Como converter energia elétrica em energia térmica;

A resolução de problemas que envolvem potência elétrica e quantidade de calor.

Resistência, corrente e tensão em circuitos elétricos.

Efeito Joule e potência elétrica.

Calor e termometria.

Capacidade térmica.

Calor específico.

Estratégias de ensino:

- Aula expositiva ou interativa conceitual;

- Aula interativa ou demonstrativa experimental.

Materiais:

- Calorímetro de capacidade térmica conhecida;

- Termômetro;

- Aquecedor elétrico (rabo quente) de potência nominal conhecida;

- Instrumento para medida de volume de líquidos;

- Cronômetro;

- 1 multímetro;

- Resistor de chuveiro comercial;

- Conta mensal domiciliar de energia elétrica.

Introdução à aula:

Esta aula está dividida em três atividades. Na primeira atividade propomos uma fundamentação teórica a ser seguida para o desenvolvimento da relação existente entre a potência dissipada em um componente elétrico (resistor) e o aquecimento do ambiente onde este dispositivo está presente. Na segunda atividade, com o uso do recurso educacional, propomos aplicar na prática a 1ª lei de Ohm, rever a associação de resistores e compreender o funcionamento de um chuveiro elétrico. Na terceira e última atividade, propomos uma experiência que terá como objetivo determinar a energia elétrica gasta pelo resistor, a quantidade de calor absorvida pela água e pelo calorímetro e a quantidade de calor perdida para o meio.

Atividade 1 - Fundamentação teórica

Para retomar com os alunos os conceitos de potência e Efeito Joule, você poderá utilizar a aula "Efeito Joule: Aquecedores elétricos", disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/verAula.html?aula=25087 acesso em 20/10/2010, que apresenta um simulador didático para compreensão da relação entre corrente elétrica e aquecimento. 

A partir do equacionamento da potência elétrica dissipada em um resistor elétrico dado por:

P = i . U (onde P é potência, i é intensidade de corrente elétrica e U diferença de potencial),

explique para os alunos que tal potência dissipada resultará no aquecimento do resistor e, consequentemente, no aquecimento do meio.

Figura 1: Aquecimento de um resistor

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=13457 acesso em 10/10/2010. 

O calor absorvido pelo meio irá provocar o aumento de sua temperatura. Ressalte com seus alunos que este aumento da temperatura do meio é diretamente proporcional à quantidade de calor absorvida por ele, inversamente proporcional à sua massa e inversamente proporcional ao calor específico. Retome, em seguida, a expressão do calor:

Q = m . c . (T - T₀) (onde Q é quantidade de calor, m é a massa, c é o calor específico, T é a temperatura final e T₀ é a temperatura inicial);

Por fim, é importante relembrar com os alunos que a energia dissipada pelo resistor será absorvida pelo líquido. Esta energia é dada por:

E = Pot . (t - t₀) (onde E é a energia elétrica, Pot é a potência, t o tempo final e t₀ o tempo inicial);

sendo que E é energia elétrica (calor fornecido) e (t - t₀) é o intervalo de tempo. Disso temos que:

Pot . (t - t₀) = m . c . (T - T₀),

Vale ressaltar que na prática, parte da energia fornecida pelo resistor é absorvida pelo instrumento de medida e, ainda, outra parte é perdida para o meio. Resulta-se assim em:

Pot . (t - t₀) = m . c . (T - T₀) + C . (T - T₀) + E_dissipada,

Exercícios:

1) Calcule a potência de um resistor que aquece 50 g de água de 25°C para 65°C em 100 s. Sabe-se que o calorímetro possui capacidade térmica de 40 cal/°C e que a energia dissipada para o meio é de 1,6 kcal. (Resposta sugerida: Pot = 52 cal/s = 218,4 W)

2) Calcule a corrente que passa pelo resistor e sua respectiva resistência elétrica, considerando que o dispositivo está ligado à uma tensão de 110V. (Resposta sugerida: i=~1,98 A e R =~ 55,4 ohms)

Atividade 2 - Funcionamento de um chuveiro

Disponibilize aos seus alunos o recurso educacional 1 apresentado a seguir. As informações coletadas com a realização da atividade 2 serão utilizadas para a elaboração de um relatório que deve conter a verificação experimental da lei de Ohm, como a tensão e a corrente são distribuídas nos circuitos envolvendo associações de resistores em série e em paralelo e aplicar estes conceitos na compreensão do funcionamento de um chuveiro elétrico.

Experimento 2 - Circuitos Elétricos - Chuveiro 

Recurso 1: Funcionamento de um chuveiro

Disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=19335 acesso em 10/10/2010

O recurso é dividido em três etapas. Na primeira etapa, propõe-se aos alunos a montagem de um circuito com uma fonte de tensão composta por pilhas associadas em série, uma resistência elétrica (um resistor, lâmpada, etc), um amperímetro e um voltímetro conectados adequadamente ao circuito. Peça para os alunos associarem, conforme detalha o recurso, duas (e depois três) pilhas em série fazendo sempre a medida da corrente com o uso do amperímetro em cada circunstância. Este procedimento deve ser repetido para todos os componentes elétricos disponíveis e, em seguida, dever-se-á fazer um gráfico com os dados.

Figura 2: Representação dos circuitos da atividade 1

Disponível em http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/11095/open/file/etapas1.html acesso em 10/10/2010. 

Na segunda etapa, o roteiro propõe a associação de resistores em série e paralelo. Utilize, preferencialmente, uma única pilha na montagem experimental. Oriente os seus alunos a fazerem a leitura da corrente que transita pelo circuito e da d.d.p. em cada resistor nas duas associações.

Figura 3: Representação das associações de resistores da atividade 1

Disponível em http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/11095/open/file/etapas2.html acesso em 10/10/2010. 

Na terceira etapa será possível determinar o gasto energético de um chuveiro medindo a resistência elétrica de seu resistor. Provoque seus alunos a explicarem porque ocorre a variação da resistência do chuveiro quando se faz a medida, com uso do ohmímetro, em segmentos de diferentes tamanhos.

Figura 4: Chuveiro e resistência de um chuveiro

Disponível em http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/11095/open/file/etapas3.html acesso em 10/10/2010.  

Exercício:

1) Com a resistência obtida no exercício 2 da atividade 1, determinar a potência do chuveiro e o gasto energético assumindo que três pessoas usam o chuveiro diariamente em banhos de 5 min para cada pessoa. Considerar um mês possuindo 30 dias. (Resposta sugerida: Pot = 291,1W e E =~ 7,85 . 10⁶ J ou 2,18 kWh)

Atividade 3 - Laboratório experimental

Nesta terceira atividade será possível colocar em prática a equação obtida na atividade 1. Oriente os seus alunos a colocarem uma quantidade determinada de água dentro do calorímetro (conforme sua capacidade volumétrica) utilizado, de capacidade térmica conhecida. Eles deverão fechar o calorímetro com o termômetro, água e o aquecedor térmico (de potência nominal conhecida) e anotar a temperatura inicial - após o sistema atingir o equilíbrio térmico. Neste instante, peça para que os alunos liguem o aquecedor e iniciem a contagem do tempo com o cronômetro. Oriente-os para encerrar a contagem de tempo após uma variação de 50°C na temperatura.

Figura 5: Calorímetro e termômetro

Disponível em http://www1.univap.br/~spilling/FQE1/FQE1.htm acesso em 20/10/2010. 

Após a coleta dos dados, proponha aos alunos, as seguintes atividades:

1) Determinar a energia elétrica consumida pelo aquecedor.

2) Determinar a quantidade de energia absorvida pela água.

3) Determinar a quantidade de energia absorvida pelo calorímetro.

4) Determinar a energia perdida para o meio.

Uma maneira dinâmica e interativa de socializar os resultados desta atividade é propor para os alunos a apresentação dos procedimentos e dados experimentais utilizando slides ou um pequeno vídeo. Eles podem fotografar, filmar e editar o material montando um relatório online da prática experimental.

Um assunto bastante comentado é a necessidade de se economizar energia. Segue um link sobre o assunto:

http://www.efeitojoule.com/2008/06/faculdade-economizar-energia-eletrica.html acesso 11/10/2010. 

Os alunos poderão ser avaliados na participação nas aulas, resolução de exercícios e nos relatórios referentes às atividades 2 e 3.