Objetivos da aula

• Compreender e relacionar os conceitos de temperatura, calor e equilíbrio térmico.
• Utilizar o modelo cinético-molecular da matéria para relacionar os conceitos macroscópico e microscópico de temperatura.
• Compreender a necessidade de que os experimentos, nas ciências, sejam realizados sob condições controladas.
• Comparar a energia necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius (Joules/grama.^oC) com a energia necessária para produzir o mesmo efeito em 1 grama de óleo e, desta forma, aprender o significado do conceito de calor específico.
• Aprender a planejar experimentos para responder questões necessárias à compreensão e interpretação de fenômenos térmicos.
• Medir a potência de um aquecedor elétrico a partir da energia transferida, por meio do calor, para uma determinada massa de água.
• Produzir gráficos de “temperatura x tempo” e utilizar esses gráficos para interpretar e compreender fenômenos térmicos.

Esta aula foi concebida e utilizada em turmas do 1º ano do Ensino Médio pelo mesmo autor da aula “Introdução à Física Térmica”. A aula que você está acessando agora dá continuidade àquela aula.

Materiais:

• Uma chapa térmica

• Uma balança

• Duas vasilhas idênticas

• Água e óleo

• Um ebulidor

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

• Um cronômetro (relógio ou telefone celular)

Estratégias e recursos da aula

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

Nesta aula, faremos duas atividades que contribuirão para um entendimento mais sofisticado dos conceitos de temperatura, calor e equilíbrio térmico. Na primeira, iremos comparar a variação de temperatura sofrida por dois béqueres contendo massas iguais de água e de óleo que receberão a mesma quantidade de energia proveniente de uma chapa térmica. Na segunda, acompanharemos o processo de aquecimento e a ebulição de uma massa de água no interior da qual será imerso um ebulidor.

Faz parte da evolução do nosso entendimento em qualquer área do conhecimento aprender a diferenciar ideias que, a princípio, nos pareciam muito semelhantes ou mesmo equivalentes. Assim, para aprender Mecânica precisamos entender as diferenças entre os conceitos de força e energia, ou entre os conceitos de velocidade e aceleração. De modo semelhante, para aprender Física Térmica precisamos aprender as diferenças e as relações entre os conceitos de temperatura, calor e equilíbrio térmico. Nos parágrafos a seguir, apresentaremos definições para esses três conceitos. Contudo, embora a apresentação de definições para conceitos seja algo importante, apenas a utilização dos conceitos para raciocinar e interpretar situações concretas conduz a uma aprendizagem verdadeira.

Definição de temperatura:

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.

Definição de calor e de equilíbrio térmico:

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.

2ª Atividade – Transferência de calor e aquecimento diferenciado

NÃO BRINQUE COM RECIPIENTES CONTENDO MATERIAL AQUECIDO

E NÃO CONECTE EBULIDORES À TENSÃO ELÉTRICA SE ELES NÃO ESTIVEREM PREVIAMENTE IMERSOS NA ÁGUA!

Quem lida com cozinha sabe que uma vasilha contendo óleo de cozinha se aquece mais depressa do que outra contendo água. Como as quantidades de óleo e água colocadas para aquecer são, normalmente, bem diferentes e como os recipientes usados no aquecimento também são diferentes, não é muito seguro apresentar uma explicação para o aquecimento mais rápido do óleo em relação à água. Nessa exploração, vamos fazer um experimento sob condições controladas, colocando massas iguais de água e de óleo em recipientes idênticos que deverão ser colocados sucessivamente em uma mesma chapa térmica que ficará ligada, exatamente, por um mesmo intervalo de tempo. Planeje o experimento concebendo os procedimentos de medida e de registro dos dados; apresente esse planejamento ao professor, antes de realizá-lo; por fim, faça o experimento e registre seus resultados. Para interpretar esses resultados, discuta com seu grupo as questões a seguir.

a)     Considerando que a tensão (voltagem) da rede elétrica não sofre variações significativas durante o experimento e que a chapa térmica utilizada é a mesma nos dois processos de aquecimento, bem como que os recipientes usados para conter os dois líquidos são idênticos, você diria que as massas de água e de óleo receberam a mesma energia da chapa térmica nos dois processos?

b)    Considerando que as massas de água e de óleo são as mesmas, você diria que a energia necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius (Joules/grama.^oC) é igual à energia necessária para elevar a temperatura de 1 grama de óleo em 1 grau Celsius?

3ª Atividade – Estudo do processo de aquecimento da água e medida da energia necessária à vaporização durante a ebulição

Ao estudar os circuitos elétricos, aprendemos que a potência de um aparelho elétrico, tal como um ebulidor, pode ser determinada pela expressão:

P(medida em Watts) = V (medido em Volts) vezes i (medida em ampères)
[ou P = V . i] (Equação 1)

Essa expressão pode ser usada para determinar a potência elétrica P do ebulidor, caso saibamos o valor da tensão V aplicada ao aparelho, bem como o valor da corrente elétrica i que circula em seu interior.

Mas, existe outro modo de determinar a potência elétrica de um ebulidor, que parte da definição geral de potência:

P(medida em Watts) = Energia (E medida em Joules) dividida por tempo (∆t,medido em segundos)
[ou P = E / ∆t] (Equação 2)

Para usar essa expressão mais geral, no experimento que faremos agora, vamos inserir um ebulidor em uma massa de água conhecida e usar o ebulidor para aquecer a água. A energia transferida pelo ebulidor para a água poderá ser determinada a partir da variação da temperatura da água, a partir da expressão matemática:

E= 4,18.m.∆T (Equação 3)

onde E é a quantidade de energia transmitida à água (em Joules); m é a massa de água (em gramas);
∆T (com T maiúsculo) é a variação de temperatura sofrida pela água (em graus Celsius).

Deixando a água aquecer em virtude do calor transferido pelo ebulidor, você e seu grupo deverão construir um gráfico do aquecimento da água, no qual o tempo de aquecimento será colocado no eixo x, enquanto a temperatura da água será colocada no eixo y. Com o auxílio desse gráfico, vocês poderão obter as informações necessárias à determinação da potência elétrica do ebulidor disponível em sua mesa, a partir das equações 2 e 3 apresentadas acima.

Mas, essa não será a única utilidade do gráfico “temperatura x tempo”, neste experimento. O gráfico também poderá ajudar você a entender melhor como é o processo de aquecimento da água e o que acontece com a temperatura da água, quando ela atinge o ponto de ebulição, bem como enquanto ela permanece, por algum tempo, no processo de ebulição.

Um cuidado que facilitará muito o tratamento posterior de análise dos dados obtidos com o gráfico é o de deixar a água permanecer em ebulição por um intervalo de tempo igual àquele que foi necessário para aquecê-la da temperatura ambiente até a temperatura de ebulição. Mais adiante, quando você for utilizar os dados organizados no gráfico para medir a potência do aquecedor elétrico, será possível compreender porque essa recomendação é muito importante.

Observando essa recomendação, utilize desenhos e palavras para planejar, junto ao seu grupo, quais devem ser os procedimentos de medida e como serão registrados os dados necessários à confecção do gráfico “temperatura x tempo” do processo de aquecimento e ebulição da água. Mostre o planejamento ao professor e execute-o em seguida, de forma a confeccionar o gráfico. 

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

Utilize as equações apresentadas nesta exploração e os dados do gráfico “temperatura x tempo” para determinar quantos Joules por segundo (isto é, quantos Watts), o ebulidor transfere para a água durante o processo de aquecimento da água.

Questão 2

O que acontece com a energia transferida pelo ebulidor para a água, enquanto persiste o processo de ebulição?

Questão 3

Durante a ebulição, parte da água anteriormente existente no estado líquido muda de fase e passa a se apresentar no estado de vapor. Com as medidas realizadas, determine quanta energia foi utilizada para transformar 1 grama de água no estado líquido em 1 grama de água no estado de vapor.

Questão 4

A medida da energia necessária para transformar 1 grama de água no estado líquido em 1 grama de água no estado de vapor é conhecida como “calor latente de vaporização da água”. Senão souber o significado da palavra latente, consulte um dicionário e apresente possíveis razões que levaram os cientistas a denominar essa medida com essa palavra.

Questão 5

Nas instruções dadas ao seu grupo antes da elaboração do gráfico de aquecimento e ebulição da água você foi instruído a deixar a água permanecer em ebulição por um intervalo de tempo igual àquele que foi necessário para aquecê-la da temperatura ambiente até a temperatura de ebulição. Qual foi a importância dessa recomendação no experimento que você acabou de realizar?