Saber como ocorre as trocas de calor nos fluidos.

Representar o movimento de fluidos de diferentes temperaturas em um mesmo recipiente.  

Entender fisicamente o porque das correntes de convecção . 

Temperatura , calor.

Trocas de calor: Desenvolvimento

A.   Importância de entender como ocorre o transporte de calor nos fluidos:

Ao iniciar esta aula, ressalte a importância de entender como ocorre o transporte de calor nos fluidos:

Saber como o calor é trocado nos fluidos facilitará entender como os líquidos trocam calor, como o ar condicionado resfria o ambiente, como os alimentos se mantem frios numa geladeira. Como ocorre a oxigenação das águas num lago, como se formam os ventos. Este mecanismo de troca de calor ocorre em todos os fluidos. Ocorre no oceano, na atmosfera e até no interior de estrelas.

A principal característica da troca de calor nos fluidos é a movimentação de partículas. Nos líquidos, o calor é trocado devido ao transporte de matéria.

Veja as imagens da figura 1 e 2, onde são indicadas correntes ascendentes e descendentes em líquidos e no ar (fluidos).

Figura 1.  Correntes ascendentes e descendentes  que se formam em líquidos e gases, denominadas correntes de convecção.
Imagem obtida no endereço: http://rogeriofisica.files.wordpress.com/2010/03/corrente_conveccao.jpg

Figura 2.  Correntes ascendentes e descendentes na formação dos ventos, que fluem do litoral para o continente durante o dia, devido a diferença entre as temperaturas das superfícies sobre o oceano e sobre o continente. Os ventos são formados devido a diferença de temperatura existente entre locais. Vento forte-nuvens. Imagem obtida no endereço: http://www.aeronline.com.br/artigo/t28.jpg

B.    Hipóteses

Separe a turma em grupos de no máximo 5 alunos. Cada grupo deve anotar a respostas para as seguintes hipóteses, antes de realizar as tarefas.

1.    O calor nos fluidos é transportado instantaneamente para todo ele?

2.    Nos fluidos, o calor é passado de uma região para outra pelo deslocamento de partículas do meio?

3.    Na panela contendo líquido, a região em contato com a chama aquece e o calor flui ao longo do líquido de que maneira?

4.    A região mais quente de um fluido fica menos densa e sobe?

5.    Nos fluidos sempre existirão correntes ascendentes e descendentes?

6.    O que provoca a movimentação dos fluidos? É causada pela diferença entre os volumes, ou seja, das densidades distintas das partes quente e fria do fluido?

C.   Motivação Inicial:

Diga aos alunos que, nesta aula, será realizada uma atividade semelhante a que está no vídeo do link abaixo. Antes de iniciar as experiências, apresente o filme a seguir. Ele mostra de forma criativa e simples o deslocamento de líquidos de temperaturas distintas para sentidos opostos. Com este filme é possível levantar uma discussão sobre a convecção e motivar os alunos a realizarem as tarefas seguintes:

http://www.youtube.com/watch?v=dkZaiedR_ww

D.    Verificação da troca de calor num fluido

Para cada grupo, distribua os seguintes materiais e peça para que sigam as instruções, realizem o experimento e em seguida respondam as questões relacionadas. Peça, também, que anotem no roteiro, que deve ser entregue no início da atividade, com espaço para resposta, como segue.

D1 Material:

D 2.  Realização da atividade de troca de calor nos fluidos.

1ª Parte – Mergulhando o vidro com água gelada no aquário.

a)      Encha o béquer com água a temperatura ambiente.

b)      Prepare em um copo um pouco de água com gelo de forma que fique bem mais fria que a água do béquer.

c)       Mergulhe lentamente, para não agitar o líquido do recipiente, o vidro contendo água gelada colorida (com corante 1 - azul).

          com o dedo na tampa do vidro para que a água não saia antes de chegar ao fundo do recipiente.

d)      Ao deixar o vidro no fundo do béquer tombado, retire a mão devagar para não perturbar a água, figura 3.

Figura 3. Ilustração da inserção do recipiente transparente com o vidro contendo água gelada colorida (com corante 1). Imagem do próprio autor.

D 3. O que foi observado quando se mergulhou o vidro com água fria e corante 1.

a) Houve deslocamento da água mais fria contida inicialmente no vidrinho?...............

b) De que maneira?

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c) lustre na figura 3 acima.

d) Como se chamam as correntes de líquido formadas devido à diferença de temperatura?

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2ª parte: Mergulhando o vidro com água quente no aquário.

A)     Após ser observado como se dá o movimento das correntes de líquido ou ar frio, coloque no mesmo recipiente que contém o primeiro vidro e seu corante 1, um outro vidro contendo água quente e corante 2.

B)     Deve ser colocado lentamente e destampado somente quando estiver no fundo do recipiente.

C)     Este vidro pode ser deixado em pé, como ilustrado na figura 4.

Figura 4. Ilustração do recipiente transparente, com os vidros contendo água gelada colorida com corante 1 e o vidro contendo água quente com corante 2. Imagem do próprio autor.

 D 4. O que foi observado quando se mergulhou o vidro com água quente e corante 2.

A) Para onde se deslocou o líquido 2?

B) Ilustre na figura acima, com cores diferentes,  como ficaram os líquidos nos recipientes.

C) Qual dos líquidos tem maior densidade?....................................

D) Explique fisicamente o motivo para tal deslocamento.          
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E) Explique também, porque numa geladeira o congelador deve ser colocado na parte superior.

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E. Apresentação do resultado pelos grupos

Após a discussão das questões do experimento, peca aos grupos que nomeiem um representante para apresentar cada uma das respostas para as questões anteriores.

F. Discussão das hipóteses iniciais:

Após a realização das etapas anteriores e da apresentação dos resultados obtidos pelos grupos, peça aos alunos que retornem aos grupos e reavaliem as hipóteses iniciais.

Após a reavaliação das hipóteses pelos grupos, a análise do que foi mudado deve ser apresentada novamente, para que numa discussão coletiva seja sanadas as eventuais controvérsias, evidenciando as características do movimento de convecção que ocorre para os fluidos, como pode ser observado no esquema da figura 5.

Figura 5. Movimentação do ar. Representação que ar quente sobe e ar frio desce. Imagem obtida de: http://www.desconversa.com.br/fisica/wp-content/uploads/2009/03/arquenteargelado.jpg

 G. A chama de um forno funciona melhor se for posicionada do lado do assado ou por baixo?

G 1 Experimento de convecção com dois termômetros:

Agora que as principais habilidades sobre a troca de calor foram adquiridas, cada aluno deverá descrever a experiência proposta no vídeo a seguir.

Um experimento simples usando dois termômetros, um suporte e uma vela acesa pode exemplificar a convecção, de acordo com a figura 6.
Apresente o vídeo: http://www.youtube.com/watch?v=0V6_imnbJJQ

Figura 6. Montagem do experimento simples, usando dois termômetros, um suporte e uma vela acesa para exemplificar a convecção. Imagem obtida do vídeo: http://www.youtube.com/watch?v=0V6_imnbJJQ

G 2.  Separe para cada grupo o seguinte material :

• Dois termômetros
• Vela
• Fósforo 
• Suporte do tipo tripé

G 3. Realização da experiência do vídeo

Agora peça aos grupos, que repitam a experiência e anotem na tabela seguinte os valores observados para a temperatura nos dois termômetros 1 e 2 a cada 2 minutos.

Neste experimento, dois termômetros são posicionados equidistantes da chama, como pode ser observado na figura 6. O termômetro 1 é o colocado em cima da chama a 4 cm dela e e o outro, o termômetro 2 , deve ser posicionado a 4 cm da chama, mas ao lado dela, ou seja, esta distancia é horizontal.  A temperatura deve ser anotada na tabela abaixo a cada instante. 

G 4. Construção do Gráfico 

Após preencher a tabela, os alunos devem  construir num mesmo gráfico a temperatura de cada termômetro em função do tempo e observar o comportamento deles.  

Peça a um representante de cada grupo, para explicar para os demais colegas o que foi observado nos gráficos dos dois termômetros.

Explicando a convecção:

http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/propaga.htm#conveccao

No endereço a seguir é explicado como funciona o ar condicionado:

http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/arcondi.htm

No filme a seguir, um balão contendo gás é resfriado com nitrogênio líquido e se murcha. Logo depois ele se aquece com a temperatura do ambiente e aumenta de volume o que podemos concluir que o ar frio é mais denso, pois ocupa menor volume, pois a densidade é a razão entre a massa e o volume,  d = m/V. O filme pode ser acessado em:

http://www.youtube.com/watch?v=aqvXzpwV6OA&feature=endscreen&NR=1

Após a realização destes experimentos o aluno deve ser capaz: 

Explicar porque o  congelador de uma geladeira fica na parte superior.

Explicar porque a chama do queimar de um forno de fogão doméstico fica debaixo do tabuleiro.

Porque as diferenças de temperatura formam os ventos.