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3ª Aula: Convecção e Irradiação Térmica - Experimentos, imagens e vídeos

Objetivos

Realizar experimentos de baixo custo para observar o fenômeno da Convecção Térmica.
Conceituar Convecção Térmica.
Observar aplicações da Convecção Térmica.
Realizar experimentos de baixo custo para observar o fenômeno da Irradiação Térmica.
Conceituar Irradiação Térmica.
Observar aplicações da Irradiação Térmica.

Metodologia

Pedir aos estudantes para formar grupos com até 5 alunos para realização dos experimentos.
Distribuir Roteiro de experimentos aos alunos.
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

Antes de começar esta aula os alunos já podem se dividir nos grupos dos experimentos igual da aula passada. Isso reforça ainda mais a ideia de que seu aprendizado é construído ao relacionar-se com seus professores e com seus pares.
É interessante neste momento revisar os conceitos de temperatura, calor e condução térmica para então introduzir as outras formas de transferência de energia.
Apesar das imagens ilustrativas serem importantes os vídeos explicam com animações as aplicações dos conceitos. Dessa forma, é importante assistir alguns vídeos com os alunos, pois alguns não irão se interessar por assistir em casa (ainda que estejam sendo avaliados por isso). Ao assistir em sala de aula, os alunos serão motivados a fazer o mesmo em suas casas.
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.

Sobre o experimento 6

Enquanto o experimento 6 é executado, peça aos alunos que relatem a razão pela qual a hélice se movimenta. Provavelmente dirão que é devido do ar quente que sobe. Neste momento, o professor questiona sobre como ocorre esse processo de subida que é chamada de convecção térmica.

A convecção térmica é o processo de transferência de energia através do movimento da matéria, por efeito de uma diferença de temperatura. A convecção ocorre tipicamente em fluidos (líquidos e gases).

É importante reforçar aos alunos que a diferença de temperatura provoca uma diferença na densidade e esta é a responsável pela "elevação" do fluido.

São muitas as aplicações da convecção térmica e estas estão explicadas nas imagens que devem ser exploradas com os alunos.

Relacionar este experimento com as questões 2, 3, 4 e 6 do pré - teste em grupo.

Experimento 6: Convecção térmica com uma vela e uma hélice.

Figura 34: Representação esquemática do experimento 6.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Materiais:

Vela.
Hélices de alumínio.
Arame.
Garrafa PET 2 L.
Tampa de caneta Bic.
Fita adesiva.
Agulha ou alfinete.

Procedimento:

Fazer suporte para hélice (ver vídeo).
Prender hélices de alumínio no suporte.
Acender vela, colocar debaixo da hélice e observar.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Vídeo 21: Execução do experimento 6.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e aplicações

Uma porção de ar ao redor da vela recebe energia da combustão (Figura 39) e aumenta sua temperatura, induzindo um aumento de seu volume, porém conservando sua massa, como consequência ocorre uma diminuição de sua densidade. Dessa forma o empuxo que atua sobre essa porção de ar é maior que a peso. Logo, a porção de ar se eleva em relação ao restante da massa de ar ao redor da vela.
Outra porção de ar ocupa o espaço então vazio e novamente sua temperatura se eleva e o processo se reinicia, em um ciclo fechado que chamamos de corrente de convecção que é ilustrado na galeria de imagens.
Sugestão: O professor pode neste momento propor outro experimento (deixar a vela na horizontal) para verificar que o ar quando aumenta sua temperatura se eleva tão rapidamente que molda o formato da chama.
Ao deixar a vela na horizontal (tome cuidado para não se queimar com a parafina quente) é verificado que a chama continua na vertical (Figura 41).
Isso ocorre porque o ar com maior temperatura sobe por possuir menor densidade.

Figura 35: Representação esquemática da vela na horizontal e da vela na vertical.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 36: Representação esquemática da convecção térmica.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 37

Fonte: Elaborado pelo autor

Nesta animação observa-se que o líquido ao receber energia da chama, aumenta a temperatura, diminuindo a densidade, fazendo com que o líquido suba. Na superfície, a energia é transferida para o meio externo induzindo uma diminuição da temperatura e aumento da densidade, fazendo com que o líquido desça. Esse fenômeno de movimento contínuo de massa do fluido induzido por uma variação de temperatura é denominado corrente de convecção.

Sobre o experimento 7

O experimento 7 analisa um fenômeno muito próximo dos alunos e é importante perguntar antes da execução a diferença entre caminhar em um dia ensolarado vestindo uma camiseta de cor preta ou uma de cor branca. Certamente dirão que usar a camiseta de cor preta faz suar bastante.

O processo de transferência aqui apresentado é a Irradiação Térmica que não necessita de meio material para ocorrer, pois a energia é transferida entre corpos através de ondas eletromagnéticas e estas não necessitam de meio material para se propagar.

Importante frisar neste momento que dois corpos podem transferir energia um para o outro na forma de calor mesmo que não haja contato entre eles. Infelizmente em muitos livros didáticos para conceituar calor os corpos estão em contato e isso leva os estudantes a pensar que a transferência de energia só ocorre com o contato.

Relacionar este experimento com as questões 2 e 4 do pré - teste em grupo.

Experimento 7: A diferença de temperatura entre objetos branco e negro quando iluminados por uma lâmpada

Figura 45: Representação esquemática do experimento 7.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Materiais:

1 lâmpada halógena com soquete, fios, interruptor e tomada.
1 suporte de madeira em L para a lâmpada (ver vídeo).
1 lata de alumínio pintada na cor branca.
1 lata de alumínio pintada na cor preta.

Procedimento:

Colocar os termômetros dentro das latas e medir a temperatura.
Ligar a lâmpada sobre as latas simultaneamente e observar a variação da temperatura.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Vídeo 22: Execução do experimento 7.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e aplicações

Todos os corpos emitem algum tipo de irradiação térmica (radiação de corpo negro). Essa irradiação térmica é energia transferida em forma de ondas eletromagnéticas e cada frequência de onda tem uma energia associada. As "ondas de calor" são as ondas de infravermelho e são as que os seres vivos emitem.
A luz também é uma onda eletromagnética e um fenômeno empírico é que objetos de cor branca refletem a maior parte das ondas eletromagnéticas incidentes e objetos de cor preta absorvem a maior parte das ondas eletromagnéticas incidentes.
Esse fenômeno óptico é observado neste experimento, pois após certo tempo a temperatura do corpo branco é menor que a do corpo negro e isto está relacionado com essa capacidade de refletir e absorver ondas eletromagnéticas.
Convide alguns alunos a colocar a mão na frente da lâmpada para que sintam as ondas eletromagnéticas sendo absorvidas por suas mãos.

Figura 46

Fonte: Extraído de https://novaescola.org.br/conteudo/2286/o-que-e-efeito-estufa-e-quais-sao-suas-consequencias. Ilustrador: Luis Iria

Tarefa da 3ª Aula

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

Tarefa da 3ª aula

Gabarito

Assistir os vídeos listados abaixo.
Pesquisar os conceitos que serão discutidos na próxima aula: Equação de Clapeyron, Lei Geral dos Gases ideais e 1ª Lei da Termodinâmica. Deixar anotado no caderno.

Vídeo 23: Lanternim

Duração: 1 min 17 s
Descrição:
Vídeo ilustra o funcionamento de um Lanternim para melhorar o conforto térmico em um galpão.

Vídeo 24: Manta Térmica

Duração: 1 min 54 s
Descrição:
Vídeo explicativo sobre como funcionam as mantas térmicas e as vantagens de seu uso tanto no inverno quanto no verão.

Vídeo 25: Exaustor Eólico

Duração: 6 min 51 s
Descrição:
Vídeo descrevendo a fabricação e funcionamento dos exaustores eólicos translúcidos apresentando suas vantagens no conforto térmico e de iluminação do ambiente.