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Corpo humano e energia

 

21/06/2012

Autor e Coautor(es)
José Higino Dias Filho
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MONTES CLAROS - MG Universidade Estadual de Montes Claros

Edson Luis Nunes, Daniel Rodrigues Ventura, Emerich Michel de Souza, José Angelo de Faria

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Equipamentos elétricos e telecomunicações
Educação Profissional Controle e Processos Industriais Técnico em Eletromecânica
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Educação Profissional Controle e Processos Industriais Técnico em Eletroeletrônica
Ensino Fundamental Final Ciências Naturais Tecnologia e sociedade
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  • Como a linguagem da Física é útil à compreensão dos processos energéticos referentes ao corpo humano.
  • Como a discussão sobre obtenção e consumo de energia pelo corpo humano está relacionada à percepção e à eventual revisão dos hábitos e das preferências alimentares.
Duração das atividades
50 minutos
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
  • energia e potência
  • unidades de medida de energia: joule e caloria e múltiplos destas
Estratégias e recursos da aula

O professor dividirá a turma em grupos de, no máximo, 5 estudantes. As atividades deverão ser realizadas num laboratório de Física, observando orientações de segurança. Além dos materiais indicados, serão utilizados recursos multimídia (computador conectado à internet, projetor multimídia e caixas de som), para a apresentação de materiais que darão base à discussão de conceitos.

O professor iniciará as atividades destacando que o objetivo é ampliar o entendimento de como a linguagem da Física é usada na descrição e na compreensão dos fenômenos energéticos referentes ao corpo humano.

Observação importante: o material indicado em cada atividade é suficiente para 1 (um) grupo de alunos.

 

Atividade 1. Energia dos alimentos

Nesta atividade, é estimado o conteúdo energético de uma porção de óleo usado na alimentação humana. Os resultados dão base a uma discussão sobre a relação entre alimentação e fornecimento energia para nossas atividades cotidianas.

Atenção: apresentar aos estudantes instruções de segurança e monitorar com cuidado sua atividade, uma vez que eles trabalharão com fósforos, líquido inflamável e água quente.

Material

- 5 ml de óleo vegetal alimentício

- um recipiente metálico pequeno para a queima do óleo (*)

- 1000 ml de água

- um vasilhame de alumínio com suporte para aquecimento da água

- um termômetro com escala de 0 a 100 ºC

- um cronômetro

- fósforos

(*) pode ser usada uma colher de sopa, desde que o cabo possua isolamento térmico. Outra opção é a concavidade do fundo de uma lata de refrigerante (ver imagem a seguir).

 

fogareiro de lata

Fig. 1 - Improvisando superfície metálica para queima de óleo com fundo de lata de refrigerante.  Fonte: http://i.ytimg.com/vi/wJNRbRkuKVA/0.jpg (acesso em 19/05/2012)

 

Procedimento

Posicionar o recipiente com o óleo sob o vasilhame com a água. Pôr fogo no óleo, para aquecer a água. Medir a temperatura da água antes do aquecimento e ao final deste, quando todo o óleo tiver sido queimado. Cronometrar o processo e anotar o intervalo de tempo gasto na combustão do óleo.

O vasilhame de alumínio funciona como calorímetro. Em primeira aproximação, a energia liberada pela queima do óleo pode ser estimada como aquela que foi assimilada pela água ao aquecer-se.

E5 ml óleo = ΔQágua = (m.c)água ΔT

Em segunda aproximação, pode ser levado em conta o aquecimento do vasilhame de alumínio, que é igual ao da massa d’água.

E5 ml óleo’ = ΔQ(água + alumínio) = [(m.c)água + (m.c)alumínio] ΔT

Para efetuar esses cálculos, será necessário medir a massa do copo de alumínio seco (ou conhecê-la previamente) e levar em conta que 1000 ml de água correspondem a 1000 g.

É importante considerar que há perdas de energia, devidas ao não isolamento do vasilhame de alumínio. Parte da energia liberada pela queima do óleo vai, por exemplo, para o aquecimento do ar em torno do vasilhame. Este e a massa d’água também perdem certa quantidade de energia para o ar. Com isso, o resultado obtido em qualquer das aproximações será subdimensionado, ou seja, determinado “para menos”.

Além disso, como as condições do experimento variam ligeiramente entres os grupos de alunos, é muito provável que os valores encontrados também variem um pouco de um grupo para outro.

O resultado pode ser comparado com o valor de referência fornecido na tabela nutricional presente no frasco do óleo usado no experimento. A tabela nutricional provavelmente apresentará o valor de referência com base numa porção significativa em termos de culinária — tipicamente, o volume contido em 1 colher de sopa. A comparação poderá ser feita para uma porção unitária de um mililitro. Uma simples proporcionalidade possibilitará obter esse valor, tanto para a energia medida no experimento quanto para aquela verificada na embalagem.

Entendidas as causas de eventuais diferenças de valor, o professor pode discutir com a turma o fato de o conteúdo energético dos alimentos ser representado nas mesmas unidades usadas na abordagem de assuntos de Física mais conhecidos dos alunos: kcal ou kJ. Nessa discussão, podem ser analisadas tabelas nutricionais de alguns outros alimentos.

Convém também fazer observar alguns outros pontos:

- um procedimento análogo é usado para determinar o conteúdo energético de outros alimentos. Entretanto, a combustão pode exigir tratamentos e/ou condições especiais. Por exemplo, arroz em grão não entraria em combustão nas mesmas condições nas quais o óleo de cozinha foi queimado.

- Tabelas nutricionais podem trazer a quantidade de energia expressa na “grande caloria”, ou Cal (com “c” maiúsculo), que equivale ao kcal.

- No corpo humano, a liberação da energia dos alimentos não ocorre por meio de uma combustão comum. Os alunos podem buscar a orientação de professores da área de Biologia para entender melhor qual é o processo químico envolvido nessa liberação.

 

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

1. Você e seus colegas encontraram um valor próximo ao de referência para a energia liberada por 1 ml de óleo? O que poderia explicar eventuais diferenças?

2. Pesquise e compare o conteúdo energético de alguns tipos de óleos alimentícios. Compare-os com os de outros alimentos com menor teor de gordura.

3. No corpo humano, a liberação da energia dos alimentos não ocorre por meio de uma combustão comum. Qual seria o problema se isso ocorresse?

 

Atividade 2. Energia, potência e atividades cotidianas

Uma vez estimada a quantidade de energia liberada na queima do óleo e medido o tempo envolvido, é possível determinar a potência associada ao processo:

P = E/Δt.

Se a energia for dada em joule (J) e o intervalo de tempo, em segundos (s), a potência será dada em watt (W).

Em nossas atividades cotidianas, também consumimos, ao longo do tempo, a energia, retirada dos alimentos. Considerando o consumo médio diário de energia de uma pessoa adulta igual a 2500 kcal, é possível determinar a potência média envolvida em suas atividades.

O professor pedirá aos alunos que obtenham essa potência em watts. Para tanto, é necessário expressar em joules a quantidade de energia em questão, levando em conta que

1 cal = 4,186 J.

Com isso,

1 kcal = 1000 cal = 4.186 J.

O professor pode estimular os alunos a trabalharem com fatores de conversão de unidades.

2500 kcal = 2500 kcal x (4.186 J/kcal) = 10.465.000 J

O tempo envolvido é o intervalo de 24 horas correspondente a um dia, expresso em segundos. Também aqui, é instrutivo que o professor proponha aos alunos trabalharem com fatores de conversão:

24 h = 24 h x (60 min/h) x (60 s/min) = 86.400 s.

Esses resultados parciais levam ao seguinte resultado final, que os alunos podem obter facilmente:

P = 121,12 W.

Assim, a potência média consumida nas atividades cotidianas de um ser humano adulto equivale, aproximadamente, à de duas lâmpadas de 60 W, de uso corrente em nossas residências.

Estudos apontam que o coração responde por cerca de 10% desse consumo, ou seja, uns 12 W, enquanto o cérebro gasta uns 20%, consumindo cerca de 24 W.

 

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

1. Com que outros equipamentos elétricos pode ser comparado o corpo humano, em termos da potência consumida?

2. O que ocorre se fornecermos ao corpo uma quantidade de energia maior do que a utilizada nas atividades diárias?

3. Como seria possível calcular a potência extra necessária à realização de trabalho externo pelo corpo, como ocorre no caso da subida de uma escada?

 

Atividade 3. Nem só de energia vive o ser humano...

A energia disponível nos alimentos provém do Sol, de modo praticamente exclusivo. A luz do Sol chega à superfície da Terra com uma potência típica de 1 kW/m2. Se a energia contida nessa luz pudesse ser integralmente convertida em energia elétrica, ela seria suficiente para manter funcionando um ferro de passar roupas.

Em nosso mundo tecnológico, essa energia pode ser parcialmente captada por meio de aquecedores solares ou de células fotovoltaicas, por exemplo. Já no mundo natural, essa energia é parcialmente captada pelas plantas. Muitas delas armazenam energia em substâncias que servem de alimento para outras espécies. Dessa forma é que a energia vinda do sol é introduzida na cadeia alimentar e chega até nós, humanos.

Procedimento

O professor pedirá a cada grupo de alunos que, a partir de uma consulta prévia a tabelas nutricionais de embalagens de alimentos, monte um cardápio com as refeições para um dia inteiro, procurando compor tipos e quantidades de alimentos de modo a garantir o fornecimento de 2.500 kcal de energia.

Porém, é importante lembrar que nossa alimentação deve não apenas suprir a energia necessária para manter as atividades que realizamos. Precisa também fornecer uma quantidade de nutrientes que contribuem para manter em condições normais o complexo funcionamento do corpo. A pirâmide alimentar representa graficamente as categorias de alimentos de que precisamos — energéticos, reguladores, construtores e energéticos extras — e indica as quantidades relativas que é necessário consumir numa alimentação equilibrada.

 

Pirâmide Alimentar

Fig. 2 - Pirâmide alimentar.      Fonte: http://www.weblaranja.com/nutricao/piramide_alimentar.htm  (acesso em 19/05/2012)

 

A página a seguir pode ser apresentada pelo professor, de modo sucinto, e sugerida aos alunos, para leitura mais completa, posteriormente.

http://www.sonutricao.com.br/conteudo/alimentacao/index.php

Feitas uma apresentação e uma discussão sucintas da pirâmide alimentar, o professor pedirá que cada grupo de alunos faça a adequação do cardápio elaborado anteriormente, tendo agora por base na orientação contida na pirâmide.

Uma comparação entre o primeiro e o segundo cardápios de cada grupo será realizada, numa discussão sobre as preferências e os hábitos alimentares dos alunos. Uma questão básica a considerar é se estão adequados à orientação sintetizada na pirâmide ou se precisariam de alguma revisão.

 

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

1. No dia-a-dia, você recebe estímulos e sugestões que apontam para uma alimentação adequada às orientações resumidas na pirâmide alimentar? Como lidar com esses fatores?

2. Seus hábitos e preferências alimentares pessoais são adequados à pirâmide alimentar ou precisariam de alguma adaptação significativa?

3. Quais são os benefícios de uma alimentação mais adequada a essas orientações e quais os principais problemas causados por uma inadequação mais acentuada? Busque informações sobre o assunto e discuta a sua realidade pessoal.

Recursos Complementares

Aula de Física sobre o tema com informações adicionais:http://axpfep1.if.usp.br/~otaviano/energianocorpohumano.html#_edn2   

(acesso: 20 maio 2012.)

Avaliação

Os estudantes podem se beneficiar de uma atividade avaliativa baseada numa pesquisa, seguida de debate, sobre a progressiva ampliação do acesso a alimentos no Brasil e o fenômeno paralelo do aumento da parcela da população com tendência a obesidade.

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