômetro e água.
Procedimento: Lixe as latas até que seja retirado todo esmalte que possui a parte externa. Lave as latas e deixe secar.
Pinte as duas latas, uma de branco e a outra de preto, e deixe secar. Encha ambas as latas com água.
Coloque sobre uma mesa e exponha as duas ao sol por 20 a 30 minutos.
Em seguida, coloque o termômetro dentro das latas, meça a temperatura dentro das duas e compare.
Pergunta sugerida: Se a radiação recebida em ambas as latas foi praticamente a mesma, por que a temperatura dentro da lata pintada de branco é menor que a temperatura na lata pintada de preto?
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