Objetivos da aula

• Compreender e relacionar os conceitos de temperatura, calor e equilíbrio térmico.
• Identificar Calor e Trabalho como medidas da energia transferida ou transformada em determinados processos.
• Produzir gráficos de “temperatura x tempo” e utilizar esses gráficos para interpretar e compreender fenômenos térmicos.
• Relacionar a diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança com a taxa de calor entre eles (Lei de resfriamento de Newton)
• Relacionar a intensidade das sensações de frio ou calor com a diferença de temperatura entre nosso corpo e a vizinhança à nossa volta.
• Medir a energia térmica transferida entre um sistema e sua vizinhança. Determinar a potência associada a essa transferência.
• Identificar a água como péssima condutora de calor.
• Compreender que a transmissão de energia, por meio do calor, em uma coluna de água é realizada por meio da convecção.

Esta aula foi concebida e utilizada em turmas do 1º ano do Ensino Médio pelo mesmo autor das aulas “Introdução à Física Térmica” e “Aquecimento diferenciado e Ebulição da agua”. A aula que você está acessando agora dá continuidade a aquelas aulas.

Materiais:

• Recipiente de 1 litro (pode ser de vidro resistente ao calor ou de metal)

• Recipiente de água comprido (de preferência com 40 cm ou mais)

• Um ebulidor

• Um cronômetro (relógio ou telefone celular)

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

• Um dissipador de calor retirado de um cooler de computador sem uso.

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

A energia se manifesta de muitas formas. Quando surge uma nova manifestação da energia, em uma dada situação, ocorre uma redução simultânea em uma manifestação anterior da energia. As transformações ou transferências de energia podem ser provocadas pela realização de forças e deslocamentos. A energia transformada ou transferida nessas situações é chamada de trabalho mecânico. Mas as transformações ou transferências de energia também podem ser provocadas pela criação de uma diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança. A energia transformada ou transferida em função de diferenças de temperatura é chamada de calor. Calor e trabalho, portanto, são medidas que estão associadas a processos de transformação ou transferência de energia. O calor, alternativamente, pode ser definido como “fluxo de energia decorrente de diferença de temperatura”.

Nesta atividade faremos três explorações nas quais diferenças de temperatura provocam transferências ou transformações de energia. Calor e temperatura são, portanto, o tema dessas explorações. Na primeira, investigaremos a influência da diferença de temperatura na rapidez com que a energia “flui” de um sistema (um béquer com água quente) para sua vizinhança (o ar e os objetos situados ao redor do béquer). Na segunda exploração, mediremos a energia transferida a partir do ambiente para sistemas constituídos por cubos de gelo situados sobre duas superfícies diferentes. Por fim, na terceira exploração, investigaremos a transmissão de energia em uma coluna de água aquecida em sua parte superior ou inferior. Isso nos ajudará a compreender como o calor ocorre em fluidos.

2ª Atividade – Diferença de temperatura e “velocidade” das transferências de energia por meio do calor

NÃO BRINQUE COM RECIPIENTES CONTENDO MATERIAL AQUECIDO

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

Quando a temperatura ambiente está muito distante da temperatura média de nossos órgão internos (cerca de 37 ^oC), nossa sensação de frio ou calor torna-se muito intensa. Como podemos interpretar esse fato à luz dos conceitos da Física Térmica? Uma boa hipótese consiste em imaginar que a rapidez com que nosso corpo perde ou ganha energia do ambiente, por meio do calor, depende da diferença de temperatura entre nosso corpo e o ambiente a nossa volta.

Para avaliar a adequação dessa hipótese, iremos, nesta exploração, investigar o efeito da diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança na taxa de resfriamento desse sistema. Para isso, sugerimos os procedimentos abaixo:

a)     Meça o valor da temperatura ambiente, anotando-o em um espaço apropriado. Feito isso, encha um recipiente com aproximadamente 500 ml de água e submerja um ebulidor na água para aqueça-la até que ela atinja uma temperatura superior a 90 ^oC.

b)    Desligue o ebulidor e comece a medir a queda da temperatura da água ao longo do tempo. Marque o zero de tempo em seu termômetro quando a água atingir os 90 ^oC e passe a registrar o tempo em uma tabela toda vez que a temperatura da água cair 5 ^oC. Faça isso até que a temperatura da água atinja os 40 ^oC, mas atenção: se a hipótese apresentada no início desta exploração estiver correta, o tempo necessário para a temperatura cair, por exemplo, de 45 ^oC para 40 ^oC poderá ser muito longo. Se isso efetivamente ocorrer, mantenha-se atento às medições do termômetro, mas avance para a próxima exploração. Não se esqueça, porém, de olhar para o termômetro para fazer a medida de tempo no cronômetro no momento adequado. Uma falta de atenção poderá por todo o trabalho a perder.

c)     A partir das medidas registradas na tabela, faça um gráfico da temperatura em função do tempo de resfriamento. Discuta com seu grupo como interpretar o gráfico, de modo a compreender o efeito da diferença de temperatura, entre um objeto e sua vizinhança, na taxa de resfriamento desse objeto.

d)    Avalie, com seu grupo, como o gráfico produzido permite avaliar a hipótese apresentada no início desta exploração ou como utilizar as informações obtidas para responder à questão que antecedeu a apresentação dessa hipótese.

3ª Atividade – Medida da energia transferida a blocos de gelo

Nesta exploração, usaremos uma estrutura em alumínio, conhecida como dissipador de calor. Esse dissipador faz parte de um cooler de um computador. O cooler é um dispositivo que evita o superaquecimento do processador do computador. O processador, por sua vez, é um pequeno retângulo que contém bilhões de elementos de circuito e milhares de circuitos elétricos minúsculos nos quais circulam correntes elétricas. A circulação dessas correntes é a responsável pelo aquecimento do processador.

O cooler é composto por pequeno ventilador acoplado ao dissipador de calor. O resfriamento do processador feito pelo cooler é essencial ao funcionamento do computador, pois é no processador que ocorrem todas as operações importantes por meio das quais o computador executa suas funções. Se aquecer demasiadamente, o processador para de funcionar adequadamente e o computador fica inoperante imediatamente.

O dissipador de calor em alumínio é sabidamente muito eficiente para transferir calor proveniente do aquecimento de um processador para o ambiente a sua volta. Seria, todavia, esse dispositivo também eficiente para promover o efeito contrário?

Em outras palavras, se colocássemos um cubo de gelo sobre um dissipador, esse cubo receberia calor do ambiente de modo mais eficiente do que se fosse abandonado sobre outra superfície qualquer? É possível determinar quanta energia é transferida do ambiente para um cubo de gelo situado sobre um dissipador? Responder essas questões pode ser um passo importante para compreender os conceitos de energia térmica, calor e temperatura. Para respondê-las, sugerimos os procedimentos abaixo.

a)     Antes de colocar os cubos de gelo, respectivamente, sobre um dissipador de alumínio e sobre um bloco de madeira ou isopor: (i) meça a temperatura inicial do dissipador de alumínio e do bloco de isopor ou madeira; (ii) coloque um dissipador de alumínio e o bloco de isopor ou madeira dentro de recipientes capazes de coletar a água líquida que poderá se formar caso haja derretimento do gelo.

b)    Coloque uma pedra de gelo sobre o dissipador e outra sobre o bloco de madeira/isopor. Feito isso, aguarde cinco minutos e utilize uma seringa para medir o volume de água recolhido nos dois recipientes que é proveniente da fusão do gelo.

c)     Um mililitro de água apresenta uma massa de 1g. Sabemos que a fusão de 1g de água demanda 80 calorias de energia (1 caloria = 4,18 J). Então, qual foi a quantidade de calor transferida aos cubos de gelo durante o intervalo de cinco minutos?

d)    Considerando a quantidade de energia transferida ao cubo de gelo e o tempo ao longo do qual ocorreu essa transferência determine a potência térmica nesse processo.

4ª Atividade – Transferência de energia, por meio do calor, em uma coluna de água

Sabemos que podemos transferir energia para a camada superior de uma coluna de água cuja base foi colocada sobre a chama de um fogão. Afinal, a camada superior de água situada se aquece após algum tempo. Podemos deduzir que a energia que a chama do fogão transfere a camada inferior da coluna de água é transmitida para a camada superior de água. Mas, o que ocorreria se o aquecimento da coluna de água fosse realizado próximo à extremidade superior do recipiente? Será que, nessa situação, a camada inferior também receberia energia de modo efetivo? Responder a essas questões pode ser importante para que você compreenda como ocorre o processo de transmissão de energia em fluidos como a água. Para respondê-las, sugerimos os procedimentos abaixo.

a)     Usando suportes adequados, coloque o aquecedor de um ebulidor (parte do ebulidor em forma de serpentina) na parte superior de uma coluna de água situada dentro de um recipiente transparente, como mostra a figura disponível neste link  <pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Termodinamica/Ebulidor%20na%20parte%20superior%20ou%20inferior%20da%20agua.jpg>. De preferência, a coluna de água deve apresentar altura igual ou superior a 40 cm. Ligue, então, o ebulidor à rede elétrica, tomando o cuidado de não permitir que o aparelho entre em funcionamento sem estar imerso na água.

b)    Enquanto o ebulidor aquece a água, meça a temperatura na parte inferior, na parte mediana e na parte superior da coluna de água. Para isso, insira o bulbo do termômetro dentro da água de modo a situa-lo nessas posições. Faça anotações de suas medidas em uma tabela.

c)     Durante o aquecimento da água, observe atentamente a lateral do recipiente transparente. Compare a aparência da água situada abaixo e acima da base do ebulidor.

d)    Quando a água entrar em ebulição, desligue o ebulidor e faça uma nova série de medidas das camadas de água situadas nas três posições acima mencionadas. Então, retome as questões apresentadas no primeiro parágrafo desta exploração e responda-as com base nas observações que você realizou.

e)     Para efeito de comparação, insira o aquecedor do ebulidor no fundo de outro recipiente idêntico contendo, novamente, a mesma quantidade de água a temperatura ambiente. Repita, então, os procedimentos propostos nos itens (b), (c) e (d).

5ª Atividade – Leitura orientada dos textos Calor e Conforto & 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.pdfestão disponíveis os textos cuja leitura é solicitada nesta 5ª atividade da aula. Trata-se dos capítulos 08 (Calor e Conforto) e 09 (Transportando o calor). Esses dois textos pertencem ao fascículo Física Térmica 2.

Leia os textos 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

Durante as noites de inverno, utilizamos um cobertor de lã a fim de nos protegermos do frio. Esta proteção ocorre porque a lã

a)     possui baixa condutividade térmica, diminuindo, portanto, o fluxo de calor para o ambiente.

b)    possui alta condutividade térmica, diminuindo, portanto, o fluxo de calor para o ambiente.

c)     possui baixa condutividade térmica, aumentando, portanto, o fluxo de calor para o ambiente.

d)    possui alta condutividade térmica, aumentando, portanto, o fluxo de calor para o ambiente.

Questão 2

Quando seguramos uma casquinha com uma generosa bola de sorvete, sentimos nossa mão esfriar quando ela está abaixo da bola, mas não temos essa sensação se posicionarmos a mão alguns centímetros acima da bola. Isso indica que a transferência de calor da mão para a bola está se dando preferencialmente:

a)     Apenas   pela  condução.

b)     Por condução e radiação.

c)     Apenas   pela   radiação.

d)     Por convecção e radiação.

Questão 3

Em relação aos diferentes tipos de processos responsáveis pela transmissão do calor, assinale a opção que apresenta uma afirmação INCORRETA:

a)     A  energia  gerada pelo Sol  alcança  a Terra predominantemente por radiação.

b)    O  suor sobre  a pele  recebe calor da pele durante o processo de evaporação.

c)     A transferência de calor por condução é igualmente eficaz em todos os sólidos.

d)    A transferência  de calor por convecção só ocorre nos fluidos (gases e líquidos).

Questão 4

Dois recipientes idênticos contêm massas também idênticas de água e de óleo. Ambos os líquidos apresentam, inicialmente, a temperatura ambiente de 25 ^oC. Aquecedores elétricos (ebulidores) de mesma potência são ligados e desligados, simultaneamente, durante exatos 2 minutos, para aquecer 1 kg do material contido em cada recipiente. Levando em consideração todas essas informações podemos realizar diversas afirmações, EXCETO:

a)     Ao final do aquecimento, os líquidos sofrem a mesma variação de temperatura e atingem a mesma temperatura final.

b)     Durante os dois minutos de aquecimento, os líquidos recebem a mesma quantidade de calor dos aquecedores elétricos.

c)      Durante os dois minutos de aquecimento, os ebulidores transferem a mesma quantidade de energia para os líquidos.

d)      Ao final, a energia cinética média das moléculas de óleo será maior que aquela apresentada pelas moléculas de água.

Questão 5

No laboratório, um grupo de estudantes canadenses investigou o efeito da diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança na rapidez com que ocorre o resfriamento desse sistema. No dia do experimento, a temperatura ambiente era 0 ^oC. Para realizar a investigação, os estudantes acompanharam o resfriamento de uma massa de 0,500 Kg de água, cuja temperatura inicial era de 45,0 ^oC. Com o relógio, os estudantes mediram, em minutos, o tempo transcorrido para a massa de água atingir a temperatura ambiente. Os dados obtidos pelos estudantes foram registrados na tabela a seguir e no gráfico disponível neste link  <pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Termodinamica/Curva%20de%20resfriamento%20da%20_gua.jpg>.

a)     Utilize os dados obtidos pelos estudantes para chegar a uma conclusão sobre o efeito da diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança na rapidez com que ocorre o resfriamento desse sistema. Sustente sua conclusão com argumentos.

b)    O professor informou aos estudantes que, com os dados obtidos, seria possível explicar por que, nos dias frios, quanto maior a diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura do nosso corpo (cerca de 37 ^oC), maior é a sensação de frio que nós sentimos. Explique, então, esse fato à luz dos dados apresentados no gráfico ou na tabela.

Questão 6

Abaixo são feitas afirmativas a respeito dos conceitos de temperatura e calor. Marque com um X a letra V caso a afirmativa seja verdadeira, e a letra  F, caso seja falsa.

Questão 7

Se um ebulidor ligado à rede elétrica for colocado na parte superior de uma coluna de água, como mostra a figura apresentada na 4ª Atividade desta aula, como irá variar a temperatura da água contida EM TODO o recipiente? Explique.

Questão 8

O dissipador de alumínio é uma estrutura utilizada em computadores para evitar o superaquecimento do processador do computador. Se, todavia, um cubo de gelo for colocado em cima de um dissipador, seu derretimento se mostrará surpreendentemente rápido. Explique esse fenômeno.

Questão 9

Teoricamente, existe uma relação entre condutividade térmica e elétrica dos materiais. Assim, melhores condutores de eletricidade são também melhores condutores de calor. Considerando essa informação, consulte a tabela com valores de condutividade térmica apresentada no texto “Transportando o Calor”, cuja leitura foi realizada na 5ª Atividade desta aula. Existe alguma característica em comum entre os três materiais citados na tabela de condutividade térmica que apresentam os maiores valores de condutividade térmica? E entre os quatro materiais que apresentam os menores valores?