Conteúdos
Trocas de calor.
Temperatura.
Equilíbrio térmico.
Curva de aquecimento/resfriamento.
Objetivos
Este roteiro trata do estudo qualitativo e quantitativo da temperatura e do conceito de equilíbrio térmico. Esperamos que o aluno tenha a oportunidade de compreender, analisar e vivenciar uma situação onde ocorrem trocas de calor com mudança de temperatura.
1ª Etapa: Início de Conversa
Os conceitos de calor como forma de energia e temperatura como medida do estado de agitação térmica molecular são muito importantes e precisam ser construídos aos poucos. Nessa construção as atividades práticas são fundamentais para que os alunos não apenas percebam que esses conceitos estão presentes no seu dia a dia como também já se encontram interiorizados de forma intuitiva, ainda que confusa, em suas mentes.
Nessa atividade vamos estimular o aluno a perceber e compreender o fenômeno da troca de calor e sua consequente variação da temperatura entre os sistemas participantes dessas trocas quando não ocorre mudança de fase. Esperamos com isso aproximar o aluno dos conceitos, do aparelho básico de medida da temperatura (o termômetro) e de uma nova visão sobre o processo de troca de calor.
Professor, antes de iniciar as atividades, consulte as área Para organizar o seu trabalho e saber mais e Material de apoio, onde você encontrará os Roteiros de Experimentação
2ª Etapa: Etapa Problematização e sensibilização
Nessa etapa o professor deve apresentar o tema de estudo, “Trocas de calor, equilíbrio térmico e curva de aquecimento/resfriamento”, 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.
1. Como podemos saber se dois corpos estão na mesma temperatura? [Verificando se estão em equilíbrio térmico, isto é, se não trocam calor ou, de maneira mais simples, medindo a temperatura de ambos com um termômetro]
2. Quando um copo com água quente é deixado por um tempo sobre a pia da cozinha, o que ocorre com sua temperatura? [Vai diminuindo até atingir o mesmo valor da temperatura da cozinha]
3. Quando um corpo perde calor para o ambiente e se resfria, que temperatura ele atinge depois de um tempo bastante longo? [A mesma temperatura do ambiente]
4. De que forma um a temperatura de um corpo aquecido diminui quando ele troca calor com o ambiente? Sempre do mesmo jeito, mais rápido no início ou mais rápido no final? [Mais rápido no início e mais lento no final]
5. Nos casos descritos acima, o que acontece com a temperatura do ambiente? [Depende do ambiente: a temperatura pode permanecer a mesma ou sofrer pequenas alterações se o ambiente for muito maior do que o objeto]
Talvez alguns alunos tenham as respostas para algumas ou mesmo para todas essas perguntas ou ainda 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.
3ª Etapa: Apresentando brevemente o conceito de calor, temperatura e equilíbrio térmico
Nessa etapa o professor deve apresentar ou revisar com os alunos os conceitos básicos de calor, temperatura e equilíbrio térmico, bem como o princípio das trocas de calor que afirma que o calor flui espontaneamente do sistema de maior temperatura para o sistema de menor temperatura.
Se o professor preferir, pode apresentar a videoaula “Introdução à Termologia”, disponível na seção “Para Organizar o seu Trabalho e Saber Mais”, link 1, e sugerir que os alunos acessem também a página “Temperatura e calor”, link 2, disponível na mesma seção. É importante aqui que o aluno conheça, ou revise, os conceitos básicos.
O applet java, também disponível na mesma seção, link 3, pode ser baixado no endereço fornecido. Caso o navegador não tenha um plugin java instalado capaz de executá-lo diretamente. Nesse applet o aluno pode “visualizar” a variação no estado de agitação das moléculas de um corpo na medida em que vamos variando sua temperatura.
4ª Etapa: Realizando uma experimentação e construindo um gráfico de resfriamento para a água
Essa etapa é de prática e deve ser realizada no laboratório (mas também pode ser realizada no ambiente de sala de água, tomadas as devidas precauções). Nela os alunos vão fazer uma experimentação simples que consiste em observar e anotar valores de temperatura de uma certa porção de água, inicialmente aquecida até cerca de 60°C, e depois deixada em contato com o ar do ambiente, de forma a poder trocar calor com este e ir se resfriando.
Os dados obtidos serão tabelados e plotados em um gráfico para análise posterior. Se o professor desejar pode realizar a etapa de construção do gráfico na Sala de Informática da escola utilizando um editor de planilhas, como o Excel. Nesse caso a ferramenta (editor de planilhas) geralmente dá a opção de aproximar a curva obtida por meio de um polinômio, mas isso não é necessário. A curva obtida será, na verdade, uma exponencial decrescente. O importante, no entanto, é observar o comportamento assintótico da curva que tende a se tornar paralela ao eixo dos tempos igualando seu valor ao da temperatura ambiente.
5ª Etapa: Finalização
Para a finalização dessa atividade o professor pode propor aos alunos, ainda em grupo, que discutam e respondam as questões propostas no roteiro de experimentação.
Alternativamente, tanto o vídeo, quanto o link de página de texto ou o applet sugeridos na seção “Para Organizar o seu Trabalho e Saber Mais”, que não tiverem sido utilizados em aula, podem ser propostos como tarefa para casa.
Materiais Relacionados
1. Vídeo (10:38), “Introdução à Termologia” – conceitos básicos: https://youtu.be/0TW8advfprE