2ª Aula | roteirotranscal

2ª Aula: Condução térmica - Experimentos, imagens e vídeos

Calor específico - Conceito e aplicação

Objetivos

Diferenciar e conceituar temperatura e calor.
Realizar experimentos de baixo custo para observar o fenômeno da Condução Térmica.
Conceituar Condução Térmica.
Observar aplicações da Condução térmica.
Conceituar Calor específico.
Observar aplicações do Calor específico.
Mostrar aplicações do Calor específico.

Metodologia

Conceituar temperatura e calor utilizando GIFs do site e aplicativos PHET.
Pedir aos estudantes para formar grupos com até 5 alunos para realização dos experimentos.
Distribuir Roteiro de experimentos aos alunos. Clique aqui para acessar roteiro dos experimentos.
Comentar instruções básicas de segurança para atividades experimentais: leitura do roteiro, cabelos amarrados e mesas limpas.
Orientar a realização dos experimentos comentando cada etapa do mesmo.
Explicar os conceitos envolvidos após a realização de cada experimento.
Evidenciar as aplicações práticas dos conceitos através das imagens disponíveis no site.
Orientar sobre a importância da tarefa desta aula e também como deve ser sua execução.

Início da aula

Na 2ª aula, após os alunos terem assistido os vídeos da tarefa e o professor ter tabulado os dados dos pré - testes é importante começar a aula explicando calor e temperatura, pois as outras atividades dessa SD dependem do bom entendimento desses dois conceitos.

Importante o professor fazer uma retomada das questões dos pré-testes perguntando a quem quiser responder espontaneamente qual foi sua resposta aos conceitos de calor e temperatura, mesmo que o professor saiba a média das respostas certas e erradas.

Nesse momento do compartilhar das respostas é importante verificar justamente os conceitos errados ou de senso comum para que as explicações possam criar conflitos cognitivos e desequilíbrios e o professor como mediador dos conceitos leve-os até a construção mental correta dos termos calor, temperatura e transferência de calor.

Ao longo da aula é vital que o professor faça as relações entre os pré-testes e os conceitos desta aula. Caso seja possível deixe os alunos com uma cópia dos pré-testes.

Conceituando temperatura

O professor pode optar por projetar o simulador PHET Mudança de Estado Físico ou pedir aos estudantes que acessem durante a aula em seus smartphones. Clique aqui para ver tutorial de como acessar os simuladores PHET.

Ao acessar o simulador e selecionar água o professor vai verificar que ela pode ser vista em três estados físicos e três temperaturas: sólido (157 K ou -116 °C), líquido (328 K ou 55 °C) e gasoso (809 K ou 576 °C). Os GIFs abaixo são os estados físicos representados pelo simulador.

Note que cada estado físico possui uma movimentação característica das moléculas de água, isto porque quando maior a temperatura maior é a energia contida nas moléculas e logo maior é sua agitação.

A temperatura medida por um termômetro pode ser conceituada como uma grandeza macroscópica relacionada ao grau de agitação das moléculas, que é uma grandeza microscópica. Há outras formas de conceituar a temperatura que são analisadas nas próximas aulas.

Uma vez relacionada a temperatura com o grau de agitação podemos relacionar com outra grandeza física chamada de energia interna. Energia Interna é a soma das energia cinética e potencial das moléculas que compõem um corpo.

O simulador PHET Atrito - que foi colocado como tarefa da aula passada - através do ato de esfregar dois livros representa que as moléculas se agitam e assim aumentam a sua temperatura. O professor pode optar por apenas citar o simulador ou acessá-lo junto com os alunos caso tenha tempo hábil em seu planejamento de aula.

Figura 4: Relação entre movimentação das moléculas e temperatura.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Conceituando calor

O calor é o nome dado a transferência de energia que ocorre espontaneamente entre dois corpos motivada exclusivamente pela diferença de temperatura entre esses dois corpos.

A energia é transferida do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura até que suas temperaturas se igualem. A este estado em que as temperaturas são iguais chamamos de equilíbrio térmico.

Importante que o professor pergunte aos alunos se há calor entre dois corpos em temperaturas diferentes, porém ambos os corpos em temperaturas negativas na escala Celsius. É do senso comum relacionar calor com "coisas quentes", porém o conceito de calor diz que sempre que existir uma diferença de temperatura, ou seja uma diferença em suas energias internas, vai existir espontaneamente uma transferência de energia, do corpo de maior energia interna para o de menor energia interna.

É um momento interessante para ressaltar a importância da escala absoluta Kelvin, pois não existindo temperaturas negativas, não se tem essa falsa ideia que "corpos frios" não podem sofrer uma transferência de energia.

Em uma barra metálica pode existir um fluxo de energia (seria interessante evitar o termo fluxo de calor, pois mais uma vez levaria os estudantes a acreditar que os corpos possuem calor) ,porém para ocorrer tal fenômeno a barra metálica deve possuir uma diferença de temperatura.

Os GIFs abaixo ilustram o processo de transferência de energia motivada pela diferença de temperatura até que o equilíbrio térmico seja estabelecido.

Figura 5: Representação do calor e do equilíbrio térmico.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Experimentos e Aplicações

Após o diálogo dos conceitos de calor e temperatura deve-se pedir aos alunos que se separem em grupos como na aula anterior. Os alunos devem ser os mesmos, pois o professor já teve o cuidado de separá-los de forma que os níveis dos alunos sejam variados.

Esta e as próximas aulas terão experimentos de baixo custo e execução relativamente simples.

Apesar dos experimentos serem simples, os estudantes devem ser orientados sobre as regras mínimas de segurança em atividades experimentais: cabelo preso, cuidado ao manusear velas acesas e manter mesas limpas.

Importante que o professor traga o material ou peça aos alunos com antecedência, porém são poucos os alunos que se comprometem. Dessa forma é importante já ter os materiais antes de começar a aula e não esperar os alunos trazerem.

Há um Roteiro de experimentos que deverá ser usado pelo grupo. Clique aqui para acessar.

Apesar do roteiro é muito importante as orientações do professor, pois os alunos irão manusear velas acesas e sempre há risco de acidente. Na aplicação desta SD houve apenas um acidente e poderia ser evitado com o bom senso do estudante.

Após cada experimento há uma seção de Explicações e Aplicações, pois o que se quer buscar é um ensino investigativo e empirista, que analise, classifique e preveja os fenômenos naturais a sua volta.

As aplicações dos fenômenos físicos poderão ser apresentadas numa seção com fotos. Todos os materiais apresentados neste site estão disponíveis para download.

O celular tem papel importante nos experimentos, pois os estudantes estão acostumados a filmar quase tudo que fazem e isso pode ajudá-los a rever os experimentos em casa. Não há nenhum problema desde que o estudante que filma não seja o mesmo que manipula os experimentos.

Os experimentos são de rápida execução se realizados por apenas um integrante. Estimule os outros integrantes do grupo a também realizar os experimentos e tirar suas próprias conclusões, pois o conhecimento é alcançado em conjunto.

Em cada experimento há um vídeo da execução que inicia ao clicar na imagem. Abaixo dos vídeos há uma representação esquemática do experimento que também está no Roteiro de Experimentos.

Sobre o experimento 1

A maioria dos experimentos sobre transmissão do calor envolvem uma chama ou um resistor para verificar como a energia é transferida através de uma barra de condutor ou isolante com uma das extremidades na chama e a outra com um termômetro.

Este experimento faz o inverso exatamente para demonstrar que há transferência de energia mesmo que não exista chama. Pois, para existir calor basta que dois corpos estejam em temperaturas diferentes. Neste caso o experimento diminui a temperatura de uma solução e que pode ser verificado pelo toque das mão e pelo termômetro.

Pergunte aos alunos se alguém é alérgico a ureia. Esta substância não costuma causar reações, pois está presente em quase todos os cremes hidratantes. Trate-se de um composto umectante, ou seja que retém a água sobre a pele.

Após o experimento o professor deverá comentar as aplicações da mistura de água, gelo e sal. Além de mostrar outras formas de resfriar os objetos antes da existência dos refrigeradores.

Relacionar experimento com questão 1 do pré - teste em grupo.

Experimento 1: Análise da temperatura da água após mistura com ureia.

Figura 6: Esquema representativo do experimento 1.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Modo 1

Materiais:

Ureia.
Tubo de ensaio.
Termômetro de mercúrio ou digital.
Espátula tipo canaleta.

Procedimento:

Colocar água pela metade no tubo de ensaio.
Medir a temperatura e anotar.
Adicionar ureia e agitar até dissolver.
Medir a mínima temperatura alcançada e anotar.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Modo 2

Materiais:

Ureia.
Lata de alumínio.
Termômetro de mercúrio ou digital.
Colher de café.
Seringa.

Procedimento:

Colocar 30 ml de água na lata de alumínio.
Medir a temperatura e anotar.
Adicionar ureia e agitar até dissolver.
Medir a mínima temperatura alcançada e anotar.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Vídeo 7: Execução do experimento 1.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e Aplicações

Ao misturar água com ureia as moléculas de água são atraídas pela superfície do cristal de ureia. A interação entre as moléculas de água e as moléculas de ureia é através de ligações de hidrogênio.
A ligação entre a ureia e a água é mais forte que a ligação entre as moléculas de ureia. Porém para que a ligação dentro do cristal de ureia seja quebrada a reação absorve energia do meio. A energia é absorvida até da água e isso faz com que sua temperatura diminua.
Esta propriedade permite abaixar a temperatura do tubo de ensaio e de qualquer outra coisa que esteja envolvendo ou mergulhado nessa solução.
Foi essa propriedade que os primeiros "sorveteiros" usaram para preparar a sobremesa e também era uma maneira de obter bebidas em baixas temperaturas.

Figura 7

Fonte: Acervo gratuito Wix

O sorvete era inicialmente produzido com uma mistura de neve (ou gelo), sal e frutas. Essa mistura possibilitou criar a sobremesa gelada muito antes da invenção da geladeira.

Sobre o experimento 2

Antes de começar o experimento é importante dizer aos alunos que não há isolante térmico perfeito. Por essa razão, é mais conveniente falar em bons e maus condutores de calor, sendo os maus condutores chamados de isolantes.

Este experimento é para verificar que metais (sólidos) são melhores condutores de calor que o ar (gás).

Após o experimento o professor deverá mostras as aplicações dos bons e maus condutores, mas sem explicar como ocorre a condução térmica.

Antes de cada explicação é importante perguntar aos alunos qual o conceito que eles possuem sobre o assunto para poder corrigir eventuais problemas conceituais ou aproveitar "ganchos" dados pelos estudantes.

Relacionar experimento com questão 2, 3, 4 e 5 do pré - teste em grupo.

Experimento 2: Comparação da condutividade térmica do ar e de um metal.

Figura 10: Esquema representativo do experimento 2.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Materiais:

Velas.
Latas de alumínio de refrigerante.
Folhas de caderno ou de jornal.

Procedimento:

Acender a vela.
Aproximar pedaço de papel da chama da vela de cima para baixo de modo que a chama fique bem em seu centro e observar. Não deixe a chama tocar o papel.
Enrolar metade de uma folha de caderno (cortada no sentido do comprimento) na lata de alumínio.
Aproximar lata com papel enrolado da vela de forma que a chama fique bem em seu centro por 10 segundos e observar. Pode deixar a chama tocar o papel.
O estudante pode tocar a lata de alumínio com bastante cuidado, pois a lata aquece rapidamente e pode causar queimaduras.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Vídeo 9: Execução do experimento 2.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e aplicações

Ao colocar o papel sobre a chama percebemos que ele pega fogo antes mesmo de tocar a chama, porém com a lata o papel fica intacto mesmo com a chama sobre o papel.
Isso ocorre porque o alumínio é um bom condutor e dissipa de maneira eficaz a energia que chega através do papel. Com isto, em um primeiro momento, o papel não atinge seu ponto de fulgor (temperatura em que o material se inflama).
O alumínio ao dissipar a energia aumenta rapidamente sua temperatura.

Figura 11

Fonte: Elaborado pelo autor.

A estrutura dos motores a combustão é de metal para dissipar a energia provocada pela combustão em seu interior. Alguns motores de carros antigos e de motos pequenas são arrefecidos por ar através de aletas laterais de metal. O ar pode não ser bom condutor, mas como está numa temperatura menor, a energia do motor em alta temperatura é transferida para o ar.

Sobre o experimento 3

Neste experimento pretende-se comparar a condução térmica na água (líquido) e no ar (gás) e verificar qual o melhor condutor. Sugerimos que neste momento ainda não se explique como se dá a condução térmica, mas que eles sejam instigados a fazer a relação entre os estados físicos e a eficiência da transmissão da energia em um material.

Importante destacar que a razão pela qual o balão com água não estourar é dupla, pois além da água ser em torno de 20 vezes melhor condutora que o ar - o que já seria uma explicação razoável para o balão não estourar - ela possui um calor específico quase 4 vezes maior. O calor específico é quantidade de energia que 1 g de determinado material precisa receber ou doar para variar sua temperatura em 1 °C.

Abaixo do experimento há uma seção sobre calor específico que serve de subsídio para compreender totalmente o fenômeno.

Comente as imagens das aplicações com os alunos, pois a água é uma substância muito utilizada para resfriar objetos e resfriar é outra forma de ver a transmissão do calor (ainda que menos usual).

Relacionar com a questão 5 do pré - teste em grupo.

Experimento 3: Comparação da condutividade térmica do ar e da água.

Figura 14: Representação esquemática do experimento 3.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Materiais:

Bexigas.
Velas.
Água.

Procedimento:

Encher uma bexiga com ar de modo a caber na palma da mão.
Encher outra bexiga com água de modo a caber na palma da mão.
Acender vela.
Aproximar a bexiga com ar da vela por 10 s e observar.
Aproximar a bexiga com água da vela por 10 s e observar.
Certifique-se que não há cadernos ou outros materiais que podem estragar caso molhar, pois a bexiga pode estourar.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Vídeo 10: Execução do experimento 3.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e aplicações

O ar contido na bexiga próximo ao ponto de aquecimento não dissipa energia suficiente da borracha para o restante do ar e isso faz com que o a borracha atinja uma temperatura elevada e se rompa com a pressão externa do ar.
Já a água além de transmitir em torno de 20 vezes mais o calor que o ar, ainda possui a capacidade de absorver mais energia elevando pouco sua temperatura e isso não permite que a borracha da bexiga alcance altas temperaturas.
O processo de uma substância absorver energia elevando sua temperatura está associado a uma propriedade física denominada calor específico. A água é uma das substâncias com maior calor específico.

Relembrando o conceito de calor específico

Nesta SD consideramos que o conceito de calor específico já tenha sido ensinado e aqui tem apenas um tópico de recordação para fazer uso na explicação de alguns fenômenos.
Caso este conceito não tenha sido ensinado é razoável acrescentar uma aula a esta SD exclusiva para tal tema.
O calor específico é a quantidade de energia necessária para que 1 g de determinado material varie sua temperatura em 1 °C. A água é um dos materiais com maiores calores específicos e usada largamente para diminuir a temperatura de objetos tais como motores, processadores e até do nosso corpo num banho de piscina.
O valor do calor específico da água é elevado. Por esse motivo, é necessária uma quantidade razoável de energia para elevar pouco a temperatura.
Essa "dificuldade" em aumentar a temperatura resulta em uma "dificuldade" para diminuir. Por essa razão que alimentos com molhos e caldos mantem suas temperaturas por mais tempo que os alimentos secos (esfriam rapidamente).
Abaixo temos algumas imagens como exemplos dos fenômenos tratados nesta seção.
Uma tabela com alguns valores de calor específico pode ser acessada clicando aqui.

Figura 15: Equação fundamental da calorimetria.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 16

Fonte: Acervo gratuito Wix.

Na explosão dentro da câmara de combustão a temperatura pode chegar até 1500 °C. O bloco do motor é feito de metal para auxiliar na dissipação dessa energia. Porém o bloco pode superaquecer e fundir literalmente. Para evitar isso os motores usam água para resfriar o motor, devido a sua capacidade de conduzir a energia. A água também absorve uma grande quantidade de energia aumentando pouco a sua temperatura. Toda essa energia absorvida pela água é transmitida ao radiador que é feito de alumínio, que é um excelente condutor.

Sobre o experimento 4

Neste experimento pretende-se verificar como ocorre a transferência de energia em um material. Deve-se notar que nem todos os sólidos são bons condutores e isto tem relação com a quantidade de elétrons livres do material. É opcional tal comentário, pois provavelmente os estudantes tenham pouca familiaridade com esse assunto na Física, apesar de já ter estudado em Química.

Abaixo do experimento segue uma explicação sobre Condução Térmica com um vídeo de um aplicativo mostrando a energia sendo transferida de partícula a partícula. Isso deve ser mostrado aos estudantes ou eles podem acessar em seus smartphones.

A condução térmica é o processo de transferência de energia através de um meio material, sob o efeito de diferença de temperaturas e sem transporte de matéria.

Ocorre com maior facilidade em sólidos, pois estes possuem as partículas mais próximas uma das outras, como metais .Os metais também apresentam elétrons livres que auxiliam na transmissão da energia. Vidro, porcelana, madeira e borracha são exemplos de sólidos maus condutores. Os gases são os piores condutores e por isso são usados como isolantes térmicos.

Abaixo há um vídeo de um aplicativo que pode ser acessado clicando aqui. Nele pode-se ver que a energia é transmitida de partícula a partícula.

Cada material tem uma "velocidade" para essa transferência e a isso chamamos de condutividade térmica. Uma tabela com alguns valores de condutividade térmica pode ser acessada aqui.

Essa "velocidade" é a taxa de energia transmitida ao longo do tempo que é chamado de fluxo de calor

Algumas aplicações de materiais isolantes e condutores podem ser observadas nas imagens. Antes de explicar, peça aos estudantes que compartilhem suas opiniões sobre a razão do objeto ser um bom ou mau condutor.

Importante fazer os estudantes notarem que apesar da energia ser transmitida facilmente pelo alumínio isso não ocorre no isopor. Peça aos alunos que tentem explicar a razão deste fenômeno.

Relacionar este experimento com a questão 2, 3 e 5 do pré - teste em grupo.

Experimento 4: Verificação da condução térmica no alumínio/cobre.

Figura 20: Representação esquemática do experimento 4.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Materiais:

Fio de alumínio/cobre.
Vela.
Pedaço de arame.
Pedaço de isopor.
Cronômetros (podem usar o celular).

Procedimento:

Acender a vela e ‘colar’ o pedaço de metal na extremidade do fio com parafina.
Passar o fio de alumínio/cobre pelo pedaço de isopor e segurar por este pedaço de isopor enquanto a extremidade sem o pedaço de metal deve ser aproximada da chama da vela.
Medir o tempo que demora para o pedaço de metal cair.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Vídeo 11: Execução do experimento 4.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e aplicações

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Neste experimento a chama da vela aumenta a temperatura de uma das extremidades do metal (cobre ou alumínio). Ao aumentar a temperatura as moléculas se agitam. Essa agitação é passada de molécula para molécula até atingir a outra extremidade. Ao atingir a outra extremidade a temperatura do metal se eleva derretendo a parafina. Ao derreter a parafina o pedaço de arame cai.

Figura 21: Representação da condução térmica em um sólido.

Fonte: Extraído de https://tdflashzone2.000webhostapp.com/Conduction-of-Heat/.

Equação da Condução térmica

Figura 22: Representação da condução térmica em um sólido.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 23

Fonte: Acervo gratuito Wix.

As ovelhas suportam baixas temperaturas graças a sua lã. O ar é um excelente isolante térmico e fica "preso" na lã. Assim a ovelha fica protegida mesmo em invernos rigorosos.

Sobre o experimento 5

O experimento consiste em abrir gabinetes de computadores desktop para observar dissipadores de calor.

Ressaltar que os dissipadores de calor são feitos em alumínio ou cobre. O motivo da escolha desses metais é que são bons condutores.

Notar que os dissipadores possuem aberturas, chamadas aletas. Essas aletas aumentam a área e isso aumenta o fluxo de calor transferido do processador para o ambiente.

Relacionar este experimento com a questão 3 do pré - teste em grupo. A questão se referia ao resfriamento de eletroeletrônicos.

Experimento 5: Análise da importância e funcionamento de dissipadores de calor em computadores/eletroeletrônicos.

Vídeo 12: Abrindo computadores para observar dissipadores de calor.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Materiais:

Gabinetes de desktop ou carcaças de notebook.

Procedimento:

Abrir gabinete ou notebook e verificar onde estão localizados os dissipadores de calor no computador.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Figura 32: Dissipadores de calor de um notebook.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e aplicações

Processadores de computador operam em altas frequências. Isso provoca um aumento considerável em sua temperatura.
Dissipadores de calor servem para diminuir a temperatura dos processadores e evitar que se danifiquem.
Abaixo há um vídeo que mostra a temperatura que podem chegar os processadores dos computadores com e sem os dissipadores de calor.
Eventualmente escrevemos "dissipador de calor" e o termo mais correto seria "dissipador de energia", pois calor é o nome do processo de transferência de energia motivada exclusivamente por uma diferença de temperatura.

Figura 33: Dissipadores de eletrônicos diversos.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Vídeo 13: Variação da temperatura de um processador sem dissipador de calor.

Tarefa da 2ª Aula

Resolver exercícios propostos e entregar na próxima aula em folha separada.

Tarefa da 2ª aula

Gabarito

Assistir os vídeos listados abaixo.
Pesquisar os conceitos que serão discutidos na próxima aula: Convecção térmica e irradiação térmica. Deixar anotado no caderno.

Video 14: Termorregulação em animais

Duração: 4 min 08 s
Descrição:
Breve relato sobre como alguns animais sobrevivem em lugares com altas e baixas temperaturas.
Os conceitos de condução térmica são abordados e também de irradiação térmica e convecção térmica que fazem parte da próxima aula.

Vídeo 15: Vida no deserto

Duração: 3 min 05 s
Descrição:
Vídeo com adaptações dos animais a vida no deserto.
Os cuidados para não perder água.
A vida noturna para não se expor ao Sol.
A busca por água em outros alimentos .

Vídeo 16: Arrefecimento de motor com água

Duração: 3 min 22 s
Descrição:
Vídeo que explica em detalhes o sistema de arrefecimento (resfriamento) com água de um motor a combustão.

Vídeo 17: Funcionamento de termoelétricas

Duração: 2 min 01 s
Descrição:
Vídeo explica de forma detalhada o funcionamento de uma Usina Termonuclear.
A imagem ao lado (retirada do vídeo) mostra que uma única pastilha de Urânio é extremamente energética.

Vídeo 18: Tecnologia em isolantes térmicos

Duração: 2 min 34 s
Descrição:
Vídeo explicativo sobre painéis de isolamento térmico.
Apresenta as vantagens do uso na construção civil.
Mostra também as demandas do mercado atual por materiais que ajudem a reduzir o consumo de energia e agrida menos a natureza.

Vídeo 19: Tinta isolante - Nanotech

Duração: 6 min 15 s
Descrição:
Apresentação de tinta para revestir telhados que auxilia no isolamento térmico de edifícios.
A tinta possui microesferas com ar que é um excelente isolante térmico.
A tinta é de cor branca que ajuda a refletir a luz do Sol. Veremos a razão disso na próxima aula.

Vídeo20:Resfriamento transformador

Duração: 5 min 47 s
Descrição:
Vídeo ilustra como é feito o resfriamento de um transformador através de óleo mineral e aletas em contato com o ar.
Necessário mudar as legendas para "Português", pois o vídeo está com a narração em inglês.