Objetivos da aula

• Compreender e relacionar os conceitos de temperatura, calor e equilíbrio térmico.
• Distinguir sensação térmica e medida de temperatura.
• Conceber os termômetros como pertencentes à classe de aparelhos que nos dão informações sobre os fenômenos inacessíveis aos nossos sentidos básicos ou fisiológicos.
• Utilizar o modelo cinético-molecular da matéria para relacionar os conceitos macroscópico e microscópico de temperatura.
• Utilizar os conceitos de calor e temperatura para relativizar as noções de “quente” e “frio”.
• Compreender o conceito de condutividade térmica e, a partir dele, distinguir condutores e isolantes térmicos.

Esta é uma atividade introdutória. Portanto, não há conhecimentos prévios necessários a sua utilização pelo professor.

Materiais:

• Cubos de gelo

• Gelo picado

• Sal

• Latas de refrigerante vazias

• Termômetro químico com escala de -10 a 110 ^oC

• Cilindro feito com cabo de vassoura e orifício adaptado à inserção do bulbo do termômetro químico.

• Cilindro de alumínio com mesmo tamanho e diâmetro do cilindro feito com cabo de vassoura e que também contém orifício adaptado à inserção do bulbo do termômetro químico

• Batatas pequenas

• Pedaços de tecido grosso, semelhante aos usados em cobertores

• Pires ou prato pequeno

Estratégias e recursos da aula

1ª Atividade – Leitura do texto de introdução que apresenta a estrutura da aula e os objetivos das atividades

Nesta aula faremos quatro atividades interligadas. Na primeira, investigaremos a função dos agasalhos em situações que envolvem corpos (ou sistemas) com temperaturas inferiores ou superiores ao ambiente que os cercam. Na segunda, procuraremos compreender as diferenças e a relação entre sensação térmica e medida de temperatura. Na terceira, lidaremos com a relatividade das noções de quente e frio. Na quarta, faremos a leitura orientada de um texto didático que reúne modelos e conceitos estruturados a partir da relação entre as noções de temperatura, calor e equilíbrio térmico.

Em termos práticos, a temperatura é uma informação dada por aparelhos conhecidos como termômetros. Os termômetros pertencem à longa lista de aparelhos que expandiram o conhecimento humano ao nos colocar além das informações que podemos obter a partir dos nossos cinco sentidos. Assim, os termômetros nos dão informações que são totalmente inacessíveis ao nosso tato. As razões que sustentam essa caracterização dos termômetros ficarão mais claras ao final das explorações propostas nesta atividade.

Em termos do modelo atômico (modelo microscópico da constituição dos materiais), a temperatura está relacionada ao nível de agitação dos átomos e/ou moléculas de um corpo. Átomos e/ou moléculas serão, a partir de agora, denominados, genericamente, como partículas. De acordo com o modelo microscópio, o aumento ou a redução da temperatura de um corpo, medidos por um termômetro, correspondem à elevação ou diminuição da energia cinética média das partículas que constituem o corpo. Reduzir a temperatura de um corpo implica em diminuir a energia cinética média de suas partículas e, portanto, transferir energia do corpo para o ambiente a sua volta. De modo simétrico, elevar a temperatura de um corpo implica em aumentar a energia cinética média de suas partículas e, portanto, transferir energia do ambiente que cerca o corpo para o próprio corpo.

O calor é a quantidade de energia transferida entre um corpo (ou um sistema) e o “ambiente” à sua volta. Esse “ambiente” pode ser outro corpo ou sistema que esteja em “contato térmico” com o corpo ou sistema que é o objeto da nossa atenção. A transferência de energia que denominamos como calor possui uma única causa: a existência de uma diferença de temperatura entre o corpo ou sistema e o ambiente com o qual ele está em “contato”. Como exemplo, suponha uma situação em que uma atendente de padaria coloque, no mesmo saquinho plástico, um pão de queijo recém-saído do forno e um frasco de iogurte recém-saído do refrigerador. Nesse caso, o pão de queijo, inicialmente com maior temperatura, perderá energia térmica (energia de agitação de suas “partículas”) e parte dessa energia será transferida, na forma de calor, para o frasco de iogurte que, inicialmente, apresentava menor temperatura. Existe uma tendência natural de que esse processo de transferência de energia, ou calor, continue até que ambos os corpos em “contato térmico” fiquem à mesma temperatura. Se essa condição de igualdade de temperaturas for atingida, deixará de existir a causa que originou o processo de transferência de energia e estará configurado um estado que denominamos como equilíbrio térmico.

Os conceitos de temperatura, calor e equilíbrio térmico compõem os fundamentos de uma importante área das ciências: a Física Térmica. Essa área estuda: (i) as características dos processos de transformação e transferência de energia associados à existência ou à criação de uma diferença de temperatura entre um sistema (como um corpo, um conjunto de corpos, o organismo de um animal, etc.) e sua vizinhança (tudo que está ao redor do sistema); (ii) os efeitos desses processos de transformação/transferência de energia sobre os corpos que deles participam e sobre os ambientes nos quais ocorrem.

A função das três atividades experimentais que iremos realizar nesta aula é a oferecer situações nas quais os conceitos de temperatura, calor e equilíbrio térmico mostrem seu valor como ferramentas para compreendermos o mundo à nossa volta.

2ª Atividade – A função dos agasalhos

1- O problema a ser investigado

Quando o clima fica mais frio, utilizamos cobertores e casacos para nosso conforto. É muito comum as pessoas explicarem a origem desse conforto com a afirmação de que os cobertores e os casacos, feitos de tecido grosso, servem para nos aquecer. Mas, será mesmo isso o que acontece? Cobertores e casacos são mesmo capazes de aquecer?

2- Procedimentos sugeridos

2.1- Peça ao professor dois cubos de gelo. Embrulhe um deles em um pedaço de tecido grosso e coloque o embrulho sobre um pires. O outro cubo deve ser colocado em outro pires, sem ser envolvido por nenhum material. Depois de ter abandonado os dois pires, em um canto da mesa, faça uma previsão sobre qual será a massa de gelo derretido nos dois pires 15 minutos depois dos cubos de gelo terem sido abandonados sobre a mesa. Não mexa nessa montagem durante esse período. Após anotar e justificar sua previsão, você e seu grupo devem realizar a tarefa proposta no item 1.3.2 apresentado a seguir.

2.2- Peça ao professor duas batatas aquecidas e de tamanho similar (mantidas em água quente a uma temperatura aproximada de 60 ^oC). Embrulhe uma das batatas em um pedaço de tecido grosso e coloque o embrulho sobre um pires. A outra batata deve ser colocada em outro pires, sem ser envolvida por nenhum material. Depois de ter abandonado os dois pires com as batatas sobre um canto da mesa oposto àquele no qual foram colocados os pedaços de gelo, faça uma previsão sobre qual será a temperatura das batatas, após um período aproximado de 12 minutos. Após anotar e justificar sua previsão, você e seu grupo devem avançar para a Exploração 2 proposta a seguir, enquanto aguardam o tempo necessário à observação das diferenças de temperatura os cubos de gelo e as batatas. É preciso ficar de olho no relógio e interromper a realização da Exploração 2 quando houver terminado o tempo estipulado para se realizar a comparação do estado dos cubos de gelo e das batatas. Quando esse período de tempo houver terminado:

(i) interrompa o que estiver fazendo, desembrulhe o gelo que havia sido envolvido pelo tecido e compare o estado dos cubos de gelo e avalie se sua previsão foi adequada; (ii) desembrulhe a batata que havia sido envolvida pelo tecido e compare as temperaturas das batatas para avaliar se sua previsão foi adequada; (iii) responda às duas questões propostas no item 1.4, a seguir, que o ajudarão a interpretar melhor os resultados.

3- Interpretando os resultados

3.1- Seria possível afirmar que o tecido grosso exerceu a mesma função nas duas experiências nas quais utilizamos blocos de gelo e batatas quentes? Justifique sua resposta.

3.2- As duas experiências realizadas permitem-nos afirmar que, realmente, os cobertores e os agasalhos aquecem os corpos das pessoas que os utilizam? Justifique sua resposta.

3ª Atividade – Sensação térmica e medida de temperatura

Nesta exploração usaremos dois cilindros de mesmo volume: um deles de madeira e o outro de alumínio. Em ambos os cilindros, há um orifício que permite a introdução do bulbo de um termômetro. Quando vocês receberem os cilindros do professor: (i) ambos estarão embrulhados em uma mesma toalha de papel, tendo permanecido nessa situação por um bom tempo; (ii) o papel deverá ser usada, inicialmente, para que você não toque com as mãos nos cilindros, transferindo calor de suas mãos para os mesmos. Tomando essa precaução inicial, realize as ações descritas a seguir:

1- Sem tocar com as mãos nos cilindros, insira o bulbo do termômetro no interior de cada cilindro e meça a temperatura apresentada por cada um. Em seguida, retire o papel, toque em cada cilindro com as mãos e verifique se a sensação térmica proporcionada pelo tato e a medida da temperatura dos cilindros feita com o termômetro fornecem informações coerentes entre si?

2- Após utilizar o tato para que seu organismo produza uma sensação térmica no contato com os cilindros, insira o bulbo do termômetro no interior do cilindro de alumínio. Observe, atentamente, se, durante um intervalo de tempo de 4 minutos, há alguma variação na leitura da temperatura medida pelo termômetro e na sensação térmica proporcionada pelo tato.

3- Repita o procedimento anterior para o caso do cilindro feito de madeira. Compare e tente interpretar as diferenças nas observações realizadas durante a interação de suas mãos com os cilindros de alumínio e madeira.

4ª Atividade – Relatividade das noções de quente e frio

Um dos efeitos da variação de temperatura é a variação do volume ocupado por um corpo. Esse efeito é mais perceptível para corpos no estado líquido ou gasoso. Tal efeito é utilizado nos termômetros convencionais cujo funcionamento é baseado na dilatação e na contração de um líquido contido em um tubo capilar (isto é, um tubo com diâmetro interno equivalente ao diâmetro de um fio de cabelo). Quando esse tipo de termômetro entra em contato com um sistema cuja temperatura é superior àquela que o próprio termômetro apresenta, momentaneamente, o líquido contido no interior desse aparelho sofre uma dilatação. Por outro lado, quando o contato do termômetro é feito com um sistema cuja temperatura é inferior àquela apresentada, momentaneamente, pelo termômetro, o líquido contido no interior do bulbo do aparelho sofre uma contração.

Levando essas informações em consideração, realize as operações descritas a seguir. Lembre-se de não manusear as latas diretamente com as mãos.

1- Insira o termômetro no interior de uma lata de alumínio contendo uma mistura de gelo picado + sal. Avalie, com o auxílio do termômetro, a temperatura desse sistema.

2- Retire o termômetro do interior da lata que contém gelo picado + sal e insira-o, rapidamente, no interior de outra lata que contém gelo flutuando na água líquida. Nessa ocasião, observe atentamente o que acontece com o líquido contido no tubo capilar que constitui o termômetro. Seria correto dizer que o gelo flutuando na água líquida fornece calor ao termômetro recém-retirado do recipiente contendo gelo picado + sal. Justifique seu ponto de vista.

3- Após algum tempo, observe a superfície exterior das duas latas. Note que em uma delas há gotículas de água, enquanto na outra se formou uma fina camada de gelo. Levando em consideração os valores de temperatura dos sistemas contidos no interior das duas latas, tente explicar porque na parte de fora de uma delas há água no estado líquido, enquanto na outra há água no estado sólido.

5ª Atividade – Leitura orientada do texto Transportando o calor

Por meio de um projeto do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, financiado pela Fundação Vitae, foi criado o texto didático Leituras de Física do GREF. Esse material tem distribuição gratuita e autorizada por seus autores, desde que citada a fonte. Ele pode ser encontrado no endereço http://www.if.usp.br/gref/pagina01.html. No link http://www.if.usp.br/gref/termo/termo2.pdf está disponível o texto cuja leitura é solicitada nesta atividade da aula. Trata-se do Cap. 09 Transportando o calor, que pertence ao fascículo Física Térmica 2.

Leia o texto com atenção e marque todas as passagens que estiverem relacionadas aos experimentos realizados nas atividades propostas, anteriormente, nesta aula.

Sugestões de links

1. Portal público criado para difundir o uso de atividades práticas na educação em ciências e para promover a divulgação científica. http://pontociencia.org.br/
2. Site criado pelo autor desta aula para permitir o acesso de seus estudantes a materiais criados para dar suporte ao ensino e à aprendizagem da Física. https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/
3. Transmissão de calor. Experimento prático: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/7916
4. Condução de calor. Experimento prático: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/3208
5. Condução térmica em metais: parte 1: experimento prático. http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/16635
6. Propagação de calor por irradiação. Experimento prático: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/5279
7. Irradiação Térmica. Experimento prático: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/3209
8. Propagação de calor por convecção – 1. Experimento prático: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/5280
9. Propagação de calor por convecção – 2. Experimento prático: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/5449
10. Mago da Física - Propagação de Calor: Convecção. Vídeo: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/16950
11. Transferência de calor e equilíbrio térmico. Experimento prático: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/8924

A avaliação deve ser consistente com o que propõem os objetivos de aprendizagem descritos no item “O que o aluno poderá aprender com esta aula”. Alguns exercícios de lápis e papel similares aos que apresentamos a seguir podem ser usados tanto para transferir a responsabilidade aos estudantes pelo uso dos conhecimentos construídos ao longo da aula, quanto para identificar eventuais dificuldades de compreensão dos conceitos e relações que estruturam a atividade.

Questões:

Questão 1

Num dia com temperaturas baixas, é possível verificar que a parte de metal do guidom de uma bicicleta parece estar mais fria do que a parte de plástico. No entanto, medindo a temperatura desses materiais com um termômetro, encontramos o mesmo valor. Explique por que razão existe essa contradição entre a indicação do termômetro e as sensações térmicas que temos ao tocar nesses dois materiais?

Questão 2

Existe uma temperatura na qual um bloco não nos parecerá nem quente nem frio quando o tocarmos com a mão. Isso acontecerá independentemente do bloco ser feito de madeira ou de metal. Que temperatura será essa?

Questão 3

Sabemosqueuma pessoa sadia possui a temperatura média de seus órgãos internos por volta de 36,5 ºC. Em um dia frio, a temperatura ambienteé bem menor do que esse valor. Se é verdade que a energia tende a fluir dos corpos de maior temperatura para os corpos de menor temperatura, como é que os órgãos internos de nosso corpo se mantêm com uma temperatura estável, e acima da temperatura ambiente, em um dia com baixas temperaturas?

Questão 4

Existe um experimento simples com um resultado curioso (seu professor poderá fazer esse experimento, em sala de aula): se aproximarmos a chama de uma vela de um pedaço de papel, a chama irá transferir energia (calor) para o papel, fazendo com que ele atinja sua temperatura de combustão, igual a 184 ^oC; todavia, se o papel for colocado em contato com uma superfície metálica, como a de uma latinha de alumínio vazia, ele não conseguirá atingir a temperatura de combustão e, assim, não se queimará. É possível explicar esse curioso resultado sabendo que o alumínio possui alta condutividade térmica? Justifique sua resposta.

Questão 5

Suponhaque você esteja fazendo doce em uma panela sobre o fogão, mexendo o doce durante um longo período de tempo.

a)     Para mexermos doce numa panela, durante um tempo longo, é melhor usar colher de madeira ou de alumínio? Por quê?

b)    O que acontece se a colher for de alumínio e o cabo de plástico? Por quê?

Questão 6

A seção “Fontes e trocas de calor” do texto, cuja leitura foi proposta na 5ª atividade realizada nesta aula, apresenta um modelo microscópico para o processo de condução de calor através de materiais sólidos. Utilize esse modelo e considere, novamente, uma situação na qual você esteja fazendo doce em uma panela sobre o fogão, mexendo o doce durante um longo período de tempo.Nesse caso, qual é a melhor opção de haste para a colher: curta e grossa ou fina e comprida? Justifique sua resposta.

Questão 7

Colocamosgelo a 0 ^oC no interior de uma lata de alumínio. Observamos, em seguida, a formação de gotículas de água do lado de fora da lata. Analisando essa situação, responda as questões a seguir.

a)     De onde vem a água que surge do lado de fora da lata?

b)    É correto dizer que a água que surge do lado de fora da lata transfere calor para a lata e ajuda a derreter o gelo?

c)     Supondo que a exista muito gelo no interior da lata, qual deve ser a temperatura da água que surge do lado de fora da lata após alguns minutos?

Questão 8

No interior de uma lata de alumínio,colocamosuma mistura de gelo + sal, que atinge uma temperatura de
-15 ^oC (quinze graus negativos). Observamos, em seguida, a formação de uma crosta de gelo no lado de fora da lata. Analisando essa situação, responda as questões a seguir.

a)     O que acontece com o vapor de água, inicialmente misturado ao ar presente no ambiente, quando esse vapor entra em contato com a superfície gelada da lata?

b)    Quando a água condensada no lado de fora da lata atinge a temperatura de solidificação (0 ^oC), ela entra em equilíbrio térmico com a mistura de gelo + sal presente no interior da lata?

c)     É correto dizer que durante a solidificação da água depositada do lado de fora da lata ocorre transferência de energia ou calor para a mistura de gelo + sal presente no interior da lata?