Transferências de energia como calor: condutividade térmica

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1 Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Actividades laboratoriais para os 10º e 11º anos do Ensino Secundário Transferências de energia como calor: condutividade térmica Trabalho realizado por: Cristiana Mendes Paula Costa Quitéria Santos Formadores: Paulo Simeão Carvalho Manuel Joaquim Marques Julho de 2010

2 Actividades laboratoriais para os 10º e 11º anos do Ensino Secundário 1- Contextualização 1.1 Objectivo Partindo da notícia de uma revista, chegar à definição da condutividade térmica por via experimental. 1.2 Enquadramento no programa Esta actividade insere-se no 10º ano, na Unidade 1 Do Sol ao aquecimento: Energia do Sol para a Terra. Os objectivos de aprendizagem referenciados no programa são: Distinguir os mecanismos de condução e convecção; Relacionar quantitativamente a condutividade térmica de um material com a taxa temporal de transmissão de energia como calor; Distinguir materiais bons e maus condutores do calor com base em valores tabelados de condutividade térmica. 1.3 Concepções alternativas Um corpo frio não tem energia; Os agasalhos fornecem-nos calor; O frio pode propagar-se; Calor e temperatura são a mesma coisa; O calor e o frio flúem como líquidos; A pele é um bom termómetro; O infravermelho é a única radiação que provoca o aquecimento dos corpos. 1.4 Pré-requisitos Emissão e absorção de radiação; Lei de Stefan Boltzmann; Sistema termodinâmico; Equilíbrio térmico; Lei Zero da Termodinâmica; Mecanismos de transferência de calor: condução e convecção. 2

3 Actividades laboratoriais para os 10º e 11º anos do Ensino Secundário Conteúdos abordados Estratégia de sala de aula Competências Recursos Apresentar a notícia Janelas de poupança - à altura do seu conforto. Questionar os alunos: Numa janela, quais são os mecanismos envolvidos nas transferências de energia? Comunicar utilizando linguagem científica Computador Projector Noticia: Janelas de poupança - à altura do seu conforto. Radiação Convecção Condução Os alunos devem concluir que os principais mecanismos são: -Radiação, que incide no material, nomeadamente a radiação solar, e a radiação que os próprios materiais que constituem a janela emitem. -Calor: condução, no caso do vidro e da caixilharia, e convecção, no ar que envolve a janela. Salientar que apesar de os três processos ocorrerem em simultâneo, podemos estudar cada um dos fenómenos individualmente. No caso do vidro e da caixilharia, o fenómeno mais relevante será a condução. Relacionar conceitos Da interpretação dos gráficos, verificar que diferentes materiais apresentam diferentes valores de energia consumida. Questionar os alunos: Como poderemos verificar se o material influencia a taxa de transferência de energia? Interpretar gráficos de barras Realizar uma experiência para analisar o fenómeno de condução em diferentes materiais Actividade prática I. Actividade prática I 3

4 Actividades laboratoriais para os 10º e 11º anos do Ensino Secundário Discutir com os alunos no decorrer da experiência, as seguintes questões: Mudança de estado físico Calor Condução Como se explica a fusão da cera na extremidade da barra de metal? Sintetizar as respostas dos alunos e concluir que, devido à diferença de temperatura entre as diferentes regiões da placa metálica, e energia é transferida como calor desde a extremidade que se encontra a maior temperatura para a extremidade a menor temperatura. Relacionar conceitos Como se explica esta transferência de energia a nível microscópico? Energia Cinética Temperatura Apresentar uma simulação computacional para relacionar a temperatura média de um corpo com a energia cinética média de translação das suas partículas. Concluir que a temperatura média do corpo é proporcional à energia cinética média de translação das suas partículas Explicar que, se as extremidades da placa de metal estão a temperaturas diferentes, então os átomos têm maior energia cinética média onde a temperatura é maior. Quando ocorrem colisões, as partículas com maior energia cinética transferem energia para as partículas com menor energia. Assim, a energia é transferida de zonas a temperaturas mais elevadas para zonas a temperaturas menores, através do movimento desordenado das moléculas, átomos e electrões. Interpretar uma simulação Simulação Temperatura e Energia cinética No final da experiência, os alunos devem ser capazes de referir que o tempo necessário para que ocorra a transferência de energia através de toda a barra de metal será muito maior no caso do cobre. Desenvolver capacidades de observação e análise 4

5 Actividades laboratoriais para os 10º e 11º anos do Ensino Secundário Condutores e isoladores de calor Solicitar aos alunos exemplos de outros materiais utilizados no dia-a-dia que são bons e maus condutores de energia como calor. Será que apenas o tipo de material de que é feita a caixilharia influencia a taxa de energia transferida? Quais os factores que poderão influenciar a transferência de energia através das janelas? Da experiência anterior, os alunos devem concluir que: - quanto maior for a espessura da parede do metal, x, menor a quantidade energia transferida em cada unidade de tempo, Compreender e relacionar conceitos Realizar uma experiência com barras metálicas de um mesmo material, mas de diferente área de secção recta Actividade prática II. Actividade prática II Os alunos devem concluir que quanto maior a área da secção recta do tubo, A, maior será a quantidade energia transferida em cada unidade de tempo, 5

6 Actividades laboratoriais para os 10º e 11º anos do Ensino Secundário Questionar os alunos: Por que razão na Guarda se transfere mais energia, por unidade de tempo, do que no Porto? Os alunos devem concluir que a quantidade de energia transferida em cada unidade de tempo é tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura, Computador Projector Noticia: Janelas de poupança - à altura do seu conforto. Condutividade térmica Concluir que quando termos corpos de materiais diferentes, com a mesma área de secção recta, a mesma espessura e sujeitos à mesma diferença de temperatura entre as suas extremidades, não temos a mesma quantidade de energia a ser transferida por unidade de tempo e isso deve-se ao facto de existir uma característica intrínseca a cada material, a condutividade térmica, k. Interpretar o significado de grandezas físicas Interpretar o significado de uma expressão matemática Fazer a análise dimensional da expressão de forma a determinar as unidades e a definição da condutividade térmica: Unidade do Sistema Internacional W m -1 K -1 Definição quantidade de energia como calor que atravessa, em cada 1 segundo, a espessura de 1 m entre duas superfícies paralelas de área igual a 1 m 2, quando a diferença de temperatura entre elas é de 1 K. 6

7 Anexo I Janelas de poupança à altura do seu conforto Torne a sua casa mais eficiente ao nível energético com as melhores dicas da Proteste. Mudar as janelas compensa em conforto e respeita o ambiente. Salve mais de 50 euros do desperdício Se os habitantes das regiões frias trocarem vidro simples e caixilho de alumínio sem corte térmico por PVC com vidro duplo, ao fim de 11 anos, ficam com o investimento pago. Poupam em electricidade 51 por ano. Em zonas amenas, a decisão depende sobretudo do conforto. Ao substituir, economiza até 24 euros. 7

8 Anexo 2 Actividade Prática I Objectivo: Analisar o fenómeno de condução em diferentes materiais. Analisar a influência da espessura das barras no fluxo de energia. Material: Tina de metal com quatro tubos de diferentes materiais; Água a uma temperatura próxima dos 100 ºC; Cera. Realização da actividade: Colocar gotas de cera nas diferentes barras metálicas como demonstra na imagem 1; Imagem 1 Posteriormente adicionar água a uma temperatura próxima dos 100 ºC, até submergir uma das extremidades das barras; Observar o que acontece à cera em cada uma das barras. 8

9 Análise dos resultados: Verificou-se que a cera fundiu mais rapidamente na barra de cobre, o que nos permite concluir que este é o melhor condutor térmico. No que diz respeito à influência da espessura da barra no fluxo de energia, concluiu-se que quanto maior a espessura, maior é a quantidade de energia necessária para a fusão da cera. 9

10 Anexo 3 Actividade Prática II Objectivo: Analisar a influência da área da secção recta no fluxo de energia. Material: Dois calorímetros; Dois sensores de temperatura; Interface; Computador; Duas barras metálicas de dimensões iguais; Água a aproximadamente 80 ºC; Água à temperatura ambiente; Suporte universal; Garras; Nozes. Realização da actividade: Fazer as montagens experimentais, como ilustram as imagens seguintes, para verificar a influência da área da barra no fluxo de energia por condução. Imagem 2 Imagem 3 10

11 Resultados obtidos: Variação de temperatura na barra de área 2A 80 Temperaruta (ºC) Termómetro 1 Termómetro Tempo (s) Variação da temperatura na barra de área A Temperatura (ºC) Termómetro 1 Termómetro Tempo (s) Análise dos resultados: Da análise dos gráficos verifica-se que no caso da barra de secção recta A, o intervalo de tempo necessário para atingir o equilibro térmico, entre os dois calorímetros, foi muito superior ao intervalo de tempo necessário na barra de secção recta 2A. Uma vez que os calorímetros não se encontravam isolados, verificou-se uma grande transferência de energia por convecção para o exterior. No sentido de verificar a influência da convecção nos resultados experimentais, procedeu-se à análise da variação da temperatura da água, ao longo do tempo em ambos os calorímetros, na ausência da barra, como descrito na imagem seguinte. 11

12 Imagem 4 Os valores obtidos permitem concluir que a transferência de energia por convecção é muito significativa, especialmente no calorímetro que se encontra a uma temperatura superior. No entanto, verifica-se também uma considerável influência do fenómeno de condução ao longo da barra metálica que se reflecte numa variação maior da temperatura da água dos calorímetros. 12

13 Anexo 4 Um desafio final Quando a água submerge apenas a ponta das barras, a água em que está mergulhada a barra de cobre entra em ebulição num menor intervalo de tempo. Quando temos quase a totalidade das barras submergidas, neste caso o volume de água que entra em ebulição num menor intervalo de tempo é aquele que contém a barra de alumínio. Porquê? 13

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