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Tomando banho com a Física

 

16/09/2008

Autor e Coautor(es)
Jefferson Adriany Ribeiro da Cunha
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BRASILIA - DF Universidade de Brasília

José Eduardo Martins

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
• Compreender o conceito de calor específico. • Verificar como a variação de temperatura está relacionada à quantidade de calor retirada ou fornecida em um sistema.
Duração das atividades
Uma aula de 50 minutos.
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
Conhecimento sobre capacidade térmica.
Estratégias e recursos da aula

Desenvolvimento da atividade

Motivação / Introdução: (10 minutos)

Como argumento motivador, o professor pode começar a aula colocando a seguinte questão para os seus estudantes: qual a quantidade de água quente a 80° graus Celsius, deve ser acrescentada a uma segunda quantidade, fria, a 20° graus Celsius, para termos água adequada para o banho a 30° graus Celsius?

Trabalhando a teoria no quadro: (20 minutos)

De aulas anteriores, vimos que a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de um corpo é dada pela relação:

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/374/imagens/eq1_23.png(1)

Onde C é a capacidade térmica do corpo e  http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/374/imagens/eq2_23.png é a variação de temperatura sofrida neste processo. Como sabemos, a capacidade térmica é dada por J/K. Da relação (1) vemos que esta grandeza vai depender da quantidade de massa de cada corpo. Para termos o mesmo aumento de temperatura de duas massas diferentes de água, que estão à mesma temperatura, notamos que teremos que gastar calorias a mais com a massa maior. Ou seja, esta massa tem uma capacidade térmica maior, ela ganha mais calorias. Assim, vemos que C depende tanto do tipo de elemento que compõem o corpo, quanto da massa deste corpo. Corpos de materiais diferentes, mas mesmas massas terão capacidades térmicas diferentes. E corpos de mesmo material e massas diferentes, terão também capacidades térmicas diferentes. Desta argumentação, notamos então que se esta propriedade independesse das massas dos corpos, ela poderia ser utilizada para caracterizar o tipo de material que constitui estes corpos. Se dividirmos então a capacidade térmica pela massa de cada corpo, poderemos trabalhar com uma grandeza constante para cada material. Tomando c como a razão entre a capacidade térmica pela massa teremos,

 http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/374/imagens/eq3_23.png(2)

Esta propriedade rec ebe o nome de calor específico e mede a quantidade de calor necessária para variarmos a temperatura de um determinado corpo com massa de 1kg em 1K. Desta forma, a equação (1) pode ser dada por

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/374/imagens/eq4_23.png(3)

Nesta equação, o calor específico é dado nas unidades de J/kgK.
Para que nossa revisão teórica fique completa, devemos recordar de alguns princípios da calorimetria:

1. Princípios das transformações inversas: Em um sistema fechado, a quantidade de calor que um corpo recebe é igual em módulo à quantidade de calor cedida por um outro corpo do sistema.
2. Princípio do Equilíbrio Térmico: Nas trocas de calor entre corpos com temperaturas diferentes, alguns corpos vão perder calor enquanto que outros vão ganhar, de tal forma que no decorrer de certo tempo eles estarão com a mesma temperatura. Esta temperatura é chamada de temperatura de equilíbrio.
3. Princípio da Igualdade das Trocas de Calor: Durante as trocas de calor entre corpos em um sistema fechado, a soma das quantidades de calor em um processo de variação de temperatura é sempre nula. Ou seja, alguns corpos ganham calor e elevam suas temperaturas enquanto que outros perdem e diminuem suas temperaturas, de tal forma que a energia térmica é sempre constante.

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/374/imagens/eq5_23.png(4)

Proposta de atividade: (20 minutos)

Nesta atividade, na sala de informática, vamos propor que cada grupo entre na seguinte simulação:
 

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/374/imagens/fig1_23.png

Acessando a simulação acima, os estudantes vão utilizar a teoria aprendida na sala para solucionar o problema colocado para eles. Temos que descobrir qual a quantidade de água quente a 80° graus Celsius, deve ser acrescentada a uma segunda quantidade, fria, a 20° graus Celsius, para termos água adequada para o banho a 30° graus Celsius. Neste problema, vamos utilizar a equação (3), juntamente com o princípio das igualdades das trocas de calor, para solucionarmos este problema. Mãos a obra e boa sorte!!
 

Recursos Complementares
Em uma banheira: http://www.labvirt.fe.usp.br/simulacoes/fisica/sim_calor_banhogianne.htm Descobriremos neste aplicativo, qual a quantidade de água fria deve ser adicionada à água quente, para termos água morna para o banho.
Avaliação
Para avaliarmos o desempenho dos estudantes nesta atividade, podemos passar mais alguns problemas semelhantes à simulação desta aula, para que eles possam resolver.
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  • Cinco estrelas 7/8 - 87.5%
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