Lendas da Ciência. Episódio: Queimar

Transcrição

1 Lendas da Ciência Episódio: Queimar Resumo A série Lendas da Ciência é uma produção francesa escrita pelo filósofo francês Michel Serres e por Robert Pansard-Besson. Essa série, constituída de doze episódios, fala do desenvolvimento e da história da ciência, explorando a elaboração do conhecimento científico e o seu poder transformador. No episódio Queimar, o filósofo francês contrapõe dois mundos ilustrados nos quadros de John Garrard e William Turner. O episódio descreve o primeiro mundo como frio e limpo, sendo movido pelas forças das águas e dos ventos ou dos músculos dos homens, mulheres e animais. Nesse mundo, que é ilustrado como uma insígnia no quadro o galpão de Samuel Whitbread, pintado por Garrard, destacam-se as máquinas simples como as alavancas, os guindastes, as balanças, as roldanas. Com essa ilustração e utilizando lendas gregas, Serres relaciona esse mundo aos deuses gregos Hércules e Atlas. Do mesmo modo, o filósofo se transpõe ao mundo do fogo por intermédio do quadro de William Turner, ilustrando o segundo mundo, quente e poluído: é o mundo de Prometeu deus grego do fogo. Nessa perspectiva, ao destacar o surgimento da termodinâmica, o episódio mostra as transformações e os processos de mudança por meio do desenvolvimento da ciência ao longo da história humana. Segundo o filósofo, a termodinâmica revolucionou o mundo das máquinas e, com os escritos de Sadi Carnot, proporcionou a mais profunda mudança no modo de produção com a criação da máquina a vapor. Por fim, Serres apresenta, na contemporaneidade, o mundo da informação, que pode ser relacionado ao deus mensageiro da mitologia grega, Hermes. Essa viagem histórica se conclui, indicando o primeiro mundo como

2 o da construção o segundo como da transformação e o terceiro mundo como o da divulgação das mensagens o mundo da informação. Palavras-chave Máquina, máquina simples, máquina a vapor, termodinâmica e Carnot. Nível de ensino Fundamental (9º ano) e Ensino Médio. Componente curricular Ciências naturais. Disciplinas relacionadas Ciências e Física. Aspectos relevantes do vídeo No início da discussão, o filósofo Michel Serres identifica dois mundos por meio dos quadros dos pintores John Garrard e William Turner, os quais representam, respectivamente, um mundo movido pela força mecânica e o outro pela força da ação do fogo. Essas ilustrações representam o mundo frio e limpo, como nos quadros de Garrard e de Turner em que aparece o fogo, a forja e, sobretudo, o que acontece na caldeira sob a ação do fogo. É importante destacar os elementos e as sínteses desses dois mundos e suas respectivas analogias com os deuses gregos Atlas, Hercules e Prometeu.

3 Após a discussão do mundo de Garrard e Turner, inicia-se outra que trata da criação e desenvolvimento da máquina a vapor. Observe que o processo se dá com a invenção da panela de pressão por Denis Papin, cujo funcionamento contém a essência do princípio da máquina a vapor. As primeiras máquinas movidas pela ação do fogo (ou calor) foram criadas no início do século XVIII, para retirar água das minas de carvão na Inglaterra. Uma dessas máquinas foi desenvolvida por Newcomen em Esta máquina, que bombeava água, continha pistões, válvulas, cilindros etc, mas foi James Watt o verdadeiro inventor da máquina a vapor, que foi possível graças à introdução de algumas inovações na máquina de Newcomen. A máquina a vapor basicamente é um dispositivo térmico que transforma a potência do vapor (calor) em movimento por meio de um êmbolo que se move dentro de um cilindro. Assim, o fogo aquece a água na caldeira até se transformar num vapor superaquecido e, ao ser liberado, para o interior do cilindro, produz o movimento do pistão (ou êmbolo) vide figuras abaixo.

4 Há uma diferença entre a máquina de Newcomen e a de Watt. Observe que, na máquina de Newcomen, o vapor realiza o movimento do pistão e, ao ser misturado com água, é condensado, esfria o cilindro e depois retorna à caldeira. Já na máquina de Watt, o vapor produz o mesmo movimento do pistão, porém retorna à caldeira de outra forma mantendo o cilindro aquecido. Essa diferença faz com que dota a máquina de Watt, por seus movimentos contínuos, tenha um melhor rendimento, se comparada à máquina de Newcomen. Outro aspecto de destaque no episódio diz respeito Sadi Carnot, considerado o fundador da termodinâmica e sua relação com seu pai, Lazar Carnot. No episódio, Serres compara pai e filho com os mundos relacionados nos quadros de Garrard e Turner e as lendas gregas já mencionadas. O mais importante desse destaque corresponde à contribuição que Sadi Carnot deu à termodinâmica ao escrever o texto Reflexões sobre a potência motriz do fogo, considerado o documento fundador dessa ciência. Carnot, com esse trabalho, formulou o segundo princípio da termodinâmica, o qual determina o funcionamento da máquina a vapor e o seu rendimento (e atualmente os motores a combustível). A principal aplicação científica das ideias de Carnot é o estabelecimento da realização de trabalho através do calor. O princípio formulado por Carnot determina o quanto de calor pode ser transformado em trabalho. Por meio dos estudos de Carnot, as máquinas a vapor evoluíram de forma que passaram a funcionar dentro dos limites ótimos para o seu rendimento e isso alterou profundamente o modo de produção da época. A questão do motum perpetum é também um tema de grande interesse no contexto do desenvolvimento da termodinâmica. A formulação de Carnot sobre o rendimento das máquinas a vapor tornou possível contestar essa questão e mais

5 tarde, com Stevin, uma aparelhagem para mostrar a impossibilidade do movimento perpétuo foi desenvolvida, colocando teoria e prática em acordo. Duração da atividade Três horas-aula. O que o aluno poderá aprender com esta aula Conhecer o principal objetivo das máquinas. Compreender o funcionamento das máquinas simples. Reconhecer o processo histórico da criação da máquina a vapor. Conhecer o esquema básico do funcionamento da máquina a vapor. Adquirir informações básicas sobre a segunda lei da termodinâmica. Conhecimentos prévios que devem ser trabalhados pelo professor com o aluno Calor. Princípio da conservação da energia. Mitologia grega: Atlas, Hércules, Prometeu e Hermes. Estratégias e recursos da aula/descrição das atividades Primeira aula funcionamento das máquinas simples Nesta aula, será exibida a primeira parte do vídeo que possui, aproximadamente, 26 minutos de duração e também será explicado o funcionamento de uma máquina simples como sugerido no experimento abaixo. Porém, antes da exibição do vídeo, faça uma rápida introdução do assunto que será

6 estudado: as máquinas simples, a máquina a vapor e a lei (princípio de Carnot ou segunda lei da termodinâmica) que rege o seu funcionamento. Experimento 1: construa uma alavanca conforme a indicada na figura abaixo e realize as demonstrações com os alunos. É importante que a alavanca seja construída com material resistente (madeira resistente). Caso seja difícil construir a montagem abaixo, é possível adaptar a proposta para uma gangorra, sugerindo aos alunos que exerçam força sobre pontos diferentes da mesma com o intuito de exercer sustentação. Demonstração da alavanca: Coloca-se o suporte no primeiro apoio da alavanca (A). A pessoa mais pesada da sala deve subir na parte de borracha (C) e a pessoa mais leve da sala deve tentar levantá-la apenas com um pé apoiado na outra extremidade da alavanca (B). Repita a experiência em todas as posições de apoio. O que ocorre mudando-se a posição do ponto de apoio? Instigue os estudantes a questionarem a relação entre a força aplicada e a distância entre o ponto de apoio e o ponto onde a pessoa põe seu peso. Após a atividade prática, reproduza a figura 1 e o enunciado abaixo como proposta de síntese dos conceitos desenvolvidos.

7 De acordo com a atividade desenvolvida em aula, preencha os valores B ou C, indicandoonde, na figura 1, ocorre: ( ) Força maior ( ) Deslocamento Maior ( ) Força menor ( ) Deslocamento Menor Cite outros exemplos do uso da alavanca. Fonte: CDC USP EXPERIMENTOTECA. Disponível em: < >. Segunda aula A máquina a vapor Nesta aula, será apresentada outra parte do vídeo e os estudantes deverão analisar o funcionamento da máquina a vapor com dois experimentos. Após a exibição da segunda metade do vídeo, discuta com os estudantes os principais aspectos sobre o funcionamento da máquina à vapor e proponha que os alunos elaborem, em pequenos grupos, as montagens propostas nos link abaixo ermica.pdf?sequence=1&eventsource=2 > Após a elaboração das montagens solicite que os grupos exponham suas observações sobre a relação entre calor e trabalho nos experimentos montados.

8 Terceira aula Nesta aula, inicialmente, acesse o link ( e utilize apenas as ilustrações mostradas nos simuladores, explorando de forma visual os conceitos de calor e trabalho em diversas transformações. Ao exibir as imagens dos simuladores em diferentes situações discuta com os estudantes as ideias básicas da segunda lei da termodinâmica que fundamentam o funcionamento da máquina a vapor e o seu rendimento, temas que devem ser o foco das discussões. Para aprofundar e problematizar a questão, acesse, com os estudantes, o link boratorio_frame.htm Nesse site, os alunos poderão conhecer o rendimento de algumas máquinas como o motor de carros a gasolina e diesel, locomotiva a vapor e usinas termoelétricas. Após as discussões preliminares, os alunos deverão responder às seguintes questões: 1. Considerando o estudo e as discussões realizadas, explique o funcionamento da panela de pressão e por que o tempo de cozimento dela é menor do que numa panela convencional. 2. Uma das questões que motivaram muitos cientistas do século XVIII foi a idealização de um motor que pudesse produzir energia necessária para o seu funcionamento, sem nenhuma fonte externa (vide exemplo ao lado). Este motor ficou conhecido como motor perpétuo, porém a sua criação é

9 fisicamente inviável. Explique, apresentando razões físicas da impossibilidade de sua criação? Sites recomendados: Balança: Sistema de polias: Princípio da alavanca: Questões para discussão O que é uma máquina? Qual a sua utilidade? As máquinas funcionam a partir do quê? Como as máquinas produzem movimento? Quais são as máquinas antigas e modernas? Bibliografia PASSOA, Júlio César. Carnot e a segunda lei da termodinâmica. Disponível em: < pdf >. Acessado em: 08/09/2011. CDC USP EXPERIMENTOTECA. Disponível em: < >. Consultor: Otto H M da Silva