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Influência da cor na absorção ou emissão de calor radiante

 

18/07/2011

Autor y Coautor(es)
JOSE ANGELO DE FARIA
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VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Daniel Rodrigues Ventura, José Higino Dias Filho, Edson Luís Nunes.

Estructura Curricular
Modalidad / Nivel de Enseñanza Disciplina Tema
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Ensino Fundamental Final Ciências Naturais Terra e universo
Educação de Jovens e Adultos - 2º ciclo Ciências Naturais Visões de mundo
Datos de la Clase
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  • Verificar que a cor preta absorve mais calor que a cor branca, para uma mesma incidência de calor radiante.
  • Verificar que sob a mesma condição, a cor preta emite calor mais rapidamente que a cor branca.
  • Justificar porque os radiadores de calor, como a serpentina na parte de trás de uma geladeira são pintados de preto.             
Duração das atividades
50 minutos (uma aula)
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

          Propagação do calor, Lei de Stefan-Boltzmann, comportamento térmico dos gases, pressão nos fluidos.

Estratégias e recursos da aula

          Sugerimos que o professor faça uma montagem muito interessante para fazer uma prática demonstrativa dando início no assunto. Esse dispositivo deve ser montado previamente deixando apenas a parte demonstrativa para a sala de aulas.

          Será preciso duas lâmpadas incandescentes (queimadas), idênticas, uma placa de madeira, pedaço de tábua (30cmX40cm), tinta preta e tinta branca para pintar as lâmpadas, cerca de1 metro de mangueira fina, transparente e flexível, cola ou parafina para vedar bem o contato da mangueira com a lâmpada, uma lâmpada incandescente, um bocal para lâmpada, 2 metros de fio duplo e um plug de tomada.

          Os esquemas das figuras 01 e 02 orientam as etapas para a montagem do dispositivo.  O que será utilizado das lâmpadas queimadas são seus bulbos. Na Figura 01, à esquerda na figura está o desenho de uma lâmpada incandescente com os principais componentes. Para retirar o filamento e acessórios, é necessário retirar uma tampinha metálica na pontinha da lâmpada onde é fixado os terminais do filamento. Após retirar essa tampinha, com um alicate de bico fino retira-se as partes internas da lâmpada, terceiro desenho da esquerda para a direita. Após preparar as lâmpadas, deve-se pintar uma com tinta branca e outra com tinta preta e deixar em um local para secar a tinta.

Aula12Fig.01

          Após tinta seca o próximo passo é colocar um pouco de líquido na mangueira, antes de conectá-la às lâmpadas. Dobre a mangueira ao meio e por uma das extremidades coloque um líquido qualquer desde que não seja volátil, de preferência um líquido colorido, se for água adicione corante para ficar mais nítido, esse deve formar uma coluna cerca de10 cm de altura em cada lado da mangueira, veja esquema na Figura 02. Depois introduza a ponta da mangueira em cada uma das lâmpadas, tendo o cuidado de manter o meio da mangueira onde se encontra o líquido, mais baixo.  Vede bem a mangueira na parte de contato com a lâmpada, usando cola ou parafina, para que não escape ar. As lâmpadas devem ser fixadas numa posição acima do líquido para evitar que este escoe para dentro delas. No esquema da figura, as lâmpadas estão sustentadas por um anel fixado em uma placa de madeira, a mangueira deve ficar do outro lado da placa, e sua parte mediana dobrada com o líquido, numa posição bem mais baixa, próximo da base. Do lado onde estão as lâmpadas, fixa-se na base do suporte um bocal de lâmpada, de modo que a lâmpada no bocal fique eqüidistante das lâmpadas preta e branca. No bocal está conectado um fio duplo tendo em sua extremidade um plug para ligar a uma tomada quando se desejar acender a lâmpada. Se o construtor desejar melhorar o dispositivo um acréscimo prático seria acrescentar um interruptor para ligar ou desligar a lâmpada. O terceiro desenho mostra a mangueira fixada na outra face da tábua. A sensibilidade desse dispositivo depende de vários fatores: diâmetro interno da mangueira, volume das lâmpadas pintadas e potência da lâmpada em funcionamento. O professor deverá testar o dispositivo para evitar principalmente que o aquecimento faça com que a coluna do líquido suba muito depressa podendo este atravessar para o outro lado da placa entrando na lâmpada, o que inutiliza o uso do dispositivo. Se isso ocorrer, retire a mangueira da lâmpada onde entrou líquido, e recoloque o líquido na mangueira refazendo a montagem. Querendo que o líquido suba menos rápido, troque a lâmpada do bocal por outra de menor potência.

Aula12Fig.002

Atividade I

          Organize a turma dividindo em dois ou mais grupos para que todos possam observar. Mostre o dispositivo e explique seu funcionamento para cada grupo antes de ligá-lo, depois com a face da mangueira com o líquido voltada para os observadores, ligue a lâmpada e peça para observarem a coluna do líquido, tomando o cuidado para que o líquido não suba muito e caia na lâmpada. Faça um pequeno questionamento escrevendo as perguntas no quadro e peça para responderem por escrito individualmente.

          Pergunte a eles: Ao aquecer as lâmpadas o que deverá acontecer com a pressão do ar no interior delas? Porque o líquido fica em desnível subindo de um lado da mangueira e descendo do outro? Do lado de qual lâmpada deverá estar conectado o lado da mangueira correspondente à coluna mais baixa?

·        Como já deve ser do conhecimento deles, deverão responder que a pressão no interior das lâmpadas vai aumentar.

·        Também deverão saber que é por causa da diferença de pressão entre os dois lados.

·        Do lado mais baixo, a pressão é maior e empurrará a coluna, este lado da mangueira deve estar a lâmpada que apresentar maior temperatura.

·         Deixe então que verifique, observando que desse lado está conectada a lâmpada de preto.

          Faça nova indagação:

Se o ar dentro da lâmpada de preto aqueceu mais que o ar da lâmpada de branco, o que se pode concluir da absorção de calor radiante por essas duas cores?

Certamente responderão que a cor preta absorve mais calor que a cor branca.

Atividade II

          Para reforçar os resultados obtidos no experimento acima, o professor poderá fazer um experimento muito simples, mas interessante. Para esta parte, será preciso de dois termômetros e duas latinhas de alumínio que deverão ser previamente pintadas para que a tinta seque. Pegue duas latinhas de alumínio, tipo essas de embalagem de produtos alimentício, retire o rótulo e pinte a superfície externa das latinhas, uma de branco e a outra de preto. Pinte também a parte externa da tampa fazendo um furo nela por onde deverá colocar um termômetro veja a Figura 03. Sendo possível o professor deverá montar um kit para cada grupo de 4 ou 5 alunos. Se tiver pelo menos os termômetros, peça aos alunos para trazerem as latinhas de suas casas, adquira duas latinhas de tinta e peça alguns alunos para pintar as latinhas, em local e horário propícios, por exemplo, durante o intervalo de aulas, deixando para secar no próprio colégio.

          Não sendo possível preparar mais de um kit, o professor ainda poderá dividir a turma em dois ou mais grupos e repetir o experimento para que todos observem.

          O procedimento desta prática é muito simples. Basta colocar as duas latinhas próximas uma da outra, tirando da sombra e expondo-as simultaneamente aos raios solares. Se não tiver como executar o experimento ao Sol, coloca-se uma lâmpada incandescente de 100 watts entre as latas, eqüidistante delas, que o resultado é semelhante. O bulbo do termômetro deve ficar dentro da latinha e a escala de leitura do lado de fora para ser vista. Faça leitura dos termômetros em intervalos de tempo de 10 segundos, 20 segundos ou outro valor dependendo da rapidez com que muda as temperaturas. Peça que alguns alunos do grupo façam leitura enquanto outros anotem.

          Pergunte aos alunos o que aconteceu com as temperaturas de cada latinha e o que se pode concluir a partir dessa observação?

·        Como deverão observar que a temperatura da lata de preto aumentou mais rapidamente que a temperatura da lata de branco, deve concluir que a cor preta é melhor absorvedora de calor que a cor branca.

          Depois que a temperatura parar de subir nas duas latinhas, retorne com ambas para a sombra e continua anotando suas temperaturas. Faça novamente leitura dos termômetros pedindo aos grupos para anotarem os resultados.

          Mais uma vez pergunte aos alunos:

          O que aconteceu com as temperaturas das latinhas e o que se pode concluir dessa nova observação?

·        Provavelmente vão perceber que a temperatura cai mais rapidamente na lata de preto que na lata de branco, ou seja, vão perceber que a cor preta que absorve calor mais rapidamente e perde calor mais rápido também.

 “Um bom emissor de calor é também um bom absorvedor”.

Aula12Fig.003

          Com os valores anotados, peça então aos alunos para preencher as tabelas abaixo, Tabela 01 para as temperaturas crescente, latinhas ao Sol e a Tabela 02 para temperaturas descendentes, na sombra; traçar num mesmo gráfico as curvas das temperaturas em função do tempo para as duas latinhas, Gráfico 01 referente aos dados da Tabela 01e Gráfico 02 referente à Tabela 02. As tabelas e gráficos poderão ser imprimidas e distribuidas para cada aluno ou se não for possível, o professor poderá apresentar as tabelas numa tela ou fazê-las manualmente no quadro para os alunos copiarem e traçarem o gráfico numa folha quadriculada.

          Usando as representações das duas curvas ficará bem visível a marcha da temperatura referente a cada cor para facilitar a comparação entre elas. O professor então poderá concluir a discussão com a turma fazendo uso dos gráficos.

Tabela1201-X

Tabela1202-x

Aula12Graf.01

Aula12Graf.02

Atividade III

          O professor poderá apresentar para a turma um pequeno filme sobre a aplicação da absorção de radiação solar pela cor preta e cor branca. Em geral quanto mais escura a cor mais eficiente para absorver calor radiante e quanto mais claro menos eficiente. O filme é um aparelho denominado de radiômetro de Crookes; título e endereço abaixo.

Mago da Física - O Radiômetro ("Moinho de LUZ")

http://www.youtube.com/watch?v=ZT_cAZ7bQqs

          O professor deverá explicar para a turma que quando a radiação solar incide sobre uma superfície sólida, parte dessa radiação é absorvida pela superfície e parte dessa radiação é refletida. A Figura 04 ilustra de maneira esquemática, a radiação incidente numa superfície, parte da radiação sendo refletida e outra parte absorvida pela superfície.  À direita na figura, há um quadro com a relação matemática entre a radiação solar incidente (RS na figura) e as frações absorvida e refletida. O professor também poderá apresentar para turma os dados referentes à absortividade de algumas cores normalmente usadas em tintas na construção civil. Deverá explicar para a turma que absortividade de uma superfície é a fração absorvida da radiação que nela incide, nesse caso, radiação solar, principalmente na faixa do infravermelho. Após essa orientação e de posse da tabela explique o trecho descrito a seguir.

          Uma casa de vegetação, comumente denominada estufa, a radiação vinda do Sol atravessa o vidro e atinge os objetos em seu interior. Se o objeto reflete a radiação ela atravessará o vidro de volta, mas se o objeto absorve a radiação, ela é transformada em calor. Os objetos, também emitem radiação, podendo re-emitir total ou parcialmente a energia que absorveu, porém, devido a sua temperatura ser muito baixa comparada com a temperatura do Sol, a freqüência da radiação emitida pelo objeto é baixa não conseguindo atravessar o vidro; dessa maneira, se o objeto absorve muita radiação haverá um aumento de energia térmica, calor, dentro da estufa e consequentemente uma elevação de temperatura. De um modo bem simplificado esse é o fenômeno denominado feito estufa.

Aula12Fig.004

          Peça aos alunos que em duplas discutam e depois respondam a seguinte situação:

          As plantas têm uma alta absortitividade, mas na estufa há também outros materiais. Suponha que você vai pintar uma mureta no interior da estufa e deseja que o ganho de calor seja máximo possível na estufa. Você tem a disposição 3 cores para pintar a mureta; cores: branca, verde claro e verde escuro. Sem preocupar com a estética do ambiente, observando os valores de absortividade abaixo, que cor escolheria? Por quê? E se desejasse um aquecimento bem moderado por estar em época de verão muito quente e por algum motivo a estufa teria como renovar o ar com o ambiente externo.

          Não precisa fazer nenhum cálculo para responder tal pergunta, pelas explicações do esquema da Figura 04 acima e a tabela abaixo, concluirão que o verde escuro, porque absorve mais radiação que as outras duas cores e assim manterá a estufa mais quente. Por outro lado a tinta branca possui absortividade baixa, absorverá bem menos calor radiante e refletirá quase toda radiação incidente nela, 80% pela tabela, devolvendo grande parte para o meio externo, aquecerá menos a estufa.

 

 

          Absortividade de algumas cores em superfícies sólidas

·        Branca .............................................................0,20

·        Amarela ...........................................................0,30

·        Verde claro........................................................0,40

·        “Alumínio”..........................................................0,40

·        Verde escuro.....................................................0,70

·        Vermelha..........................................................0,74

·        Preta.................................................................0,97

Recursos Complementares

          Sugerimos ao professor acessar os seguintes endereços sobre absortividade das cores:

 

http://sciencetolife.com.br/news.php?article=cores-de-edificios-ajudam-a-economizar-energia&id=3052

 

http://www.agencia.fapesp.br/arquivos/artigo_dornelles_roriz.pdf

Avaliação

          Sugerimos que o professor oriente a turma para fazer uma pesquisa, individual ou em grupos, sobre utilização e desempenho das cores relacionadas à absorção da radiação solar em equipamentos e na construção civil. A pesquisa poderá ser feita fora do horário de aulas para posteriormente ser apresentada e discutida em aula.

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