Guia do Professor Vídeo Os Curiosos - Termodinâmica - Versão 1.0 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado outubro de 2010 Projeto Financiado pelo

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1 Guia do Professor Vídeo Os Curiosos - Termodinâmica 1

2 Ficha de Catalogação Tema: Termodinâmica. Tempo de duração do vídeo: aprox. 10 minutos. Tempo sugerido/previsto para utilização do vídeo: 1 aula de 50 minutos. Pré-requisitos: Conhecimentos relativos à energia mecânica; Conhecimento dos conceitos de calor e temperatura; Conhecimentos relativos à energia térmica. Objetivos da atividade: Compreender a relação entre energia mecânica e calor; Explicar os princípios básicos de funcionamento de um refrigerador. Compreender os princípios fundamentais da Termodinâmica. Introdução Caro professor, este vídeo foi desenvolvido visando a discutir e problematizar, com os alunos do ensino médio, o tema Termodinâmica. Atualmente é bem frequente a utilização de veículos movidos à combustão, o qual possibilita a realização do trabalho humano de forma mais rápida e eficaz. O uso do calor para benefício do homem começou a ser mais discutido e trabalhado a partir da primeira Revolução Industrial. Tal contexto incitou uma discussão acerca do funcionamento das máquinas térmicas e estudar os princípios fundamentais da termodinâmica. 2

3 Apesar das transformações de calor em trabalho estarem presentes no cotidiano, muitos alunos têm dificuldade em entender, por exemplo, como funcionam as máquinas térmicas. Por isso, acreditamos que o vídeo seja um excelente meio de comunicação integrador e motivador para os alunos, pois ele aproxima a sala de aula do cotidiano, das linguagens de aprendizagem e comunicação da sociedade, assim como também introduz novas questões no processo educacional. Mas afinal, o que estuda a Termodinâmica? Quais suas aplicações na sociedade atual? Após assistir ao vídeo, o aluno será capaz de entender alguns conceitos e aplicações interessantes da Termodinâmica, através de situações vivenciadas pelas equipes azul e vermelha. A equipe azul realizará um experimento de transformação adiabática com uma variação de pressão num intervalo de tempo muito curto, e fará um paralelo do experimento com o funcionamento da geladeira. Já a equipe preta mostrará outro experimento de transformação adiabática que ao invés de resfriar irá aquecer o gás contido em um cilindro, em função de um aumento brusco de pressão. 3

4 Dicas para utilização do vídeo Os vídeos do projeto Acessa Física foram desenvolvidos com o intuito de problematizar situações físicas presentes no cotidiano dos alunos. Em cada episódio alguns jovens curiosos resolvem problemas e vivenciam situações inusitadas e curiosas, as quais são instigadas inicialmente por um professor de Física. Todas as mídias têm por objetivos serem um meio de comunicação integrador e motivador para os alunos. No entanto, a maneira como você, professor, irá utilizá-lo pode variar. O vídeo pode ser motivador, quando usado antes da discussão e explicação do tema. As tramas podem ser utilizadas para introduzir um novo assunto, já que objetivam despertar a curiosidade e motivação para o tema a ser discutido. O vídeo pode ser também demonstrativo ou investigativo, quando usado após a discussão e explicação do tema. O professor pode, ainda, optar por abordar e explicar a temática em questão antes de sua utilização, desse modo, a mídia pode ajudá-lo a levantar novas questões referentes às explicações e discussões já vivenciadas em sala. Há também a possibilidade de o vídeo ser utilizado como suporte de ensino, quando usado durante a explicação do professor. As tramas podem ser 4

5 utilizadas para responder questões, assim como para levantar outras. Todos os vídeos têm duração de 10 minutos, mas é importante que o professor prepare-se e planeje suas aulas, levando em consideração a forma de aplicação da melhor maneira para o cumprimento dos seus objetivos específicos de ensino e o tempo previsto para execução da atividade e discussão da temática. É importante destacar, também, que cada turma reage de forma diferente à exibição dos vídeos. O guia do professor traz algumas sugestões de como utilizar o material, dando subsídios para questões prévias e desafios interessantes para que essa atividade atenda ao propósito do professor. Leia atentamente o guia a seguir, assista ao vídeo proposto e boa atividade! Sinopse Esta atividade abordará o tema Termodinâmica, a ciência que se desenvolveu inicialmente para entender as transformações de calor em trabalho e sua utilização nas máquinas térmicas. A discussão inicial é em torno do funcionamento das máquinas térmicas, todo o contexto histórico que favoreceu o desenvolvimento dessas e também a sua evolução. As duas equipes, Azul e Preta, demonstrarão na prática como acontecem transformações adiabáticas com duas finalidades diferentes. A equipe azul vai demonstrar um fenômeno que é fundamental para o funcionamento da geladeira através de um experimento simples, utilizando os seguintes materiais: uma garrafa PET, uma bomba de encher pneu, uma válvula de pneu de bicicleta e um termômetro digital. Já a equipe preta vai realizar um experimento de transformação adiabática que consiste em aumentar a pressão num intervalo de tempo muito curto, dentro de um tubo, o qual faz um algodão pegar fogo. Em um segundo momento, o físico vai explicar melhor como funciona um refrigerador. E para finalizar, o físico explica como se forma aquela nuvenzinha que sobe quando abrimos uma garrafa de refrigerante. 5

6 Preparação Antes da exibição do vídeo, sugerimos a você, professor, que: Assista ao vídeo antes para conhecê-lo. É importante assistir atentamente ao material. Atente-se para as questões e situações levantadas. Cheque a qualidade da cópia e deixe a mídia preparada no ponto exato para a exibição. Informe aos alunos somente aspectos gerais do vídeo (autor, duração, tema). Não interprete, nem antecipe as questões que serão tratadas no vídeo para que ele não se torne mera demonstração de assunto já discutido. Deixe que cada um possa fazer a sua leitura. Sem antecipar as situações do vídeo, pode instigar os alunos a pensarem sobre o tema da atividade com questionamentos. 1. O que estuda a Termodinâmica? Quais suas aplicações na sociedade atual? Resposta: A Termodinâmica estuda a relação entre duas modalidades de energia: a mecânica e a térmica, juntamente com suas transformações. Tais transformações evidenciam que o calor, assim como o trabalho, é energia em trânsito. Na sociedade atual a termodinâmica é aplicada em motores de automóveis, bombas e compressores, usinas térmicas ( nucleares, combustíveis fósseis, biomassa ou qualquer outra fonte térmica), sistemas de propulsão para aviões e foguetes, etc. 2. É possível refrigerar uma sala com portas e janelas fechadas, somente abrindo a porta de uma geladeira? Resposta: Não, pois mesmo que a porta da geladeira esteja aberta, o radiador também se encontra na sala. Sendo assim, enquanto o ambiente é resfriado, devido à porta da geladeira estar aberta, o radiador tem considerável aquecimento para que isso ocorra. Consequentemente, a proporção de aquecimento é maior do que a de resfriamento. As questões podem auxiliar a discussão sobre termodinâmica, entretanto, sua contextualização com o cotidiano é indispensável. Não se preocupe, nesse momento da atividade, em encontrar respostas corretas e únicas, mas em despertar as dúvidas e questionamentos sobre os conceitos que serão abordados e desenvolvidos no vídeo. 6

7 O professor pode optar também por somente informar aos alunos o assunto abordado e pedir que eles apresentem ideias e hipóteses sobre aquilo a que irão assistir. Essas informações podem ser anotadas coletivamente ou individualmente pelos alunos em um exercício de reflexão sobre o que eu sei. Nessa atividade, os alunos poderão escrever o que sabem sobre o tema a ser abordado. Durante a atividade Atente-se para as cenas mais importantes e anote-as para uma posterior discussão. É importante também observar as reações do grupo: como eles reagem à exibição do vídeo. Se necessário, pause a exibição do vídeo para esclarecer e discutir a(s) passagem(s) que julgar interessante(s). Pode-se também propor uma tarefa aos alunos relacionada ao conteúdo do segmento do vídeo a que estão prestes a assistir (uma questão, uma pesquisa ou mesmo uma observação). Os alunos, por exemplo, deverão anotar as informações que foram solicitadas. Dessa forma, dois objetivos serão atingidos por meio desta atividade: primeiro, que as crianças prestem atenção durante o segmento, e, segundo, que estejam alerta às respostas que foram solicitadas. A seguir, a discussão das questões abordadas no vídeo: 1. O que é uma transformação adiabática? Resposta: É uma transformação em que não há troca de calor entre o gás (sistema) e o meio externo. É como se o gás estivesse realizando suas expansões e/ou compressões num recinto termicamente isolado do meio externo. Para conseguirmos uma transformação adiabática isolamos termicamente o gás ou efetuamos a transformação rapidamente, pois a troca de calor é um processo lento. Aplicando a primeira Lei da Termodinâmica: U Q U Onde U é a variação de energia interna, Q é a quantidade de calor e trabalho realizado no processo. é o 7

8 2. Como é o funcionamento de um refrigerador? Resposta: Toda a caixa do refrigerador é envolta por uma tubulação, percorrida, normalmente, por um gás (fluido que se vaporiza a baixa pressão e com alto calor latente de vaporização). A peça mais importante do refrigerador é o compressor. Este comprime rapidamente o gás, aumentando sua pressão. Ele passa de gás para líquido e ganha energia interna. Depois, circula por uma serpentina externa, onde vai perder calor para o ambiente. Quando termina o caminho externo, passa por um pequeno orifício que o obriga a se expandir rapidamente, levando a uma queda brusca de pressão, o que configura uma transformação adiabática. Nesse processo, a energia interna do gás diminui e ele se resfria. Esse gás frio passa por uma serpentina na superfície interna do refrigerador, onde vai absorver o calor dos produtos que estão no seu interior. Depois ele continua seu caminho, indo em direção ao compressor e reiniciando o percurso cíclico. Vale ressaltar que, enquanto na turbina e no motor o calor flui espontaneamente da fonte quente para a fria, no refrigerador o fluxo de calor não é espontâneo. A troca de calor se dá do mais frio (interior do refrigerador) para o mais quente (meio ambiente). Para que isso ocorra, é necessário trabalho externo sobre o gás para que este dissipe calor no condensador e se evapore no congelador. Em cada ciclo, a quantidade de calor cedida para o meio ambiente, por meio do condensador, é igual à quantidade de calor retirada do interior do refrigerador mais o trabalho realizado pelo compressor. Vale observar que o gás fréon, descoberto em 1931, foi amplamente utilizado por mais de 50 anos nos refrigeradores. Por volta de 1980 foi descoberto que esse tipo de gás causa danos à camada de ozônio e, por esse motivo, vem sendo substituído por outras substâncias. 8

9 Depois da atividade Depois da exibição do vídeo, o professor pode rever os diálogos mais importantes ou que considerar de difícil compreensão. Se necessário poderá exibi-los uma segunda vez, chamando a atenção para determinados diálogos e situações. É importante que o grupo (professor e alunos) desenvolva uma discussão sobre o vídeo, destacando questões, dúvidas e comentários sobre a mídia. A seguir, sugestões de algumas questões que podem ser feitas após a exibição do vídeo. Questões O que acontece com a temperatura de um projétil de chumbo quando este perde toda sua energia cinética ao colidir com uma parede de aço? Sugestão de Resposta A temperatura deverá aumentar, pois parte da energia cinética se transforma em energia térmica (calor) na colisão com a parede de aço. 9

10 Do ponto de vista termodinâmico, por que os carros com motor 1.0 são menos potentes que os carros com motor 1.6? A potência desses motores é determinada pela quantidade de combustível aspirada pelo carburador ou injeção eletrônica de combustível, comprimida e detonada pela faísca da vela, responsável pela explosão da mistura (ar + combustível). É essa explosão no interior do cilindro a responsável pelo movimento do carro. Os carros com motor 1.0 têm o volume dos cilindros de 1 litro e são menos potentes, porque o volume da mistura a ser detonada no cilindro do motor é menor do que num carro de moto 1.6, que tem volume de 1,6 litros. A quantidade máxima de mistura admitida em cada cilindro do motor, multiplicada pelo número de cilindros que compõem o motor na explosão, é denominada cilindrada, expressa em cm 3. Pode-se também resgatar a dinâmica em que os alunos refletem e escrevem inicialmente em uma folha, após a aula, sobre o que aprenderam, eles escreverão sobre algo novo que tenham aprendido com o vídeo. Podem ainda trocar a folha com os colegas para incentivar discussões. Durante as discussões, ou mesmo durante a apresentação do vídeo, outras passagens (típicas do cotidiano de jovens em idade escolar) podem ser exploradas. Avaliação O vídeo tem uma linguagem própria e para compreendê-la devemos ir além das imagens e do som. Sugerimos como possibilidade de avaliação, um momento em que os alunos opinem e comentem a atividade. O professor pode solicitar aos alunos que relatem o conteúdo em sala de aula discutindo: 1. O que chamou mais a atenção (imagem/som/palavra)? 2. Quais os assuntos citados no vídeo? Faça um comentário sobre um desses assuntos. 3. Dê exemplos de outras aplicações no cotidiano, do tema tratado no vídeo. 10

11 Atividades complementares Vídeo do projeto Acessa Física Temperatura. Vídeo do projeto Acessa Física Leis Conservação de Energia. Áudio do projeto Acessa Física Aquecimento Solar. Software do projeto Acessa Física Joule. Para saber mais GASPAR, A. Física. Volume Único, 1 Ed. São Paulo: Ed. Ática, PENTEADO, Paulo César M., TORRES, Carlos Magno A. Física ciência e tecnologia. vol. 2, São Paulo: Moderna, MÁXIMO, A., ALVARENGA, B. Física. Volume Único. São Paulo: Editora Scipione, Palavras-chave: termodinâmica, calor, trabalho, energia interna, transformação adiabática. Links que abordam o assunto: Fundamentos da Termodinâmica e aplicações. Primeira Lei da Termodinâmica e Transformações gasosas. Fundamentos da Termodinâmica, aplicações e exercícios. História da Termodinâmica. Funcionamento dos refrigeradores, fluidos refrigerantes e questões ambientais. 11

12 Link com substâncias substitutas ao gás freon. Créditos Projeto Acessa Física Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e Tecnologia de Formação a Distância Parceiros CDCC - Centro de Divulgação Científica e Cultural USP IEA - Instituto de Estudos Avançados - São Carlos USP Concepção de Linguagem Cao Hamburger Concepção e Revisão de Roteiros Prof. Carlos Alfredo Argüello Prof. Dietrich Schiel Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas Prof. Carolina Rodrigues de Souza Prof. Paulo Roberto Mascarenhas Prof. Márcio Leandro Rotondo Prof. Naylor Ferreira de Oliveira Prof. Ana Aleixo Diniz Prof. Felipe Castilho de Souza Prof. Herbert Alexandre João Carolina Codá Coordenador Pedagógico Hamilton Silva Apresentação Professores Márcio Miranda e Luis Nunes Patrícia Bruna P. dos Santos Marina Yasmim Karina Reis Marcelo Thomas Canton Miranda Jana Natália Belasalma Edu David Narciso Jonathan Renato Capella 12

13 Livia Zoe Yasmine Miranda Sá Dall igna Luize Ana Carolina Garbuio Pietro - Bruno Garbuio Iara Letícia Ferreira Maurício Lauro De Paiva Pirolla Fernanda Nicole Santaella Carol Andressa Barbosa C. Gomes Bruno Lucas Matsukura Caio Wesley Soalheiro de Souza Pedro Victor Casé de Souza Oliveira Beto Renato Augusto G. Rodrigues Renata Luiza Campos Martins Felipe Adans Paulo Paulo Rafael Augusto Montassier Direção Glauco M. de Toledo José Pinotti Julio Peronti Carlos Henrique Branco Wagner Netto Produção Danny Santos Wagner Netto José Pinotti Paulo Mascarenhas Taciana Previero Roteiros Claudio Ferraraz Jr. Francisco R. Belda Glauco M. de Toledo Luiz Salles Renato Capella Roger Mestriner Direção de Fotografia Adriano S. Barbuto Fabio Tashiro Edição e Finalização Danny Santos Elói Beltrami Doltrário Fernando Rodrigues Ivan M. Franco Rodrigo Pio Animação 3D André Fonseca Silva 13

14 Som Direto Wagner Netto Adans Paulo Sound Designer Alexey Rodrigo Adans Paulo Projeto financiado pelo MEC - Ministério da Educação e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia 14