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Aplicações e fenômenos térmicos de uso cotidiano

 

19/10/2011

Autor e Coautor(es)
JOSE ANGELO DE FARIA
imagem do usuário

VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Daniel Rodrigues Ventura, Edson Luís Nunes

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Educação de Jovens e Adultos - 2º ciclo Ciências Naturais Visões de mundo
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  • Aplicação prática de propriedades térmicas e análise de seu uso em construções e no cotidiano.
  • Analisar aspectos práticos em que se aplicam os princípios básicos da termologia.  
  • Relacionar o emprego de atitude técnicas com os conhecimentos de fenômenos térmicos adquiridos.
Duração das atividades
50 minutos (uma aula)
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
  • Princípios básicos de Termometria, Calorimetria e Termodinâmica.
Estratégias e recursos da aula

          Sugerimos que o professor apresente algumas fotos, figuras ou esquemas, de situações em que se aplica ou se manifesta fenômenos térmicos que muitas vezes está presente no nosso cotidiano, explicando o efeito térmico em cada caso. Para isso poderá projetar numa tela na própria sala de aulas, ou imprimir figuras, fotos e esquemas e distribuir para os alunos. A seguir apresentamos uma seqüência de figuras direcionadas a atender os objetivos propostos em conformidade ao conteúdo exposto nesta aula.

 

Atividade I

          Para a seqüência dessa atividade, o professor ao analisar cada figura, poderá pedir aos alunos que respondam oralmente cada questionamento sinalizando o desejo de se manifestar. Após ouvir cada resposta, faça as devidas críticas e comentários e encaminhe a resposta correta.

          A Figura 01 mostra uma junta de dilatação, muito comuns, sempre existentes nos trilhos de via férrea. Esses espaços vazios entre as emendas das peças de aço, são reservados para a dilatação de cada peça, conferindo flexibilidade sem comprometer a funcionalidade e a segurança do conjunto.

Pergunte: O que ocorreria em um dia e horário muito quente, temperatura mais elevada, se não tivesse a junta de dilatação?

  • Com aumento da Temperatura o trilho vai dilatar aumentando de comprimento, não havendo espaço suficiente para avançar longitudinalmente, o trilho será forçado lateralmente e curvará.

 

Aula24.Fig.01

http://www.brasilescola.com/upload/conteudo/images/espaco-deixado-propositalmente-entre-dois-segmentos-trilho-uma-ferrovia-1315316056.jpg

          Na Figura 02 ilustra as juntas de dilatação deixadas durante o assentamento de um piso de cerâmica, denominadas de junta de assentamento, são espaços deixados entre a união das peças. A largura mínima a ser observada depende principalmente do tamanho da peça do revestimento e está sempre recomendada na embalagem do produto.

          Faça a seguinte indagação: Se a cerâmica for assentada sem juntas de dilatação, o que poderá acontecer se a temperatura no local sofrer uma grande variação de temperatura?

  • A cerâmica vai se dilatar e estando suas laterais travadas, não tendo como deslocar-se, é forçada para cima e trincará.

 

Aula24.Fig.02

http://www.fazfacil.com.br/images/ref_piso_6.jpg

          Na Figura 03 temos a fotografia de cinco recipientes contendo um líquido. Nenhum deles está totalmente cheio, existe um espaço sem líquido na parte superior reservado à dilatação do líquido.

          Pergunte a eles: Quem dilata mais, os sólidos ou os líquidos?

O que poderá ocorrer se o recipiente for totalmente cheio, 100% de seu volume preenchido com o líquido, e a temperatura do conjunto for aumentada?

  • Normalmente, para mesma variação na temperatura, os líquidos dilatam bem mais que os sólidos; se necessário consulte uma tabela de dilatação térmica.

O líquido dilata mais que o sólido forçando a tampa ou estourando o recipiente

 

Aula24.Fig.03

http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRSD7BGXashV5ibBOWhvgRlPOqFVN25mFnT6TUKyPkDtZBklqiq

          Na Figura 04 está representado esquema de uma lâmina bimetálica. Uma lâmina bimetálica é constituída por duas lâminas de metais ou ligas metálicas diferentes coladas entre si. Devido à propriedade da lâmina bimetálica se curvar quando aquecida, ela é muito usada para provocar aberturas e fechamentos de circuitos elétricos, em vários dispositivos.

        Faça o seguinte encaminhamento à turma:

A lâmina bimetálica da figura é constituída de latão e invar. Ao ser aquecido ela curva ficando o ínvar para dentro da curva, veja no esquema da figura. O que se pode concluir da relação entre os coeficientes de dilatação linear do latão e do invar?

  • Depois de discutir as respostas, o professor deverá informar que sendo o arco externo da curva mais comprido, o material que o constitui deverá ter maior coeficiente de dilatação linear.

         Os coeficientes de dilatação linear do latão é 18.10-6/oC e do invar é 0,7.10-6/oC. Assim sendo, ao serem submetidas a uma mesma variação de temperatura, o latão tendo maior coeficiente de dilatação sofrerá maior aumento no seu comprimento que o invar, fazendo com que a lâmina se curve, como na figura.

 

Aula24.Fig.04

http://www.brasilescola.com/upload/e/lamina2.jpg

Atividade II

          Para essa atividade o professor poderá dividir a turma em duplas para que depois de identificado o fenômeno em cada figura, discutam entre si e em seguida encaminhe a resposta escrita para ser entregue ao professor. O professor poderá recolher as respostas, comentar algumas e repassar a resposta correta, na tela ou escrevendo na quadro.

          Para iniciar essa parte o professor deverá apresentar a Figura 05, ela contém a foto de um pássaro que está com suas penas eriçadas, arrepiado de frio. Pergunte então para os alunos:

Por que quando um pássaro está com muito frio ele fica quieto com as penas arrepiadas como na figura?

  • Com as penas eriçadas, ele retém ar parado em volta do seu corpo. O ar sendo mal condutor de calor evita que seu corpo perca muito calor para o ambiente. A condutividade térmica do ar é 0,026W/(m.K),

 

Aula24.Fig05

http://ipt.olhares.com/data/big/429/4293244.jpg

          Em seguida o professor poderá apresentar a Figura 06, que consiste de um esquema ilustrando o sistema das glândulas sudoríparas.

          Explique que nos seres humanos, o suor é uma forma de excretar dejetos de nitrogênio e também regular a temperatura do corpo, que deve ficar entre 36º C e 36,8ºC, ideal para o bom funcionamento de todos os órgãos.
         Quando a temperatura do organismo ultrapassa 37ºC, o suor age como um mecanismo de refrigeração, assim, durante um esforço físico ou se o ambiente estiver muito quente, mais suor é produzido.
          Pergunte para a turma:

Como se explica que o suor diminui a temperatura do corpo?

  • Deverão lembrar que para evaporar, um líquido precisa absorver calor. Assim o suor ao evaporar retira calor do nosso corpo, protegendo-nos de um aquecimento excessivo.

 

Aula24.Fig06

http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRpsTyI368jTvKA6mE1Azo947AvWx0eZSTgSbX6-eXdXZXJErO_

          Depois o professor deverá apresentar o esquema de uma panela de pressão, Figura 07. Ela tem uma tampa, vedada com uma argola de borracha; no centro da tampa há uma válvula, que é mantida fechada por um pino relativamente pesado, mas que pode movimentar-se para cima, permitindo a abertura da válvula; há também uma válvula de segurança, que só abre em situações extremas.

          Após estas explicações pergunte a turma:

Porque numa panela de pressão os alimentos cozinham em menos tempo do que em uma panela comum?

  • A água ferve normalmente a 100º C, ao nível do mar e num recipiente aberto. É possível, entretanto, tornar a água mais quente que 100º C aumentando a pressão sobre ela. A pressão no interior de uma panela de pressão é mantida em torno de 2 atm e com isso a água e vapores atingem temperaturas mais altas, cerca de 120ºC.

 

Aula24.Fig.07

http://www.blogmail.com.br/fotos/2010/03/atencao-com-a-panela-de-pressao.jpg

 

          Após comentários sobre a panela de pressão o professor poderá apresentar o esquema de uma garrafa térmica, conforme ilustrado na Figura 08. A garrafa térmica possui as paredes internas espelhadas, uma tampa de material de baixa condutividade térmica e parede dupla com ar rarefeito no espaço entre elas.

Após comentários sobre os constituintes da garrafa térmica, pergunte:

Explique como a garrafa térmica diminui essencialmente as perdas de calor para o meio.

  • A condução de calor para o meio é minimizada, utilizando material térmico isolante, ou seja, de baixa condutividade térmica, na parede externa e na tampa da garrafa. O espaço rarefeito entre as paredes duplas faz com que as perdas de calor para o meio, por condução e convecção, sejam acentuadamente diminuídas. As paredes espelhadas diminuem substancialmente as perdas por irradiação.

 

Aula24.Fig.08

http://mundoeducacao.uol.com.br/upload/conteudo/garrafa-termica.jpg

Atividade III

          Divida a turma em grupos de 4 elementos, por exemplo, junte duas duplas, para que analisem e tentem solucionar cada caso. Explique a figura e em seguida faça um questionamento para que os grupos discutam e encontre a solução.

          Primeiro deverá apresentar a Figura 09 que ilustra o esquema de uma geladeira. O professor deverá destacar para a turma alguns aspectos relevantes, por exemplo, que o gás na tubulação é comprimido na saída do compressor, aumentando sua temperatura na serpentina localizada atrás na geladeira onde transfere calor para o meio principalmente por irradiação. Esse mesmo gás se expande rapidamente após escapar por uma válvula na entrada do congelador que está situado na parte superior da geladeira.

Pergunte então:

Porque ao ser comprimido a temperatura do gás aumenta e porque ao se expandir sua temperatura diminui?

Porque o congelador fica sempre na parte superior da geladeira e nunca na posição inferior?

Porque a serpentina da geladeira é pintada de preto?

  • Ao ser comprimido, um trabalho está sendo realizado sobre o gás, pela primeira lei da termodinâmica a energia interna do gás aumenta e consequentemente sua temperatura; ao expandir-se, o gás realiza trabalho à custa de sua energia, então, sua energia diminui e consequentemente diminui sua temperatura.
  • Para formar uma corrente de convecção. O ar em contato com o congelador se esfria por condução, torna mais denso e desce. O ar na parte de baixo, mais leve, sobe entrando em contato com o congelador mantendo um ciclo de ar frio descendo e menos frio subindo. Se o congelador tivesse na parte inferior da geladeira, não haveria corrente de convecção, como o ar é mal condutor de calor, a parte superior da geladeira não ficaria tão fria.
  • A cor preta tem alta emissividade térmica e por isso a serpentina pintada de preto perde calor mais rapidamente do que fosse pintada com outra cor.

 

Aula24.Fig.09

http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSlWMitygFy4R984DfaPvnBULld3aOhh4FWssSZ2k3Nrkvn54YmoA

          Em seguida o professor poderá mostrar a Figura 10, que ilustra a formação de brisas em dias típicos, em regiões mais próximas do mar.

Peça que os alunos expliquem a formação de brisas à beira mar.

  • Durante um dia típico de céu claro, no fim da manhã e à tarde, o solo aquece mais que a água do mar, consequentemente o ar em contato com a terra fica mais quente, menos denso e tende a subir. O ar sobre o mar estando mais denso empurra o ar sobre a terra formando uma corrente de ar soprando do mar para a terra, brisa marinha, esquema A.

À noite, o ar sobre a terra esfria mais que o ar sobre o mar. O ar sobre o mar estando menos denso tende a subir sendo então empurrado pelo ar mais denso formando uma corrente de ar da terra para o mar, brisa terrestre, esquema B.

 

Aula24.Fig10

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/96/Diagrama_de_formacion_de_la_brisa-breeze.png/547px-Diagrama_de_formacion_de_la_brisa-breeze.png

          Depois o professor poderá apresentar a Figura 11 que ilustra as partes de um aquecedor solar. Explique resumidamente o funcionamento do aquecedor e faça a seguinte pergunta:

Porque o tubo da serpentina que recebe a energia solar deve ser pintado com cor preta?

Porque as extremidades da tubulação da serpentina são conectadas em posições de níveis diferentes no reservatório térmico?

  • A cor preta é melhor absorvedora de calor que as outras cores.
  • Para formar uma corrente de convecção, ponto mais alto no reservatório, menor pressão da água, onde o menos denso, água quente sobe, e o ponto mais baixo, maior pressão, onde o mais denso, água fria desce para a tubulação.

 

Aula24.Fig.11

http://lumoura.com.br/wp-content/uploads/2008/02/aquecimento-solar.jpg

          Por fim apresente a Figura 12, esquema de uma estufa, casa de vegetação, muito usada para desenvolver pesquisas e produção de hortaliças.

Peça que expliquem como o interior da estufa se aquece ficando com temperaturas acima da temperatura do meio onde se encontra utilizando a mesma energia do Sol que o ambiente à sua volta.

  • A radiação infravermelha vinda do Sol, de alta freqüência, menor comprimento de onda, atravessa o vidro da estufa e atinge os objetos, solo e plantas no interior dela. Parte dessa radiação é refletida passando de volta pelo vidro, não representado na figura, mas grande quantidade dessa radiação é absorvida pelos objetos que estão no interior da estufa, vasos, solo, plantas, etc. Esses também emitem radiação, como todos os corpos, segundo a equação de Stefan-Boltzmann, mas como estão a uma temperatura relativamente baixa comparada à temperatura da coroa solar, basicamente a radiação por eles emitida possuem freqüência baixa, maior comprimento de onda, que não consegue transpor o vidro, sendo retido na estufa. Assim há um balanço positivo de calor na estufa, ou seja, um aumento de calor em seu interior provocando aumento na temperatura.

 

Aula24.Fig.12

http://4.bp.blogspot.com/_qyBca1ohIi4/TLdacvacDJI/AAAAAAAAADI/7NIRvjGm9BU/s1600/estufa31.jpg

Recursos Complementares

Acesse os seguintes endereços:

 

Efeito estufa

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=33372

 

Poluição

http://pt.wikipedia.org/wiki/Polui%C3%A7%C3%A3o

 

Clima e ambiente

http://www.ipemabrasil.org.br/aquecimento%20global.htm

 

Aquecimento global

http://www.coladaweb.com/geografia/aquecimento-global

 

Mudanças ambientais globais: o efeito estufa (animação/simulação)

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=9065

 

A física e o cotidiano - Fique sabendo ! - A Geladeira (animação/simulação)

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=33233

Avaliação

          Divida a turma em grupos, quatro grupos, por exemplo, e peça aos alunos para fazerem uma pesquisa sobre o tema: Poluição do ar, efeito estufa e aquecimento global. Cada grupo deverá apresentar sua pesquisa em uma aula a ser marcada, podendo fazer uma interação interdisciplinar envolvendo química, geografia e biologia.

Opinião de quem acessou

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