Conteúdos
Radiação térmica.
Luz infravermelha.
Trocas de calor.
Irradiação.
Objetivos
Este roteiro trata do estudo qualitativo da radiação térmica. Esperamos que ao executá-lo os alunos vivenciem situações onde seja possível detectar a radiação térmica “visualmente” e pela pele. Dessa forma deseja-se que os alunos tenham uma boa compreensão do que é e como se produz a radiação térmica, bem como conheçam alguns de seus usos.
1ª Etapa: Detectando a radiação infravermelha
Feitas as explicações conceituais iniciais, resta agora vivenciar duas situações (pelo menos) em que é possível detectarmos facilmente a radiação infravermelha. Essas demonstrações devem ser feitas em conjunto com os alunos para que eles vivenciem de fato os fenômenos.
– Detectando a radiação infravermelha com a pele
Nossa pele é um bom detector de radiação infravermelha, pois ela é capaz de absorvê-la e informar ao nosso cérebro que estamos recebendo calor (que é justamente a energia transmitida por essa radiação). Para detectarmos essa radiação com a pele precisamos de uma fonte de radiação infravermelha e, via de regra, obtemos essas fontes com corpos muito aquecidos. É claro que usaremos um corpo que, embora aquecido a mais de 2.000 °C, não oferecerá maiores riscos: o filamento de tungstênio de uma lâmpada incandescente.
Materiais necessários:
• Lâmpada incandescente transportável, de preferência fixada em um suporte, de 60 W ou mais.
Procedimento:
• Ligue a lâmpada sobre uma mesa e peça que cada aluno aproxime as costas da mão, sem tocar a lâmpada (pois o vidro da lâmpada também se aquece e pode causar queimaduras), a uma distância de aproximadamente 10 cm.
Discussão: o ar ao redor da lâmpada não permanece aquecido, pois ao aquecer ele sobe, por convecção. Então o calor que a pessoa sente na pele das costas da mão deve-se à radiação infravermelha emitida pela lâmpada.
Se for possível levar uma segunda lâmpada fluorescente compacta (também chamada de “lâmpada fria”) os alunos poderão confirmar que, embora a mão também fique iluminada por essa lâmpada, ela não se aquece de forma perceptível, como no caso da lâmpada incandescente.
Uma lâmpada incandescente emite na forma de radiação infravermelha cerca de 95% da energia elétrica recebida. É por essa razão que essas lâmpadas foram substituídas por lâmpadas fluorescentes compactas que são bem mais eficientes. As lâmpadas incandescentes são ótimas fontes de calor e são bastante utilizadas em granjas para manter as aves aquecidas.
A questão da substituição das lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas pode trazer à tona a discussão sobre uso racional da energia elétrica, enriquecendo a aula.
– Detectando a radiação infravermelha com os olhos de forma indireta
Nossos olhos não são capazes de interpretar a radiação infravermelha, embora possam recebe-la e se aquecerem. Mas alguns animais, como algumas espécies de cobras e de insetos, conseguem detectar essa radiação e se orientar por ela para caçar suas presas.
Para “enxergarmos” a radiação infravermelha de forma indireta usaremos um detector de radiação facilmente entrado entre os próprios alunos: a câmera fotográfica do celular!
Para criar fotografias digitais os celulares utilizam sensores de luz (CCD, ”Charge-Coupled Device” – Dispositivo de Carga Acoplada). Esses sensores também são capazes de absorver a luz infravermelha e processá-la, associando-a a alguma outra cor do espectro visível, como o azul ou o branco, dependendo do sensor.
Uma vez tendo à disposição celulares com câmeras digitais, falta apenas uma fonte pura de infravermelho. Essa fonte está disponível em praticamente todas as casas e consiste em um LED emissor de infravermelho utilizado nos dispositivos de controle remoto. Isso mesmo! No controle remoto da TV há um LED que emite luz infravermelha.
Materiais necessários:
• Sensor de infravermelho e conversor para imagem visível (CCD) – câmera digital comumente encontrada em smartphones e aparelhos celulares comuns;
• Diodo emissor de radiação infravermelha – comumente presente nos aparelhos de controle remoto.
Procedimento:
• Aponte o controle remoto para a câmera e observe que o LED está apagado;
• Acione o controle remoto apertando qualquer de seus botões e observe que o LED acende.
Discussão: Os alunos podem ser convidados agora a fazer uma leitura compartilhada do texto “A radiação infravermelha”, disponível na seção “Para Organizar o seu Trabalho e Saber Mais”, que pode ser projetado em um telão, e o professor pode discutir pontualmente o texto, esclarecendo as dúvidas e curiosidades dos alunos.
2ª Etapa: Finalização
Para a finalização dessa atividade o professor pode propor aos alunos que pesquisem, utilizando também a internet, outros usos da radiação infravermelha em nosso dia a dia (além do controle remoto).
O professor também pode propor aos alunos que, divididos em grupos, pesquisem e tentem reproduzir o experimento de William Herschel (que primeiro detectou e associou a radiação infravermelha ao calor).
Por fim, não se esqueça de retomar as perguntas iniciais e verificar se agora os alunos conseguem boas respostas.
3ª Etapa: Início de Conversa
Todos ficamos expostos à luz solar praticamente todos os dias, ainda que por pouco tempo em alguns casos. Muitos alunos já sabem que além da luz branca que traz consigo todas as frequências de luz visíveis, a luz solar traz também outras frequências, como o ultravioleta que pode ser bastante prejudicial à saúde. No entanto, uma radiação que também vem com a luz solar, mas não é tão comentada, é a radiação infravermelha. É essa radiação que nos “aquece” quando recebemos diretamente a luz solar sobre nossa pele.
Além disso, a radiação infravermelha está presente em todos os lugares e é emitida por todos os corpos em maior ou menor quantidade, conforme a temperatura de cada um. Há muitas utilidades práticas para essa radiação e a maioria das pessoas nem imagina que a utiliza em suas casas cotidianamente para mudar o canal de TV.
Nesse roteiro abordaremos essa forma de radiação, sua relação com o calor e alguns de seus usos cotidianos. Na parte prática (demonstração) detectaremos a radiação infravermelha por meio de nossa pele e a “enxergaremos” de forma indireta utilizando um dispositivo de CCD (disponível nos celulares comuns).
4ª Etapa: Problematização e sensibilização
Nessa etapa o professor deve apresentar o tema de estudo, “Trocas de calor e radiação térmica”, e estimular um debate rápido sobre o que os alunos pensam sobre o tema. Algumas perguntas podem orientar esse debate e ajudar em uma diagnose dos conhecimentos prévios dos alunos. Essas perguntas também servirão para nortear o roteiro de experimentação sugerido e servirão para a verificação da aprendizagem no final do roteiro.
1. Por que você sente calor quando fica exposto à luz do Sol? [Porque recebe calor na forma de luz infravermelha]
2. De que forma o calor pode passar de um corpo para outro? [Condução, convecção e irradiação]
3. Será possível enxergar no escuro? Será que isso tem alguma relação com calor e temperatura? [É possível enxergar no escuro usando dispositivos especiais capazes de detectar radiação infravermelha e convertê-la em sinais visuais que o olho humano é capaz de enxergar]
4. Porque envolvemos alguns alimentos em papel alumínio quando fazemos assados? [Porque o papel alumínio reflete bem as ondas infravermelhas impedindo que o calor recebido pelos alimentos se perca por irradiação]
5. Você sabe o que é a radiação infravermelha? [Uma forma de radiação eletromagnética que transporta calor]
Talvez alguns alunos tenham as respostas para algumas ou mesmo para todas essas perguntas. Talvez alguns fiquem em dúvida e surjam controvérsias. É importante que nesse momento os alunos tenham a palavra e que as suas dúvidas sejam anotadas e não respondidas. Da mesma forma o professor não deve “corrigir” as respostas dos alunos, de forma que eles possam verificar por si mesmos seus erros e acertos durante a atividade. O objetivo nesse momento inicial é despertar a curiosidade, o interesse e diagnosticar o que os alunos já sabem e o que precisam saber ou aperfeiçoar.
5ª Etapa: Apresentando brevemente o conceito de calor, temperatura e os processos de transmissão de calor
Nessa etapa o professor deve apresentar ou revisar com os alunos os conceitos básicos de calor, temperatura e transmissão de calor. É importante que o aluno tenha uma boa compreensão de que a temperatura de um corpo está diretamente associada ao estado de agitação de seus átomos e moléculas e que essa agitação representa uma forma de energia vibratória que chamamos de energia térmica (energia cinética dos átomos e moléculas). Portanto, temperatura e calor são grandezas distintas. Além disso, ao transferirmos essa energia térmica de um local para outro (e apenas durante essa transferência) a chamamos de calor.
O calor pode ser transferido de um local para outro por três processos básicos: condução, convecção e irradiação. O vídeo “Processos de transmissão de calor”, disponível na seção “Para Organizar o seu Trabalho e Saber Mais”, pode ajudar bastante na apresentação desses processos. É importante enfatizar para o aluno que os processos de condução e convecção necessitam de um meio material para que ocorra a transmissão do calor, enquanto o processo de irradiação pode ocorrer tanto em meios materiais quanto no vácuo.
Nesse ponto vale a pena apresentar mais cuidadosamente o conceito de onda eletromagnética e o de radiação térmica, frisando que a radiação térmica, também conhecida como “luz infravermelha” é invisível aos olhos humanos (mas é visível para algumas cobras, por exemplo) mas acompanha o pacote de radiações eletromagnéticas emitidas pelo Sol que chega até a superfície da Terra. O vídeo “Aplicações da irradiação térmica”, também disponível na seção “Para Organizar o seu Trabalho e Saber Mais”, ajuda nessa compreensão e traz exemplos de aplicações, além de explicar o efeito estufa (o que abre margem para interdisciplinaridade com a biologia e a geografia).
Materiais Relacionados
Vídeo (5:52), “Processos de transmissão de calor” – condução, convecção e irradiação: https://youtu.be/afajSfKnKGM
Vídeo (6:14), “Aplicações da irradiação térmica” – estufas, aquecedores solares, efeito estufa, garrafa térmica:
https://youtu.be/WVongbcyYbg
Texto “A radiação infravermelha” – Texto explicando resumidamente as características da luz infravermelha e por quê conseguimos enxerga-la no detector CCD dos celulares:
http://bit.ly/23CqQ4A
Arquivos anexados
- Termologia – radiação térmica
