Aula 2

Plano de Aula

Aula “Termometria e Calormetria”

Escola: E.E. “Hope to Learn”

Professores: Alex Henrique Alves Honorato e Marcelo Adriano dos Santos Bongarti

Turma: “Anjos do Senhor”

Ano/Semestre: 2013/2º semestre

Aula nº.: 02    Data:  27/08/2013

Horário de início e de término da aula: 09h30 às 11h10min

Público alvo: 2º ano Z do Ensino Médio

Conteúdo:

1. Diferença entre calor e temperatura.

2. Equilíbrio e sensação térmica

Figura 1 – Termometria Cultânea Infravermelha

O ramo da Física que estuda fenômenos relacionados ao calor, resfriamento, aquecimento, mudanças de estado físico e de temperatura, entre outros, é chamado de Termometria.

O estado térmico de um corpo, ou de todo um sistema, é caracterizado por uma grandeza chamada Temperatura.

Do ponto de vista físico, os termos Temperatura e Calor têm diferenças muito substanciais.

Dizemos que um corpo está quente quando suas moléculas se agitam com maior velocidade, ou seja, maior energia cinética, do contrário, dizemos que ele está frio. Neste contexto, cabe definir temperatura como uma função que mede o estado de agitação das moléculas de um corpo. (Adaptado: http://www.sofisica.com.br/)

Existem diversas maneiras de medir e sistematizar a temperatura. O instrumento usado para fazer tal medição é conhecido como termômetro, cujo mais famoso é feito à base de mercúrio. Há uma série de escalar termométricas, entretanto, as três mais conhecidas, são:

Escala Celsius: É a escala usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0°C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100°C).

Escala Fahrenheit: Outra escala bastante utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0°F) e a temperatura do corpo humano (100°F).

Escala Kelvin: Também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula (0K) e é calculada a partir da escala Celsius. (http://www.sofisica.com.br, acesso em: 05/08/2013).

Figura 2 – Escalas Termomêtricas

A transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas distintas, é chamada de Calor. 

Portanto, enquanto a temperatura consiste na agitação das moléculas de um corpo, o calor é a transferência de energia térmica entre corpos.

Observamos, com grande frequência, em nosso cotidiano, que corpos que estão frios – e aqui entendemos como frio, todo corpo que esteja abaixo da temperatura ambiente – tendem a esquentar. Por outro lado, os que estão quentes, tendem a esfriar. Quando todos os corpos de um sistema possuem a mesma temperatura, dizemos que eles estão em Equilíbrio Térmico.  (Adaptado: http://www.sofisica.com.br/)

Figura 3 – Equilíbrio Térmico

Figura 4 - Mistura de Água

A unidade usada para o calor é a caloria (cal), e, como no Sistema Internacional de Medidas a unidade relativa ao calor seja o J (Joule), na prática fazemos a seguinte conversão 1 cal = 4,186J.

No que diz respeito à quantidade de calor de um corpo, temos a seguinte relação:   

onde,

            - Q é a quantidade de calor sensível.

            - m é massa do corpo.

            - c é o calor específico da substância do qual é constituído o corpo.

            -  é a variação da temperatura do corpo.

 Como um exemplo simples, temos,

Ex.1) Em uma cozinha, uma chaleira com 1L de água ferve. Para que ela pare, são adicionados 500mL de água à 10°C. Qual a temperatura do equilíbrio do sistema?

Qualquer quantidade de água que esteja fervendo encontra-se à temperatura de 100°C, se a temperatura for superior a esta, não haverá água líquida, apenas vapor.

(http://www.sofisica.com.br, acesso em 05/08/2013)

Existem trocas de calor que, além de mudar a temperatura, muda também o estado físico. Nesta situação, a quantidade de calor é chamada calor latente, e é calculada da seguinte forma. 

 

Onde,
- Q_L é a quantidade de calor latente.
- m é massa do corpo.
- L é a quantidade de calor que 1g da substância precisa para mudar de fase.

Algo bem interessante é a questão da sensação térmica. Para ilustrar este fenômeno observemos o exemplo a seguir. 

Em dias frios, é comum ouvirmos falar que a temperatura está baixa e que a sensação térmica é de uma temperatura ainda menor. O que é sensação térmica? Como ela é calculada?

Figura 4 – Sensação de frio

Nos termômetros, a temperatura marcada depende apenas da medição feita no ar. A sensação térmica, por outro lado, é a temperatura que realmente sentimos, tendo seu valor influenciado principalmente pela velocidade do vento, mas também pela umidade e densidade do ar, entre outros fatores climáticos. 

Geralmente os valores de sensação térmica são tabelados para velocidades comuns do vento, porém, existe uma fórmula empírica para calcular esses valores: 

Onde T é a temperatura em graus Celsius e v é a velocidade do vento em quilômetros por hora.

 

Assim, em um local onde a temperatura é 5 °C e o vento sopra a 40 km/h a sensação térmica é de aproximadamente -9,5 °C. (http://www.sofisica.com.br, acesso em 05/08/2013).

 
Objetivo:

O objetivo desta aula é, primeiramente, levar os alunos a diferenciarem dois termos que, na perspectiva comum, são iguais, porém, fisicamente falando, têm propriedades expressamente distintas. Uma vez feita esta distinção, os discentes estudarão algumas propriedades térmicas de um sistema, ou um grupo de sistemas, na intenção de definir e compreender o equilíbrio térmico. 

Neste contexto, pretendemos que os estudantes desenvolvam, entre outras, as seguintes competências e habilidades, itens inclusos na Proposta Pedagógica de Educação em vigor.

            
- Identificar fenômenos, fontes e sistemas que envolvem trocas de calor em processos naturais ou tecnológicos. 

- Comparar e avaliar procedimentos de medida e controle da temperatura.

- Identificar propriedades térmicas dos materiais ou processos de trocas de calor que justificam a escolha apropriada de objetos e utensílios com diferentes finalidades.

- Estimar trocas de calor envolvidas em fenômenos naturais ou em processos tecnológicos.

- Compreender - Aplicar o princípio de conservação da energia nas trocas de calor com mudanças de estado físico, nas máquinas mecânicas e a vapor. (Proposta Curricular do Estado de São Paulo para o ensino de Física, 2008, 2º ano do Ensino Médio, volume 2.)

Sabemos que grande parte das disciplinas da área de Exatas, inclusive Física, não está na lista de matérias preferidas da grande maioria dos estudantes. Conhecedores desta realidade, fixamos também como meta, entre outras, a dinamização do processo de ensino e aprendizagem dado através da utilização de recursos tecnológicos, dialéticos e experimentais, buscando trazer o cotidiano para dentro da sala de aula com a premissa de que, tornando o conteúdo palpável, o aprendizado tenda a ser prazeroso.

Aqui, atribuímos à ação de dinamizar o mérito de fazer com que a aula tenha mais sentido para o aluno e que seja um tanto mais prazerosa. Acreditamos, ainda, que, juntas, essas ideias são fortes contra a incrível onda de desinteresse dos alunos para as disciplinas de exatas.

Recursos Didáticos:

Computador, projetor, quadro negro, e os materiais utilizados no experimento.

Metodologia:

Inicialmente promoveremos uma discussão acerca da visão do senso comum que os alunos têm dos conceitos de temperatura e calor. Em outras palavras, indagaremos  “Qual é a diferença entre temperatura e calor?”, com o intuito de investigar qual o conhecimento prévio dos alunos quanto à diferença (ou semelhança) destas grandezas. Esperamos que esta discussão dure aproximadamente dez minutos.

Após esta breve discussão e a fim de contrastar as ideias primitivas dos alunos, exibiremos o seguinte vídeo: 

 

Este vídeo consiste num experimento simples, mas que ilustra, com grande maestria, a diferença supracitada. O vídeo tem duração de três minutos e cinquenta e um segundos.

Após sanar eventuais dúvidas, desafiaremos os alunos a pensar e transcrever, cada um em seu caderno, esta diferença. Em seguida, eles trocarão os cadernos com o colega do lado e, neste ponto, promoveremos um debate com a intenção de que eles discutam a diferença entre o que eles pensam e que o amigo pensa e, a partir disso, decidir se é necessário, ou não, reescrever o conceito. Caso ninguém consiga escrever a definição em toda sua completude (o que nós, é claro, esperamos), reabriremos a discussão a fim de acertar o que resta. Considerando o suprimento das dúvidas, o pequeno debate e a última conversa, esperamos levar vinte minutos de aula.

Em seguida, levaremos os alunos ao laboratório de Informática. Neste ambiente, solicitaremos que todos acessem a homepage  e façam uma leitura completa e tentem extrair e sintetizar, em seu caderno, as principais propriedades da troca de calor entre sistemas. Prevemos, para esta atividade, vinte minutos.

Nos dez minutos seguintes, discutiremos a síntese feita por eles e faremos um resumo, em lousa, de todas as propriedades e fórmulas citadas no item “conteúdo”.

Ao longo da homepage, encontram-se três experimentos virtuais bastante interessantes para o entendimento do assunto. O primeiro deles, Troca de Calor , ilustra, de maneira bem simples, a troca de calor dos corpos, quando estes estão entrando em equilíbrio. O seguinte, Capacidade Térmica, ilustra, virtualmente, o mesmo experimento feito do vídeo mostrado no início da aula. E o último, Calor Específico, representa a diferença de calor específico de algumas substâncias. A discussão destes experimentos será feita em seguida. Prevemos, para isso, vinte minutos.

Terminada esta fase, chamaremos a atenção dos alunos para uma curiosidade sobre a troca de calor no corpo humano. Perguntaremos a eles: “Por que sentimos frio quando estamos com febre?”.

Para ilustrar o fenômeno que apresentaremos a seguir, faremos um experimento em sala de aula. Este consistirá de três recipientes com água. Um deles contendo água quente, o outro água morna, e o terceiro, gelada. Convidaremos um ou dois alunos para introduzir as duas mãos nos recipientes com água quente e gelada; permanecer assim por dois ou três minutos e em seguida, colocar ambas as mãos na água morna.

Em meio a uma provável onda de dúvidas e opiniões errôneas, encorajaremos os alunos a fazerem uma pesquisa, online, sobre este fenômeno e novamente fazer uma síntese, com embasamento teórico – argumentos breves que justifiquem a teoria –,  culminando na observação clássica de que a troca de calor e suas respectivas sensações térmicas independem da temperatura.

A conclusão à qual esperamos que cheguem, depois de tudo, é a de que, embora a temperatura da água morna fosse a mesma para ambas as mãos, a sensação térmica foi diferente, pois, esta deu a impressão de ser quente, para a mão gelada, e fria, para a mão quente. É almejado, também, que eles concluam que, sensações térmicas podem ser idênticas em ocasiões em que as temperaturas sejam completamente diferentes. Calculamos que todo este processo leve trinta minutos.

Ao final, proporemos a avaliação.

Avaliação:

Levaremos em conta, o portfólio, isto é, a boa apresentação – letra legível, clareza nas ideias e coesão – das atividades escritas que foram propostas, bem como a síntese das ideias principais discutidas durante a aula, em vídeo, ou experimentos virtuais. 

O objeto de avaliação com maior peso serão as postagens feitas no fórum contido no link. Focaremos, neste ponto, na adequação ao tema proposto, a clareza nas idéias, e o uso formal da lingua portuguesa.

Variável Didática:

Prevemos como variável didática a possibilidade de algum equipamento incluso na metodologia não funcionar.

Atitudes a serem tomadas no caso de ocorrência de alguma variável didática:

- No caso do não funcionamento de algum equipamento, faremos toda a parte experimental e teórica, uma vez que os experimentos não são difíceis de serem realizados, e numa oportunidade seguinte, faremos as atividades gráficas que exigem o uso dos mesmos.

Fontes:

YOUNG, H. D. Temperatura e calor. In: YOUNG, H. D. Física II: Termodinâmica e Ondas. 12. ed. São Paulo: Addison Wesley, 2008, p. 179-216.

Experimento sobre a diferença entre Temperatura e Calor. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=XjWO1Hr5ASE>. Acesso em: 01 jul. 2013.

Blog Calor. Disponível em <http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/calor.htm>. Acesso em: 01 jul. 2013.

Só física. Simulações. Disponível em: <http://www.sofisica.com.br/>. Acesso em 01 jul. 2013.

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