• Identificar os processos de transmissão do calor.
• Analisar o principal processo de propagação de calor nos sólidos e gases.
• Relacionar fluxo de calor com diferença de temperatura.

          Conceito de calor e temperatura.

          Sugerimos que o professor inicialmente mostre para a turma a Figura 01 e comente, cada um dos processos de transmissão do calor, ilustrado na figura: condução, convecção e irradiação.

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Em 03/08/2011.

          Condução: Principalmente nos sólidos, as partículas mais quentes, maior energia, colidem com as vizinhas, menos quente, menor energia de agitação. Na colisão, a partícula com maior energia transfere parte de sua energia para a vizinha. Esta por sua vez colide com outra menos energética e também transfere parte de sua energia para ela, e assim sucessivamente, de forma que o calor flui de um ponto para outro através das partículas constituintes do corpo ou sistema sem que essas partículas alterem as suas posições médias. A condução do calor pode ser observada através do seguinte experimento ilustrado na Figura 02.

Atividade I.

          O professor poderá dividir a turma em grupos de 4 alunos para que executem e observem o experimento na sala de aulas ou no laboratório se achar mais interessante. O material é bastante simples:

1. Uma barra metálica fina cerca de 40 cm de comprimento, ou fio nu, sem a capa plástica isolante, cerca de 40 cm de comprimento e 3 mm de diâmetro; no mercado encontram-se facilmente fios de cobre ou de alumínio sem essa capa isolante, ou ainda pode substituir essa barra ou fio por uma vareta de guarda chuvas.
2. Um suporte para fixar a vareta, veja a Figura 03.
3. Uma vela de parafina.
4. Seis pregos pequenos, tipo taxinha.

As varetas de guarda chuva, o professor poderá adquirir em parceria com os alunos, pedindo-os para trazer à escola antecipadamente ao dia da apresentação. O suporte para o fio ou a vareta, também pode ser improvisado usando uma latinha vazia de refrigerantes e fazendo dois furos diametralmente opostos próximos na beirada superior da lata, onde passará a ponta da vareta. Algumas escolas possuem recurso destinado à compra de material para uso didático, nesse caso, o professor então poderá pedir que a escola compre ou libere dinheiro para possa adquirir o material.

          O material acima se refere a um kit, ou seja, a uma montagem. Se o professor encontrar dificuldade em obter esse material para todos os grupos, ele poderá fazer uma demonstração experimental para todos observarem. Neste caso faça a montagem sobre a própria mesa da sala de aulas ou em um espaço que todos possam observar. Desperte à atenção de todos, em cada detalhe que deve ser observado durante a evolução do experimento.

          Procedimento: Acompanhe pela Figura 02.

1. Com a vela acesa, deixe pingar cerca de 4 gotas de parafina na cabeça da taxinha, parte superior esquerda na figura.
2. Com a parafina ainda quente pressione a cabeça da taxinha contra a superfície do metal para fixar a taxinha no ponto desejado, como no esquema, parte superior direita da Figura 02.
3. Prenda cerca de 6 tachinhas igualmente separadas deixando 10 cm livres em cada extremidade.

4.      Prenda uma das extremidades da vareta em um suporte de modo que ela fique na posição horizontal, Figura 03.

5.      Coloque uma vela acesa sob a extremidade livre da vareta metálica.

6.      Observe o que acontece com a parafina e a seqüência em que as taxinhas caem.

          Peça aos alunos que observem o desenvolvimento do experimento e responda:

Quando a vareta começou a ser aquecida qual taxinha caiu primeiro e qual foi a ordem na seqüência de queda das taxinhas?

Porque o aquecimento da barra metálica, vareta, provoca queda das taxinhas?

• As taxinhas deverão cair sucessivamente a partir do ponto mais próximo à vela.
• A parafina ao se aquecer funde-se, derrete-se, e com isso a taxinha se desprende do metal, caindo.

          Faça então outra pergunta:

A partir dessa observação você conclui que o calor fluiu na vareta em que sentido?

As partículas do metal se deslocaram de suas posições médias?

• Como a parafina começou a derreter a partir dos pontos mais próximos da vela e consecutivamente à medida que se afasta da vela, conclui-se que o calor se propagou da extremidade próxima à vela, mais quente para a outra extremidade mais fria.
• As partículas do metal não se deslocaram, pois seu formato não sofreu alteração.

          Convecção: Sobretudo nos fluidos, é o processo no qual há o movimento das partículas do material constituintes do sistema. Por exemplo, ao aquecermos água em um recipiente colocado sob uma chama quente, a parte da água próxima à superfície em contato com a chama aquece, e passa a ter uma densidade menor (aumento de volume). Essa porção da água mais leve sobe, enquanto parte da água superior desce ocupando o espaço da água que sobe, formando um fluxo do líquido mais quente subindo e menos quente descendo, denominado de correntes de convecção.

Atividade II

          O professor poderá apresentar para a turma o filme que se encontra disponível na internet, veja abaixo.

Mago da Física - Propagação de Calor: Convecção 

          Poderá também fazer na própria sala de aulas uma demonstração experimental para a turma observar ou se preferir, distribuir material aos grupos para que eles próprios executem a seguinte experiência sobre propagação do calor por convecção.

 Material referente a uma montagem:

• Um recipiente transparente, de vidro, por exemplo, de tamanho tal que cabe a mão em seu interior, a fim de deixar o pequeno vidro em seu fundo.
• Um vidro pequeno.
• Tinta solúvel na água ou anilina e uma vela, veja a Figura 04.

Procedimento:

1.      Despeje água no recipiente de vidro, coloque-o sobre um tripé ou improvise um apoio, e fixe sob ele uma vela como na Figura 04..

2.      Coloque um pouco de tinta ou anilina no vidrinho e encha-o com água fria. Pode também, antes, encher o vidrinho com água de tinta ou anilina e deixá-lo alguns minutos na geladeira.

3.      Acenda a vela e em seguida tampe o vidrinho com o dedo mergulhando-o na água do recipiente maior deixando o vidrinho no fundo do recipiente, Figura 04.

4.      Observe como ocorre o deslocamento da tinta no recipiente, à medida que a água está sendo aquecida.

5.      Se dispuser de um termômetro, com o bulbo a meia altura da água, meça as temperaturas da água onde a corrente está subindo e onde ela está descendo, para comparar esses valores.

          Peça para a turma responder individualmente ou em grupos:

Durante o aquecimento da água houve deslocamento das partículas?

O que acontece quando certa quantidade de água é aquecida?

Como se explica o aquecimento de toda água do recipiente?

• Pelo movimento evidenciado pela água colorida, vão responder corretamente que houve deslocamento das partículas da água.
• Provavelmente saberão que a água ao ser aquecida aumenta de volume, sua densidade diminui e então sobe.

• A partir daí deverão explicar que a água quente sobe enquanto a mais fria desce ocupando simultaneamente o espaço da porção de água que subiu.  Esta água mais fria, agora em contato com o fundo do recipiente, recebe calor por condução do fundo do recipiente, dilata, fica mais leve e sobe, cedendo lugar para água mais fria, formando um ciclo contínuo, de água mais quente subindo e menos quente descendo, denominado de corrente de convecção.

          Irradiação: processo no qual o calor se propaga por ondas eletromagnéticas, sem a necessidade de um meio material. Por exemplo, a principal fonte de calor para a vida no nosso planeta provém do Sol, atravessando o espaço vazio até nos atingir.

Atividade III.

           Peça que cada aluno aproxime as costas das mãos cerca de 10 cm da vela acesa, na mesma horizontal da vela, com o cuidado para não se queimar, e observar o que sente nas mãos. Peça depois que mantendo uma das mãos onde está, coloque a outra acima da vela com a costa da mão voltada para a vela aproximadamente à mesma distância da outra mão ao lado da vela.

           Então pergunte:

O que sentiu nas mãos ao aproximá-la da vela, ao lado desta?

O calor da vela até a mão se propagou por condução? Por quê?

O calor da vela até a mão se propagou por convecção? Por quê?

Esse tipo de transmissão de calor é mais lento ou mais rápido que os processos condução e a convecção?

A mão acima da vela aqueceu mais ou menos que a mão colocada ao lado da vela? Por quê?

• Certamente sentiram que a mão se aquece imediatamente ao colocá-la próximo à vela.
• Deverão responder que, principalmente pela rapidez com que o calor chegou às mãos, não pode ter se dado por condução que não se processa tão rápido.
• Também não pode ter ocorrido por convecção, pelo mesmo motivo.
• Vão perceber que é muito rápido, praticamente no mesmo instante que se coloca a mão, sente-a sendo aquecida. O professor então deverá explicar que o calor se propagou da chama da vela no ar até as mãos ao lado por irradiação, isto é, por meio de ondas eletromagnéticas, não havendo necessidade de um meio material para que isto ocorra.
• Como o ar próximo da vela se aquece, fica mais leve e sobe e neste caso o calor também se propaga por convecção, mas caso necessite, o professor deverá fornecer essa explicação para a turma.

          Finalizando, o professor deverá executar para a turma a seguinte prática experimental esquematizada na Figura 05. Pegue dois recipientes, coloque um copo de água fria, retirada da geladeira, em um deles e no outro, coloque dois copos de água morna ou à temperatura ambiente. Coloque um termômetro em cada recipiente com água, espere cerca de 2 minutos e assinale a temperatura de cada um, T₁, temperatura da água quente e T₂, temperatura da água fria. Depois misture a água colocando toda água, 3 copos, em um só recipiente. Agite um pouco para misturar água morna e fria, coloque um termômetro dentro do recipiente aguarde cerca de 3 minutos e novamente faça a leitura da temperatura, T, temperatura de equilíbrio.

          Pergunte para a turma:

A temperatura da mistura é maior, menor ou igual à temperatura da água fria?

A temperatura da mistura é maior, menor ou igual à temperatura da água morna?

Então, colocando em contato, duas substâncias de temperatura T₁ e T₂, T₁ > T₂, após algum tempo de contato o que se deve esperar da nova temperatura T, das substâncias em contato?

• É de se esperar que pelos valores obtidos, dirão que a temperatura da mistura é intermediária maior que a temperatura fria e menor que a morna.
• Também se espera que não tenham dúvidas, T₁> T > T₂. O professor então deverá explicar que duas substâncias ou dois corpos de temperaturas diferentes em contato, fazem com que o calor flua do mais quente para o mais frio até que suas temperaturas se igualem, ou seja, estabeleça entre eles uma temperatura de equilíbrio térmico. Essa temperatura é sempre um valor entre as duas temperaturas iniciais, pois o corpo mais frio ganha calor e aquece e o mais quente perde calor e sua temperatura diminui. Essa é a via de regra, se a substância recebe calor sua temperatura aumenta, se perde calor sua temperatura diminui, desde que não haja alteração de estado físico por parte das substâncias.

          O professor poderá acessar os seguintes textos que se encontram nos endereços abaixo:

CONDUÇÃO DO CALOR

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/recursos/11095/conducao_termica.pdf

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/dilatacao/transferencia-de-calor.php

CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA FÍSICA APLICADA: TERMOMETRIA, CALORIMETRIA E TRANSMISSÃO DE CALOR

http://www.tecnicodepetroleo.ufpr.br/apostilas/transmissaodecalor.pdf

          Peça aos alunos que com base no aprendizado da aula dê exemplos na prática do dia a dia, em que os processos de transmissão de calor estejam presentes. Deverão fornecer exemplos em que os processos se manifestem simultâneo ou separadamente