·         Entender que em condições normais, a temperatura mais fria de um local ocorre de manhã e a temperatura mais quente à tarde.

 ·          Analisar porque a temperatura mais quente não ocorre no instante correspondente à maior radiação solar.

 ·          Relacionar a variação da temperatura diária com o balanço da radiação solar

Temperatura e Calor

            A temperatura do ar é medida por meio de termômetros. Termômetros de máxima e mínima registram a temperatura máxima e a mínima atingida num certo período. Nas estações meteorológicas estas temperaturas são registradas a cada 24 horas, máximas e mínimas diárias.

            A seguir são apresentadas duas figuras; a Figura 01 que é a foto de um termômetro de máxima e mínima, de líquido, onde a coluna da esquerda registra o valor da temperatura mínima atingida e a coluna da direita indica o valor de temperatura máxima; na Figura 02 está contida a foto de um termômetro digital de máximo e mínima.

http://cervejartesanal.com/images/TermMinMax.jpg 

http://www.hotfrog.com.br/Uploads/PressReleases/Termometro-maxima-e-minima-digital-9290_image.jpg 

Atividade I

           Sugerimos que o professor apresente para a turma as Figura 01 e a Figura 02, faça uma ligeira descrição sobre esses instrumentos e em seguida pergunte para a turma, para responderem oralmente.

           Em um dia típico de céu claro, sem cobertura de nuvens, em que hora provavelmente ocorrerá a menor temperatura local do dia?

           Nesse mesmo período, ou seja, dentro das 24 horas do dia, em que instante provavelmente ocorrerá a maior temperatura do dia?

           Provavelmente haverá mais de uma resposta, mas é bem possível que a maioria das respostas seja meia noite, 2 horas, 3 horas da madrugada.

           Mostre a eles então a Figura 03; essa figura representa o valor da temperatura em certo local durante as 24 horas do dia, para 3 dias consecutivos do mês de setembro. Pelas curvas que representam as variações da temperatura do local ao longo do dia, pode-se verificar que a temperatura máxima e mínima de cada dia corresponde praticamente ao mesmo horário.

           O professor então deve apresentar o gráfico para os alunos e pedir que pelo gráfico respondam, segundo as curvas representadas. Dentro das 24 horas, em que instantes ocorreram as temperaturas, máxima e mínima, de cada dia?

           Deverão apenas fazer leitura no gráfico o que pode ser discutido oralmente com toda a turma.

          Verifica-se através da leitura nas curvas do gráfico, que a temperatura mínima do dia ocorre entre 6 e 7 horas para os três dias representados e que a temperatura máxima, também para os três dias ocorre em torno das 16 horas.

           Compare essa resposta com o que responderam antes de ser observado a Figura 03. Faça os devidos comentários relacionando as respostas dos alunos antes de analisarem o gráfico com as respostas que deram com o uso do gráfico, depois faça mais essas perguntas.

           Porque a temperatura mínima do dia ocorre depois que o dia amanhece?

           E porque a temperatura máxima não ocorre ao meio dia?

http://2.bp.blogspot.com/_I_bABiHcaBg/SqMXPkTStvI/AAAAAAAAM4M/p2oZ8Gpig0w/s400/4+-+Temperatura+do+ar.JPG 

            Essas perguntas não devem ser respondidas imediatamente de maneira objetiva, para contornar tais questionamentos o professor primeiro deverá esclarecer para a turma a lei de Stefan-Boltzmann; esta lei estabelece que o fluxo de energia irradiada por uma unidade de área da superfície de um corpo é proporcional à quarta potência da temperatura kelvin da superfície. A expressão correspondente desta lei está no quadro amarelo, à direita na Figura 04; o valor da constante de Stefan-Boltzmann é 5,67.10^-8 watts/(m^2.k⁴). Como a temperatura kelvin, T, é sempre maior que zero, pela expressão da lei de Stefan-Boltzmann conclui-se que todo corpo está constantemente irradiando energia, que em geral essa energia irradiada predomina em calor radiante. Assim, em nosso ambiente, todos os corpos estão emitindo calor, a Terra, por exemplo, em todo instante está emitindo calor para o espaço.

Atividade II

            Peça então aos alunos, que em duplas ou equipes de no máximo 4 pessoas por grupo, calculem a quantidade de calor irradiada em um segundo por uma superfície de 1,0 m² de área e emissividade igual a 0,6, que se encontra a uma temperatura de 27^oC.

 Usando a expressão da lei de Stefan-Boltzmann da Figura 04:

•  E = 0,6.5,67.10^-8.(300)⁴; 27^oC = 300 K
•  E = 275,6 watt/m², que corresponde a energia de 275,6 Joule por segundo e por metro quadrado.
• A quantidade de calor irradiada durante 1 s em 1 m² é: E = 275,6 J

            E se fosse o filamento de tungstênio de uma lâmpada acesa, considerando emissividade igual a 1 e temperatura de 3000 k qual seria o fluxo de energia emitido?

Nesse caso:

•  E = 5,67.10^-8.(3000)⁴
•  E = 4,59.10⁶ watt/m²   

            Se a Terra, segundo a lei de Stefan-Boltzmann está continuamente emitindo calor para o espaço, como se explica que sua temperatura não é cada vez mais fria? 

            Provavelmente não terão dificuldade de explicar que apesar da Terra emitir radiação para o espaço, ela também absorve calor que vem do Sol, mas se por acaso não tiverem essa visão, o professor deverá fazer um argumento com a turma, como a seguir:

            O fato da Terra não esfriar continuamente é que ela também absorve calor vindo do espaço, do Sol. De fato a Terra absorve calor do Sol e emite calor para o espaço. O processo é mais complexo, mas vamos aqui raciocinar apenas em termos de variação da temperatura diária em um local qualquer, próximo à superfície do solo num dia típico, 24 horas de céu sem cobertura de nuvens. Durante a noite, a Terra emite e não absorve calor, então sua temperatura diminui; já durante o dia ela continua emitindo calor, mas absorve mais calor que emite, ou seja, há um ganho de calor, em conseqüência sua temperatura aumenta.

            Para essa idéia ficar bem clara, o professor poderá fazer um paralelo referente ao calor irradiado e absorvido pela Terra com o esquema da Figura 04, abaixo. Nesta figura, um tanque é abastecido com água por meio de uma torneira e possui próximo à base, na face lateral, um dreno constantemente aberto, portanto sempre vazando água. O tanque é transparente permitindo que se observe o nível de água em seu interior, a água neste esquema está destacada em azul, para efeito meramente didático. O professor então deverá explicar para a turma a seguinte analogia entre a radiação local, emitida e absorvida pela Terra, com o esquema torneira e tanque.

            A torneira representa o Sol e o tanque a Terra. A água da torneira que cai no tanque está representando a radiação solar absorvida pela Terra no local considerado, o nível da água no tanque representa a temperatura da Terra no local e a água do dreno representando a radiação da terra para o espaço, veja a Figura 04.

            Depois o professor deverá mostrar a Figura 05 que é o mesmo sistema da Figura 04 em vários instantes, correspondentes ao período de 24 horas, de 18 h de um dia até as 18 h do dia seguinte, conforme será relatado. Da esquerda para a direita e de cima para baixo, tem-se:

 ·        O primeiro esquema da figura, esquema I, corresponde às 18 horas, momento que o Sol já se pôs no horizonte local, portanto a radiação solar neste instante é zero, torneira fechada. Como o dreno permanece aberto, verifica-se que o nível da água no tanque está abaixando, ou seja, a temperatura local está diminuindo.

 ·        Observe o esquema II, correspondendo à meia noite, 24 horas, que o nível da água abaixou um pouco, portanto a temperatura no local diminuiu.

 ·        No esquema III, correspondente a 3 horas da madrugada o nível da água no tanque está ainda mais baixo, indicando que houve uma queda de temperatura local.

 ·        No esquema IV, já de manhã, o Sol começa a incidir no local, torneira aberta com um filetinho de água, e o nível de água no tanque está bem baixo, significando que a temperatura atingiu um valor bem próximo do mínimo.

 ·        O esquema V, correspondente ao horário de 7 horas da manhã, o calor vindo do Sol um pouco mais que às 6 horas, a vazão da torneira enchendo o tanque equivale a vazão do dreno. A água no tanque ainda está com seu nível muito baixo, praticamente estável, a temperatura local é, portanto mínima.

 ·        No esquema VI, 10 horas local, na torneira vaza mais água que no dreno e o nível de água no tanque está subindo, portanto no local a quantidade de calor absorvido é maior que a quantidade de calor que a Terra emite e a temperatura está aumentando.

 ·        No esquema VII, 12 horas, a torneira tem vazão máxima o nível de água no tanque continua subindo e com mais rapidez, corresponde à radiação máxima absorvida pela Terra no local e a temperatura continua subindo rapidamente.

 ·        O esquema VIII, que corresponde ao horário de 14 horas local, a vazão da água da torneira diminuiu um pouco, mas continua com vazão superior à vazão do dreno e o nível da água no tanque sobe mais um pouco. O calor absorvido pela Terra no local diminui em relação ao meio dia, mas ainda no local a Terra absorve mais calor que emite, havendo, portanto ganho de calor e a temperatura local continua aumentando.

 ·        No esquema IX, correspondente às 16 horas a vazão da torneira se iguala a vazão do dreno e o nível da água no tanque atinge o máximo, portanto equivale no local calor absorvido do Sol pela Terra igual ao calor cedido para o espaço e a temperatura do dia atinge seu valor máximo.

 ·        Último esquema, X, a radiação vai diminuindo paulatinamente até que o Sol se põe e recomeça a marcha da temperatura diária.

Atividade III

         Obs. Se o professor preferir poderá ao invés de mostrar a Figura 05 fazer uma demonstração prática equivalente a proposta da figura. Para isso basta usar uma garrafa de plástico, dessas de 2 litros, transparente, fazendo um pequeno furo lateral nela, cerca de 2 cm acima do fundo. A garrafa substituirá o tanque da figura. Colocar a garrafa sob uma torneira e controlar a abertura da torneira, mantendo-a fechada, abrindo ou fechando lentamente conforme as vazões representadas nessa gravura e chamando a atenção que a água da torneira representa a radiação solar em cada hora do dia e o orifício, dreno, corresponde ao calor irradiado para o espaço, como nos comentários acima. Divida a turma em grupos menores para que haja participação de todos, e execute a demonstração em um local conveniente, no laboratório, ou no pátio, ou no jardim de sua escola.   

          Após comentar cada item acima, que o professor deverá fazer usando o esquema da Figura 05, ou usando a demonstração com a garrafa, faça a seguinte proposta para que os alunos respondam individualmente em uma folha.

           Descreva a marcha de temperatura diária em um local num dia típico de céu limpo sem cobertura de nuvens justificando como a temperatura varia e porque varia.

Com base no exposto acima deverão responder:

 ·        Ao amanhecer, nos primeiros instantes o calor vindo do Sol absorvido pela superfície local é praticamente igual ao calor irradiado para o espaço e a temperatura mantém praticamente invariável

 ·        À medida que o Sol fica mais alto o calor absorvido é maior que o calor perdido, emitido para o espaço, e a temperatura no local começa a aumentar.

 ·        Quanto mais alto fica o Sol, os raios solares se aproximam da vertical, mais aumenta o ganho de calor (calor absorvido menos calor emitido), e em conseqüência a temperatura aumenta mais acentuadamente.

 ·        Após meio dia, continua mantendo ganho de calor no local, mas de maneira decrescente fazendo com que a temperatura continua aumentando, porém à medida que os raios vão afastando da vertical esse aumento da temperatura vai se tornando cada vez menor.

 ·        Quando o Sol está bastante baixo, bem afastado da vertical, o calor absorvido iguala ao calor irradiado e a temperatura para de aumentar. Nesse momento a temperatura atingiu seu valor máximo que normalmente ocorre em torno das 16 horas.

 ·        A partir desse instante o Sol está quase se escondendo, o calor absorvido pela superfície no local é ligeiramente menor que o calor emitido, a temperatura começa a cair moderadamente.

 ·        À noite, o calor irradiado para o espaço sem ganho de calor, faz com que a temperatura continua caindo até que o Sol volte a brilhar e o calor absorvido torne equivalente ao calor perdido para o espaço.

 ·        Depois que o Sol volta a brilhar no local, quando o calor absorvido se torna igual ao calor emitido, a temperatura para de cair e terá atingido seu valor mínimo, o que ocorre nas primeiras horas da manhã, cujo horário é dependente do dia do ano e da latitude local.

       O professor pode acessar o site abaixo que fornece dados interessantes e curiosos sobre temperaturas máximas e mínimas em nosso território.

   http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:GKwsRNerEdUJ:www.climabrasileiro.hpg.ig.com.br/dadostemp.htm+menor+e+maior+temperatura&cd=2&hl=pt-BR&ct=clnk&gl=br 

               Sugerimos que o professor distribua a turma em 10 grupos, e peça a cada grupo que faça uma consulta e apresentem um gráfico com a média mensal, da temperatura máxima mensal e da temperatura mínima mensal, de seu município ou não do município mais próximo eu tenha registros meteorológico, para o ano designado ao grupo, por sorteio entre 2000 a 2009.