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Processos de transmissão do calor e o efeito estufa

 

07/12/2010

Autor e Coautor(es)

Eziquiel Menta

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Ensino Médio Física Oscilações, ondas, óptica e radiação
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula

- Definir os processos de transmissão de calor;

- Compreender o efeito estufa e suas conseqüências.

Duração das atividades
50 min
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

- Conceito de calor;

- Conceito de temperatura;

Estratégias e recursos da aula

Estratégias e recursos da aula Estratégias de ensino:

- Aula interativa com recursos multimeios;

- Aula conceitual.

Materiais:

- Colher de metal;

- Isqueiro;

- Cuba de vidro;

- Aquecedor térmico;

- Corante;

- Projetor.

Introdução a aula:

Inicie a aula passando aos seus alunos a seguinte reportagem:

Vídeo 1: Reportagem sobre os fornos solares.

Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=5vvq1FZ8zHo acesso em 13/11/2010 

Procure motivar seus alunos a explicar por meio dos fundamentos e princípios da física por que o alimento esquenta dentro do forno. De onde é proveniente a energia que o faz cozinhar? Como esta energia é transmitida e chega até o alimento? Qual é a finalidade do forno, como ele funciona? Qual é a importância de cada parte do forno (revestimento de alumínio, tampa de vidro, base de metal)?

Não é necessariamente importante que os alunos tenham todas as respostas a tais questionamentos, ou que suas respostas sejam dadas por meio da terminologia científica. No entanto, é importante registrar (pode ser em tópicos) estas colocações para serem, no fim da aula, contrapostas com as explicações de natureza científica.

Processos de transmissão de calor

Após a primeira discussão sobre os fenômenos térmicos associados à reportagem, sistematize o conteúdo sobre os processo de condução do calor a partir dos três principais mecanismos pelos quais o calor se propaga:

Condução: qualquer estado da matéria, sem mobilidade da massa da matéria;

Convecção: predominantemente em fluídos, com mobilidade da massa da matéria;

Irradiação: Único processo que ocorre no vácuo, sem necessidade da existência de matéria.

Antes de se aprofundar especificamente nos processos de condução de calor, é importante relembrar com os alunos a segunda lei da termodinâmica (enunciado de Clausius): "A entropia do Universo tende a um máximo". Qualitativamente, este enunciado define o sentido da transmissão do calor, do meio de maior temperatura para o meio de menor temperatura.

Atividade 1: Condução térmica

Defina com seus alunos o processo de transmissão térmica por meio da condução:

É o processo de transmissão de calor no qual a energia se transfere de molécula para molécula sem que haja deslocamento de matéria, a partir de uma gradiente (diferença) de temperatura.

A figura abaixo ilustra esquematicamente o processo de transferência de calor por meio da condução térmica em uma barra de metal.

Figura 1: Condução térmica em uma barra

Disponível em: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/oitava_serie/Calor4.php acesso em 13/11/2010 

Para que os alunos compreendam melhor em que situações ocorre a condução térmica, esquente uma extremididade da colher com a chama do isqueiro, segurando-a com algum isolante térmico (pode ser um grampo de roupas). Assim que a extremidade oposta da colher estiver aquecida (sinta com o próprio dedo, não deixando a temperatura elevar-se demasiadamente) peça a alguns alunos para que a toquem e percebem que mesmo sem o contato direto com a chama de fogo, houve o aquecimento.

Atividade 2: Convecção térmica

A convecção térmica é caracterizada pelo movimento de moléculas em um fluido, provocado, em geral, por um gradiente de densidade (e consequentemente de temperatura) no interior do fluido. Com a convecção de matéria, ocorre o consequente transporte (transferência) de calor.

A imagem abaixo ilustra as correntes de convecção no interior de um fluido sendo aquecido em sua parte inferior. É importante observar que durante a ascensão da matéria, o calor se propaga também, por meio de condução térmica, para moléculas vizinhas à corrente de convecção.

Figura 2: Convecção térmica

Disponível em: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Convection.gif acesso em 13/11/2010 

Uma maneira muito simples de mostrar para os alunos a formação das correntes de convecção no interior de um líquido é proposta a seguir:

Coloque o aquecedor elétrico (rabo quente) no interior de uma cuba de vidro ou de acrílico. No site feira de ciências, sugere-se construir um aquecedor com uma resistência (pode até mesmo ser uma resistência de chuveiro). Insira água na cuba e ligue o aquecedor. Faça um feixe de luz passar pela cuba e ser projetado em um anteparo, preferencialmente branco. Pode-se utilizar para isso um projetor convencional (projetor multimídia) caso não disponha de uma fonte de luz apropriada. Para facilitar a visualização, pode derramar algumas gotas de corante ou serragem fina, após a água estiver aquecida. Como a água quente possui índice de refração diferente da água fria, a projeção evidenciará as correntes de convecção.

Figura 3: Correntes de Convecção

Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_15.asp acesso em 14/11/2010

Atividade 3: Irradiação Térmica

Para finalizar esta primeira aula, sobre os processo de transferência do calor, apresente aos alunos a transferência de calor por meio da irradiação:

Irradiação térmica é o processo no qual o calor se transfere de um meio para outro através da propagação de radiação eletromagnética (ondas eletromagnéticas) que possuem energia (e momento) associada à frequência do fóton de luz.

É necessário explicar aos alunos que a radiação eletromagnética é gerada no retorno dos elétrons às camadas de menor energia no átomo, resultando na liberação de fótons. Todos os corpos emitem radiação eletromagnética, no entanto a energia desta radiação está diretamente vinculada com a temperatura do corpo. Assim sendo, corpos mais quentes emitem radiação mais energética, provocando o aquecimento dos corpo mais frios, que emitem radiação menos energética. Como o processo de irradiação resulta na perda de energia, e consequentemente na perda de temperatura, o processo conduz ao equilíbrio térmico de dois meios.

As ilustrações abaixo apresentam, respectivamente, a irradiação solar, a energia da radiação emitida por um corpo em função de sua temperatura e a irradiação (na faixa do infravermelho) emitida por um homem.

Figura 4: Irradiação solar

Disponível em: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/outreach/faq_cat-1.html acessado em 13/11/2010 

  Figura 5: Irradiação térmica

Dinsponível em: http://www.hgh.fr/rayonnement-infrarouge-corps-noir-infrared-radiation-blackbody-pt.php  acessado em 13/11/2010

Figura 6: Irradiação humana

Disponível em: http://www.algosobre.com.br/fisica/radiacao-infravermelha.html acessado em 14/11/2010  

É necessário também evidenciar aos alunos que o aquecimento do meio, a partir da radiação solar, ocorre devido à absorção da radiação. De modo simplificado, a absorção da radiação ocorre quando a frequência da onda eletromagnética é semelhante à vibração da rede cristalina ou dos próprios elétrons, mas que será maior quanto maior a quantidade de energia incidente no material.

Para finalizar este primeiro momento sobre os processos de propagação do calor, apresente aos alunos os dois vídeos abaixo (aula 24, Telecurso 2000) sobre esses três processos.

Vídeo 2: Telecurso 2000

Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=PgIwtB_N3bc (1ª parte) e http://www.youtube.com/watch?v=sJ2SA8cphXE&feature=related (2ª parte) acesso em 13/11/2010 

Peça aos alunos que escrevam um relatório simplificado contendo:

Como o calor se propaga na condução;

O que são condutores e isolantes térmicos;

Dê exemplos de condutores e isolantes térmicos;

Como o calor se propaga no vácuo;

Como o calor se propaga na convecção;

O que são correntes de convecção;

Como se forma a brisa marítima e terrestre;

Atividade 4: Efeito Estufa

Para que os alunos compreendam o efeito estufa, apresente a ilustração esquemática abaixo. 

Figura 7: Efeito estufa

Disponível em: http://coisaseboas.blogspot.com/2007/09/os-benefcios-do-efeito-estufa.html acessado em 13/11/2010

O esquema evidencia que os gases estufas, presentes na atmosfera, são responsáveis por absorver a radiação emitida (infravermelho) pela Terra. O diagrama abaixo apresenta com detalhes como os principais gases na atmosfera responsáveis pela absorção da radiação solar e terrestre

Figura 8: Absorção atmosférica da radiação solar incidente e da radiação terrestre emitida

Disponivel em: http://chriscolose.files.wordpress.com/2010/02/atmospheric_transmission.png acessado em 13/11/2010

É importante frisar aos alunos que o gás de maior absorção da radiação terrestre na atmosfera é o vapor de água (formação de nuvens). Um dado interessante sobre o vapor de água é que esse gás possui índice de absorção muito baixo para a radiação na faixa do UV, refutando a ideia do senso comum que as nuvens filtram a radiação solar (não havendo necessidade de uso de filtros solares).

No gráfico de intensidade espectral, as curvas em vermelho e azul representam, respectivamente, a intensidade de radiação solar incidente na Terra (proveniente do Sol) e a radiação terrestre emitida (pelos mares e pela superfície). As áreas internas representam a radiação absorvida para cada comprimento de onda das radiações solar e terrestre.

Observações importantes:

O principal gás que absorve a radiação solar na faixa do UV é o Ozônio. Esta radiação também é espalhada (mas não absorvida) pelo fenômeno denominado espalhamento Rayleigh.

O espalhamento Rayleigh ocorre para o UV, sendo que ainda se estende a uma faixa do visível, o azul. Sendo assim, o espalhamento Rayleigh do comprimento de onda azul explica o porquê desta tonalidade do céu.

O Dióxido de carbono é o gás (que possui taxa estável de permanência na atmosfera, uma vez que o vapor de água possui concentrações instáveis conforme condições climáticas) que possui melhor absorção de algumas faixas de radiação no infravermelho - radiação predominante irradiada pela Terra. Desta forma, o Dióxido de Carbono é considerado o gás que melhor contribui para o efeito estufa.

O fato da vapor de água ser um gás de alta absorção no infravermelho explica o mormaço (clima abafado quando está nublado).

Para finalizar a atividade, passe aos alunos o vídeo a seguir e proponha a realização da atividade descrita.

Mudanças Ambientais Globais - Mudanças Climáticas Naturais 

Recurso 1: Mudanças Ambientais Globais - Experiência - Efeito Estufa

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=9230 acessado em 13/11/2010 

Oriente os aluno para que façam um relatório experimental, fundamentando o experimento a partir dos processo de propagação do calor e do fenômeno de efeito estufa.

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Mudanças Ambientais Globais - Mudanças Climáticas Naturais Animação/simulação
Recursos Complementares

Acesse também o site "Feira de Ciências". Ele possui muitas informações e experimentos interessantes:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/index8.asp 

Avaliação

Peça para que os alunos façam uma minipesquisa sobre as aplicações tecnológicas que envolvam os processos de condução do calor e suas consequências.

Os alunos também podeão ser avaliados por meio de um relatório da atividade 3 (aula Telecurso 2000) e 4 e pela construção de um forno solar.

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