ENERGIA SOLAR APLICADA A FÍSICA DO ENSINO MÉDIO

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1 ENERGIA SOLAR APLICADA A FÍSICA DO ENSINO MÉDIO Ana Aline de Medeiros a anaalinemedeiros@yahoo.com Fernando Japiassú Junior a fernandofisic@gmail.com Maurício José do Nascimento Junior a mauriciojnjr@yahoo.com.br Weslei Costa de Oliveira a wesleioliveira177@yahoo.com.br a Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande Do Norte CEFET/RN Resumo O trabalho propõe a compreensão do uso da energia solar concomitantemente a conteúdos da física como: transformações de energia, termologia, ondulatória, óptica geométrica e eletricidade. O trabalho proposto consta de quatro etapas sendo elas: levantamento bibliográfico, instrumentos e elaboração de roteiros, operacionalização de aulas e obtenção de dados. A primeira etapa do trabalho partiu de um minucioso levantamento bibliográfico onde consultamos obras de autores como Aplicações Térmicas da Energia Solar de 2001 (Arnaldo Moura Bezerra), Energia Solar e Fontes Alternativas (Wolfgan Palz), Física 1, 2, e 3 de 1999 (GREF), Física 1, 2, e 3 de 1998 (Beatriz Alvarenga) e Parâmetros Curriculares Nacionais de Física (MEC). Na segunda etapa elaboraremos roteiros de aulas práticas, nestes roteiros estarão descritos experimentos com os seguintes instrumentos: coletor solar plano, painel fotovoltaico e fogão solar. Na terceira etapa utilizamos os roteiros, produzidos na segunda etapa, para aulas as expositivas. Observamos, após correção dos questionários aplicados ao fim da aula, que a abordagem dos conteúdos citados se torna mais eficiente, ou seja, menor tempo para apreensão por parte dos alunos que fazem uma melhor relação da ciência física com sua vida como cidadão. O surgimento de interesse dos alunos na construção dos equipamentos apresentados revela uma menor distância entre os conteúdos apresentados em sala de aula e sua vida cotidiana. Revelam-se também discussões interessantes sobre a questão energética seus problemas ambientais e uma melhora na conduta de consumo de energia. Consideramos ser esta uma prática interdisciplinar de grande valia obviamente para o aluno como também para o professor que tem na prática dos experimentos, a oportunidade de se confrontar com novas questões que o traz maior motivação na pesquisa de novas metodologias e no estudo mais aprofundado do conteúdo em si mesmo. JUSTIFICATIVA É a partir da sugestão dos parâmetros curriculares nacionais para que os projetos tenham um enfoque para a formação científica que permita um indivíduo a interpretação de fenômenos e processos naturais, e do problema ambiental decorrente do uso irracional de algumas fontes de energia, que propomos trabalhar com equipamentos de aproveitamento da energia solar para compor aulas experimentais de física, visto que nesses equipamentos ocorrem vários fenômenos físicos que podem ser estudados como: Os processos de transmissão de calor, leis da termodinâmica, geradores, circuitos e efeito fotovoltaico, não só por este mas também pelo fato da energia solar ser uma fonte limpa e renovável. Historicamente, a energia tem sido à base do desenvolvimento das civilizações. Com o passar dos tempos às necessidades energéticas crescerão exponencialmente de modo que as fontes convencionais não conseguem sozinhas suprir a demanda sem causar grandes impactos ambientais. Um grande exemplo é o Brasil, que iniciou o século XXI com graves problemas energéticos e um dos

2 grandes fatores foi a dependência das hidrelétricas. Em outros países os investimentos em energia são feitos em diferentes tipos de usinas, justamente para evitar crises quando um modelo tem problemas de abastecimento. No Brasil, ao contrário dos outros países, 87% da eletricidade é de origem hidrelétrica. O resto é produzido pelas centrais termoelétricas (10%) e pelos reatores das centrais nucleares de Angra dos Reis (2%). A energia hidroelétrica é renovável, mas os impactos ambientais e sociais de construção de usinas podem ser substanciais (Goldenberg, 2001, Por exemplo, a hidrelétrica de Itaipu possui uma bacia de acumulação que cobre uma área de km 2 com volume de água da ordem de 29 bilhões de metros cúbicos (BEZERRA, 2001). Toda essa área inundada deslocou a fauna local e destruiu a flora causando um sério desequilíbrio ecológico sem falar na população local que abandona sua história e suas casas causando vários transtornos. Os principais fatores do problema energético hoje é o crescimento do consumo das fontes convencionais (petróleo, gás e carvão mineral) e o desequilíbrio ecológico causado no uso, produção, transporte e armazenamento dessas fontes. Devido ao crescimento da população no mundo e o conseqüente aumento do consumo de energia, as fontes convencionais não irão conseguir suprir a demanda. Perceba nos gráficos abaixo que o consumo mundial aumentou em 56% no período de 1973 a A unidade dos gráficos abaixo é o tep (tonelada equivalente de petróleo) tep Eletricidade 9,6% 1973 Carvão Mineral 13,6% Outros 1,7% Petróleo 47,1% Energias Renováveis 13,2% Gás 14,8% Disponível em: tep Eletricidade 16,1% 2002 Carvão Mineral 7,1% Outros 3,5% Petróleo 43,0% Energias Renováveis 14,1% Gás 16,2% Disponível em:

3 Se considerarmos que a demanda mundial cresce exponencialmente e que o petróleo, o gás e o carvão mineral, que são fontes não renováveis, estima-se que estas fontes estejam exauridas em cem anos. (Bezerra, 1999). Outro problema é a questão ambiental. As fontes mais consumidas no mundo são o petróleo, gás, eletricidade, e carvão mineral. Os combustíveis fósseis e seus derivados são os grandes vilões do meio ambiente, na queima produz grande quantidade de gás carbônico, o transporte e produção de petróleo e derivados tem um grande histórico de acidentes ambientais graves. O sol é uma esfera de Km de raio e massa de 1,989 x Kg, sua distância da terra é, em média, 1,5 x m. A composição química do sol é basicamente hidrogênio e hélio, nas proporções de 92,1% e 7,8%, respectivamente. A energia solar é gerada no núcleo do sol, através de reações de fusão nuclear que pode ser explicada a partir das equações a baixo: 1 1 H + 1 1H ===> 2 1H + e + +? 1 1 H + 2 1H ===> 3 2H + gama 3 2 H + 3 2H ===> 4 2He + 1 1H + 1 1H Esse processo é definido como ciclo próton-próton e foi utilizado para descrever o processo de fusão atômica no interior do sol. O processo resulta na formação de uma partícula alfa, dois prótons mais raios gama, a partir de quatro prótons. A energia liberada nesse processo é de 4,7 Mev (mega eletronvolt) nessa região a temperatura chega até a 15 milhões de graus Celsius. O sol é uma gigantesca usina térmica que despeja na terra uma média de 9,15 x J de energia que pode ser aproveitada de diversas formas. Aqui vamos explorar apenas as formas de energia luminosa e térmica e como aproveitar essas energias. A energia solar viaja a distância sol terra em apenas 8 (oito) minutos trazendo luz e calor ao nosso planeta. É a partir da energia solar que os organismos vegetais realizam a fotossíntese e exalam oxigênio, elemento essencial para a vida na terra, a partir da energia solar existem diferenças de temperatura que fazem com que existam correntes de ar e oceânicas. A energia solar é um dos componentes mais importantes do ambiente terrestre. Além da luz visível o sol também emite fótons com freqüências fora do espectro visível. A radiação ultravioleta é a mais conhecida, pois a exposição excessiva a essa radiação pode causar vários danos aos seres vivos. As radiações ultravioleta alfa e beta é bem conhecida pelo fato de ser umas causadoras do câncer de pele. Es pectro eletromagnético A radiação ultravioleta alfa (UVA) representa a maior parte das emissões ultravioletas do sol. Nos humanos essa radiação penetra profundamente na pele e com isso interferem no funcionamento celular e até contribuir para o desenvolvimento do câncer de pele.

4 A radiação ultravioleta beta (UVB) é mais incidente no verão, esse tipo de radiação não é tão penetrante e atinge superficialmente a pele e são responsáveis principalmente por queimaduras na pele. Os rios UVB são mais nocivos que os raios UVA, pois são os principais responsáveis pelas alterações celulares que podem dar origem ao câncer de pele. A energia solar vem ganhando espaço como forma de energia aproveitável. Existem equipamentos que aproveitam a luz e o calor do sol, de forma limpa e gratuita, para aquecimento de ambientes e fluidos, para produção de eletricidade, para cocção e secagem de alimentos e para destilação de água. Para o aquecimento de fluidos é utilizado o coletor plano que é composta de chapa metálica, caixa de madeira ou fibra de vidro, tubos de cloreto de polivinil (PVC) ou de metal, tampa de vidro e isolamento térmico. Aquecedor solar plano. A radiação solar incide sobre a chapa e os tubos onde circula o fluido a ser aquecido. O rendimento da absorvição da radiação é maior com a chapa pintada de preto, pois essa cor absorve todas as outras cores não havendo, praticamente, perdas por reflexão na chapa. O calor passa da chapa para os tubos por condução e o vidro propicia o efeito estufa e contribui para o aumento da temperatura interna do coletor. Existe lã de vidro entre o sistema chapa -tubo e a caixa metálica, com a finalidade de impedir circulação de ar, por diferença de temperatura, fenômeno conhecido por convecção térmica. Para cocção de alimentos é utilizado o concentrador parabólico que é composto de uma estrutura em forma de um parabolóide com um suporte para recipientes no seu foco. A superfície interna do equipamento é altamente refletora de modo que ele func ione como um espelho côncavo. Concentrador Parabólico.

5 O recipiente contendo o alimento a ser cozido é disposto no foco do parabolóide onde se concentram os raios que penetram perpendicularmente ao plano do equipamento. O recipiente deve ser pintado de preto para se obter um maior rendimento na absorvição da radiação. As fotocélulas são equipamentos que aproveitam a energia do sol e a converte em energia elétrica. A fotocélula é formada por fitas de silício. Elas são semicondutoras de eletricidade porque o silício é um material com características intermediárias entre um condutor e um isolante. O cristal de silício puro é mau condutor elétrico, para alterar este fato acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Mediante a mistura do Silício com o Fósforo obtém-se um material com elétrons, livres chamado de Silício tipo N. Realizando o mesmo processo, mas utilizando o Boro ao invés de Fósforo será obtido um material com cargas positivas livres, chamado de Silício tipo P. Quando estes dois materiais são unidos na junção P-N, gera-se um campo elétrico devido aos elétrons do silício tipo N que ocupam os espaços da estrutura do silício P. Módulo fotovoltaico Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons que a integram chocam-se com os elétrons da estrutura do silício dando-lhes energia. Esses elétrons se movimentam de uma junção à outra caracterizando uma corrente elétrica. O trabalho prevê a utilização de equipamentos de captação de energia solar que articule com a teoria nas questões pertinentes ao ensino da física. O trabalho propõe a compreensão do uso da energia solar concomitantemente a conteúdos da física como: transformações de energia, termologia, ondulatória, óptica geométrica, eletricidade. Este trabalho apresenta ao aluno do ensino médio uma física que possibilita uma melhor compreensão do mundo e uma formação para a cidadania mais adequada. Isso significa promover o conhecimento contextualizado e integrado à vida cotidiana. Uma física que explique os gastos da conta de luz ou o consumo diário de combustível e também as questões referentes ao uso da energia solar em escala social. Os PCNs (parâmetros curriculares nacionais) de física dão ênfase a compreensão de fenômenos tecnológicos. Este trabalho encontra-se fundamentado nos parâmetros curriculares nacionais de física no que cabe ao desenvolvimento de uma cultura científica no ensino médio e aproximar a física ao cotidiano dos alunos demonstrando onde a física está presente em fenômenos naturais e tecnológicos. Na escola o professor tem sido um dos principais autores do processo educativo no decorrer da história, o que torna indispensável refletir sobre como se desenvolvem novas técnicas e práticas do ensino. Objetivos O aluno submetido a esse trabalho deverá, ao termino deste, ser capaz de reconhecer as formas de propagação de calor, as leis da termodinâmica, geradores, circuitos e efeito fotovoltaico,

6 relacionando com o princípio da conservação da energia. Deverá reconhecer o espectro eletromagnético e saber que região do espectro poderá ser mais proveitosa para uma melhora da qualidade de vida. Deverá reconhecer diferentes aplicações práticas da propagação de calor. Reconhecer materiais mais eficientes na condução de calor e que a condução dar-se também em líquidos e gases. Reconhecer os corpos que melhor emitem e absorvem calor, compreendendo as aplicações dessa teoria no cotidiano. Metodologia Os roteiros das aulas constam de objetivos, conteúdos físicos, problematização e procedimentos experimentais. Em cada roteiro consta um material de apoio para o professor e para o aluno, neste último consta um questionário sobre as aulas experimentais. Colocamos aqui o modelo de aulas dos processos de propagação de calor a partir do fogão solar: Aula 1 Objetivos específicos: Identificar os processos de transmissão de calor no fogão solar; Observar e compreender o de transformação de energia no equipamento em estudo; Explicar a radiação como fenômeno de transmissão de calor. Problematização inicial: Como a luz do sol chega até a panela? E porque a panela esquenta? Conteúdo físico: Processos de transmissão de calor. Recursos didáticos: Fogão solar. Primeira parte: Demonstraremos, por meio de uma experiência, o funcionamento do fogão solar onde serão destacados os processos de propagação de calor que ocorrem durante o aquecimento de 500g de água. Inicialmente será demonstrado como a radiação do sol concentra-se diretamente na panela, colocando em prática a teoria da reflexão em espelhos côncavos. Segunda parte: Utilizaremos duas panelas, uma metálica e outra de barro, ambas contendo 500g de água, para demonstrar a diferença de condutividade entre esses materiais. Terceira parte: Será utilizado um béquer transparente e outro preto. O objetivo é demonstrar uma maior eficiência na absorção de energia pela cor preta. Objetivos específicos: Aula 2 Identificar a radiação como forma de propagação de calor. Reconhecer um bom absorvedor e um bom emissor. Reconhecer o efeito estufa. Problematização inicial:

7 Qual a diferença entre radiação luminosa e radiação térmica? Conteúdo físico: Radiação. Recursos didáticos: Lousa, retro-projetor e dados experimentais. Primeira parte: Nesta aula retornaremos aos fenômenos de transmissão de calor observados na aula passada. Dos três processos de transferência de energia térmica o primeiro a ser observado é o fenômeno da radiação. Assim sendo abordaremos inicialmente os tipos de radiação, por meio de uma figura do espectro eletromagnético, e os emissores de radiação dando ênfase a emissividade desses corpos. Segunda parte: Será apresentada a lei de Stefan-Boltzmann, e uma introdução a radiação do corpo negro. Na seqüência será exposta a relação entre as potências; irradiada, refletida e absorvida. Terceira parte: Será apresentada a lei de Kirchhoff, para concluir o assunto de radiação. Será colocado como conseqüência, da radiação do sol, o efeito estufa. Objetivos específicos: Aula 3 Reconhecer a condução como forma de propagação de energia térmica. Diferenciar bons condutores e maus condutores de calor. Reconhecer as correntes de convecção e suas relações com as perdas térmicas. Problematização inicial: Por que a panela de metal aqueceu mais rápido do que a de barro? O que explica o baixo rendimento do fogão? Conteúdo físico: Condução. Convecção. Recursos didáticos: Lousa, retro-projetor. Primeira parte: Inicialmente apresentaremos a lei de Fourier para explicar o fluxo de calor. Na seqüência será exposto, por meio de uma tabela cujo resultado foi obtido durante a aula 2, o tipo de material que melhor conduz o calor para evidenciarmos qual o bom e mal condutor de calor. Segunda parte: Nesta última etapa, será evidenciada a perda de energia no fogão solar. Explicando que estas perdas são devido as correntes de convecção do ar em torno da panela. O procedimento experimental fica a critério do professor. Questionário para primeira aula: 1. Descreva os fenômenos de propagação de calor ocorridos e no fogão solar.

8 2. Dos três fenômenos de propagação de calor ocorridos no fogão solar qual é o menos evidente? Descreva como ele ocorre: 3. Há transformação ou transferência de energia no fogão? 4. Explique como a radiação do sol pode aquecer a panela no fogão. Questionário para a segunda aula: 1. Explique como a radiação do sol é melhor absorvida pela panela preta e não por uma branca. 2. A Lei de Kirchhoff diz que: Para cada temperatura, qualquer corpo apresenta emissividade e absorvidade iguais: a = e. De acordo com o enunciado acima o corpo emite energia na mesma proporção que absorve. Com base nisso explique porque o a panela esquenta já que ela perde energia a mesma proporção que absorve: 3. Relacione a emissividade do sol com a absorvidade da panela. Explique o resultado obtido. 4. Calcule a transmissividade do fogão. 5. Como poderíamos aumentar a eficiência do fogão? Questionário para a terceira aula: 1. Explique por que a panela de metal esquenta mais rápido do que a panela de metal. 2. Explique de que forma se dá o fluxo de calor no fogão solar. 3. Existe condução no fluido contido dentro da panela? 4. De que forma acontece a convecção no fogão solar e quais suas conseqüências? Conclusões A fim de comprovar a viabilidade da proposta do trabalho foram aplicados questionários referentes aos conceitos físicos, mencionados no projeto, em todas as turmas das 2º e 3º series do ensino médio do CEFET-RN. Entre todas as turmas apenas a 2.05m e 3.05m participaram da metodologia apresentada no trabalho. Cruzamos os resultados obtidos nas duas turmas com os demais resultados e observamos que nas turmas 2.05m e 3.05m a abordagem dos conteúdos citados se torna mais eficiente, ou seja, menor tempo para apreensão por parte dos alunos que fazem uma melhor relação da ciência física com sua vida como cidadão. O surgimento de interesse dos alunos na construção dos equipamentos apresentados revela uma menor distância entre os conteúdos apresentados em sala de aula e sua vida cotidiana. Revelam-se também discussões interessantes sobre a questão energética seus problemas ambientais e uma melhora na conduta de consumo de energia. Consideramos ser esta uma prática interdisciplinar de grande valia obviamente para o aluno como também para o professor que tem na prática dos experimentos, a oportunidade de se confrontar com novas questões que o traz maior motivação na pesquisa de novas metodologias e no estudo mais aprofundado do conteúdo em si mesmo. Referências BEZERRA, Arnaldo. Aplicações térmicas da energia solar. 4º ed. João Pessoa: Editora universitária BRASIL. Parâmetros curriculares nacionais: ensino médio:ciências da natureza, matemática e suas aplicações. (Fisica). Ministério da Educação, Brasília, 1999, P. 228 à 237. CALÇADA, C. Sérgio. SAMPAIO, J. Luiz. Física Clássica. São Paulo: Atual Editora. 3ª edição

9 HENRIQUE MOURA, Dante. Sociedade, educação, tecnologia e os usos das TIC nos processos educativos. Disponível em: artigo.html. Acesso em 03/07/2004. MÁXIMO, A. R. da Luz. ALVARENGA, B. Álvares.Física Coleção de olho no mundo do trabalho. São Paulo: Scipione PALZ, Wolfgang. Energia solar e fontes alternativas. Paris: Hemus, Referências eletrônicas: - acesso em 01/06/ acesso em 09/06/ acesso em 01/06/ acesso em 22/06/ acesso em 25/06/2005