A definição de calor específico e calor latente;

Diferenciar calor latente de calor específico;

Leitura e interpretação de gráficos de mudança de fase.

Conceitos de quantidade de calor e capacidade térmica.

Diferença entre quantidade de calor e temperatura.

Estratégias de ensino:

- Aula conceitual;

- Aula interativa com recursos de multimeios;

- Aula experimental demonstrativa ou participativa.

Introdução à aula:

Inicie a aula perguntando aos alunos se eles já perceberam que os materiais aquecem e resfriam de maneiras diferentes quando expostos a mesma quantidade de calor. Por exemplo: em um dia de sol na praia todos já devem ter percebido que a areia se aquece antes do que a água. Já durante a noite ou final de tarde, temos a sensação de que a água está mais quente do que a areia.

Figura 1: Praia durante o dia

Disponível em: http://www.imotion.com.br/imagens/data/media/41/7809praia.jpg acesso em 13/11/2010.   

Explique que este fenômeno está relacionado a uma característica do material que constitui o corpo chamado de calor específico.

Calor específico:

Defina (de maneira oral ou escrita) o que é calor específico (quantidade de calor fornecida ou retirada de um material causando uma variação unitária de temperatura na unidade de massa da substância).

Deixe claro para os alunos que o valor do calor específico define a variação de temperatura dos materiais. Quanto maior o calor específico mais calor deverá ser fornecido para este material a fim de se variar sua temperatura.

Figura 1: Tabela de calor específico de algumas substâncias

Disponível em: http://3.bp.blogspot.com/_gmbFiVcxxAU/SleP-gRnvbI/AAAAAAAAABU/8uSfpWMNK68/s1600-h/TABELA+DE+CALOR+ESPEC%C3%8DFICO.JPG acesso em 13/11/2010 

Explique que para relacionar quantidade de calor (Q) com calor específico é necessário substituir a definição de capacidade térmica na definição de calor específico. A fórmula obtida é conhecida como "Fórmula Geral da Calorimetria":

Substituindo  em , obtemos:

Frise com seus alunos que a variação de temperatura é sempre dada pela temperatura final menos temperatura inicial: T - T₀. Assim, quando a variação for positiva o corpo estará recebendo calor e quando a variação da temperatura for negativa o corpo estará perdendo calor.

Atividade 1 - Aplicando conceitos de calor específico:

Esta atividade tem como objetivo trabalhar situações que possuem explicações pautadas no senso comum e que serão justificadas através do conhecimento científico. Ao final da atividade, os alunos terão no caderno situações do cotidiano explicadas cientificamente que deverão ser apresentadas para os outros grupos.

IMPORTANTE: Antes de aplicar a atividade será necessário você preparar um kit contendo cartões com as imagens objeto de alumínio, a fotografia de um deserto e a fotografia do mar de uma praia (abaixo você encontra algumas imagens que poderá utilizar). Cada um destes kits será entregue para os grupos de até quatro alunos formados para esta atividade.

Figura 2: Cadeira de alumínio

Disponível em: http://www.moveismoveis.com.br/catalog/product/gallery/id/6/image/6/ acesso em 13/11/2010. 

Figura 3: Deserto - Areia

Disponível em: http://1.bp.blogspot.com/_CBflY-sFuRk/SxRPLc3lJcI/AAAAAAAAAKM/mv0_4N_7oEA/s1600/deserto.jpg acesso em 13/11/2010. 

Figura 4: Mar - Água

Disponível em: http://www.imotion.com.br/imagens/data/media/83/8689mar.jpg acesso m 13/11/2010. 

ROTEIRO:

- Separe os alunos em grupos de até quatro pessoas e distribua os kits.

- Peça para que eles ordem as figuras, começando pela que aquece mais rapidamente e terminando pela que demora mais para aquecer. Eles deveram anotar a ordem montada e justificar utilizando situações do dia-a-dia. Exemplo: uma cadeira de praia que possui uma armação de alumínio aquece antes da areia quando exposta ao sol. Esta por sua vez aquece antes do que a água.

- Depois, eles deverão ordenar as figuras anteriores partindo da que resfria primeiro, anotar a ordem montada e justificar utilizando uma situação do dia-a-dia.

Sorteie um dos grupos para apresentar e justificar a ordem montada. Pergunte se os outros grupos montaram a mesma ordem ou se querem acrescentar algum exemplo.

Encerrando as discussões, peça para que os alunos procurem na tabela os valores do calor específico do alumínio, areia e água. Comente com os alunos que, considerando objetos com massas iguais, aquece e resfria primeiro o que possuir menor calor específico.

Atividade 2 - Resolução matemática - Calor específico

Proponha alguns exercícios que tenha como objetivo verificar as conclusões obtidas e depois realize a correção dos exercícios com a participação dos alunos. Você poderá chamar alguns para resolver os exercícios. A seguir você encontra algumas sugestões de exercícios.

1) Calcule a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 20°C para 30°C em cada um dos materiais a seguir:

a) Um bloco de alumínio de 1 kg. (Resposta sugerida: Q = 2 140 cal)

b) 1 L de água. Lembre-se que para a água 1 L = 1kg.  (Resposta sugerida: Q = 10 000 cal)

c) Um bloco de areia de 1 kg. (Resposta sugerida: Q = 2 250 cal)

2) Com base nas respostas do exercício anterior, qual irá necessitar atingir mais rapidamente os 30°C? Justifique. (Resposta sugerida: o bloco de alumínio pois, possui menor calor específico necessitando de um quantidade menor de calor fornecido).

Calor latente:

Comente com os alunos que quando foi explicado sobre calor específico, foi falado apenas em variação de temperatura e não em mudança de fase. Para explicar a mudança de fase é necessário saber os estados físicos da matéria, os processos de mudança de estados físicos e o conceito de calor latente.

Pergunte se os alunos lembram quais são os três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso). Para isso pergunte qual o estado da água que sai das torneiras em dia normal. Depois, o que aconteceria com a água se ficasse muito tempo na geladeira e, por último, o que aconteceria se ficasse muito tempo em uma panela que está sendo aquecida no fogão. Apresente para os alunos a figura 5.

Figura 5: Mudanças de estados físicos da matéria

Disponível em: http://3.bp.blogspot.com/_DQwL36aINq0/ScGQFIWbxlI/AAAAAAAAFHg/HnqjtQ5D-7M/s400/fases-agua.gif acesso em 13/11/2010. 

É importante deixar claro que quando ocorre mudança de fase, não ocorre aumento de temperatura e quando ocorre aumento de temperatura, não temos mudança de fase.

Apresente para os alunos a definição de calor latente (quantidade de calor necessário para mudar o estado uma unidade de massa de uma substância).

Atividade 3 - Vídeo sobre mudança de estado:

Nesta atividade será apresentado um vídeo de aproximadamente 8 minutos em que uma animação representando uma pedra de gelo será aquecida até se transformar em vapor. Os alunos deverão assistir ao vídeo, responder as questões propostas e socializá-las para a sua correção que poderá ser oral ou escrita.

Calor latente 

Recurso 1: Vídeo sobre curva de aquecimento

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=9475 acesso em 13/11/2010. 

Separe os alunos em duplas e apresente o vídeo do recurso 1, se possível em sala, para os alunos. Também entregue as questões sugeridas sobre o vídeo para realização da discussão.

1) Identifique os estados da matéria e as mudanças de estado físico ocorridas durante a animação do gelo. (Resposta sugerida: Estados da matéria - sólido, líquido e gasoso. Mudanças de estados físicos - do sólido para o líquido -> fusão, do líquido para o gasoso -> vaporização)

2) Quais as temperaturas em que temos uma mudança de estado físico ou mudança de fase? (Resposta sugerida: fusão em 0°C e vaporização em 100°C ).

3) O que é calor sensível? Qual o formado do gráfico nesta circunstância? (Resposta sugerida: É o mesmo que calor específico, isto é, quantidade de calor necessário para variar em um grau a temperatura de uma unidade de massa. No gráfico represente uma reta crescente da forma f(x) = ax+b).

4) O que é calor latente? Qual o formado do gráfico nesta circunstância? (Resposta sugerida: É a quantidade de calor necessário para a realização de uma mudança de fase. No gráfico é representado por uma reta constante e paralela ao eixo x da forma f(x) = c ).

5) Quais as temperaturas de fusão e vaporização do ferro? (Resposta sugerida: fusão em 1500°C e vaporização em 2500°C ).

6) O que significa "o calor específico do gelo é igual a 0,5 cal/g°C"? (Resposta sugerida: Que para cada um grama de gelo variar em 1°C sua temperatura é necessário 0,5 caloria)

7) O que significa "o calor latente de fusão do gelo é igual a 80 cal/g"? (Resposta sugerida: Que para cada um grama de gelo se transformar em água líquida são necessárias 80 calorias).

Atividade 4 - Analise gráfica:

Esta atividade tem como objetivo proporcionar aos alunos a capacidade de compreender gráficos e relações matemáticas gráficas presentes nas curvas de aquecimento.

Para a correção, peça para que alguns alunos leiam suas respostas e debata com o resto da turma.

Apresente para os alunos os gráficos a seguir e peça para que eles identifiquem:

1) Em que momentos ocorre a mudança de fase em cada um dos gráficos; (Resposta sugerida: Gráfico 1: quando a temperatura atingem 40°C, Gráfico 2: quando a temperatura atingem 0°C e Gráfico 3: quando a temperatura atinge 100°C).

2) A quantidade de calor fornecida durante cada mudança de fase em cada um dos gráficos. (Resposta sugerida: Gráfico 1: Q = 400 cal, Gráfico 2: Q = 8000 cal e Gráfico 3: Q = 100 cal).

Gráfico 1: Temperatura por quantidade de calor

Disponível em: http://www.fisicaevestibular.com.br/images/termica7_arquivos/image048.jpg acesso em 13/11/2010. 

Gráfico 2: Temperatura por quantidade de calor

Disponível em: http://www.fisicaevestibular.com.br/images/termica7_arquivos/image018.jpg acesso em 13/11/2010. 

Gráfico 3: Quantidade de calor por temperatura

Disponível em: http://www.fisicaevestibular.com.br/images/termica7_arquivos/image015.jpg acesso em 13/11/2010. 

Atividade experimental - "Medida do calor específico de metais" http://www.cdcc.usp.br/exper/medio/fisica/kit3_calorimetria/exp3_termo.pdf acesso em 13/11/2010. 

Material do GREF - "Fontes e trocas de calor" http://www.laboratoriodefisica.com.br/GREF/termo/termo25c2.pdf acesso em 13/11/2010.

Questões de vestibular sobre "Calor Latente - trocas de calor com mudança de estado" http://www.fisicaevestibular.com.br/exe_ter_7.htm acesso em 13/11/2010. 

Avalie os alunos através da participação nas aulas e na resolução dos exercícios das atividades 1, 2, 3 e 4.

Verifique se os alunos compreenderam a definição de calor específico e calor latente além de identificar nos gráficos situações de mudança de estado.