Como ocorre a troca de calor nos sólidos.

Comparar como é a troca de calor em diferentes materiais.

Diferenciar os materiais bons condutores de calor e exemplificar as aplicações.

Temperatura, calor.

Importância de se entender como ocorre o transporte de calor nos sólidos:

Saber como o calor é transportado nos sólidos é de grande importância para entender como construir máquinas, refrigeradores, aquecedores, fornos e estufas.  Saber escolher o material que deve ser feito a panela para preparar cada tipo de alimento. Saber o que usar no isolamento térmico diverso.  O calor é transferido através de um meio material, de uma molécula para  molécula vizinha.  

A principal característica da condução é a transferência de energia sem a simultânea transferência de matéria, ocorrendo, assim, predominantemente nos sólidos.

Motivação Inicial:

Antes de iniciar as experiências apresente a animação “Metais – Condução de Calor”  como motivação ao estudo. O recurso pode ser acessado pelo link a seguir:

Metais - Condução de Calor 

Parte A.     Hipóteses

Separe a turma em grupos de no máximo 5 alunos. Cada grupo deve anotar as respostas para as seguintes hipóteses, antes de realizar as tarefas .

1.   O calor nos metais é transportado instantaneamente de um lado para outro?

2.   Nos bons condutores de calor há deslocamento das moléculas de um lado para o outro do corpo?

3.   Nas panelas, utilizam cabos de madeira ou de ebonite, porque motivo?

4.   As conchas colocadas em comidas quentes, quando totalmente de metais, aquecem mais, por quê?

5.   Para dois metais de mesmo material e de espessuras diferentes, o de maior espessura conduz melhor ou pior o calor?

6.   Todos os metais conduzem bem o calor e com mesma intensidade?

Parte B 

B 1. Verificação da troca de calor num metal

Para cada grupo, distribua os seguintes materiais e peçam que sigam as instruções e realizem o experimento e em seguida responda as questões relacionadas. 

B 2. Material:

B 3. Realização da atividade de troca de calor:

Utilizando parafina, fixe os percevejos ao longo do fio, conforme o esquema da figura 1.

Após fixados os percevejos, coloque uma das extremidades do fio sobre uma chama.

Observe o que ocorre com os percevejos.

Figura 1. Haste metálica com diversos percevejos colados com parafina e uma extremidade colocada em contato com a chama. Imagem do próprio autor.

B 4. O que foi observado sobre o fluxo de calor do metal:

a) Quais percevejos cairão primeiro, os da esquerda ou da direita da barra? Por quê?

........................................................................................................................................................................................................................

b) Então, de acordo com essa observação o calor se propaga de onde e para onde?

.....................................................................................................................................................................................................................

c) Como se chama este tipo de propagação de calor?

.............................................................................................................................................

d)  As partículas do meio migram de uma extremidade para outra para transportar o calor?

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B 5. Modelo de condução de calor em sólidos:

Peça aos grupos que façam um modelo para o comportamento dos átomos durante a condução de calor em sólidos, representando a agitação das moléculas no interior do sólido.

Não apresente  o apresentado na figura 2. No modelo pode ser representado por bolinhas que vibram mais intensamente na região que está mais quente, isto é, mais próximo da fonte quente, como representado na figura 2.

O modelo apresentado por bolinhas que vibram mais intensamente na região que está mais quente, isto é, mais próximo da fonte quente, é representado na figura 2, obtido do site: http://www.sobiologia.com.br/figuras/oitava_serie/calor15.jpg

Figura 2. Modelo de condução de calor na haste metálica, onde as moléculas vibram mais intensamente do lado que está a chama, e vão diminuindo a vibração a medida que distancia da fonte quente. Imagem obtida do endereço: http://www.sobiologia.com.br/figuras/oitava_serie/calor15.jpg .

B 6.  Apresentação do resultado da parte B pelos grupos

Após a discussão das questões do experimento B e construção do esboço, peça aos grupos que nomeiem um representante para apresentar cada uma das respostas para as questões anteriores e o desenho do modelo de condução no sólido. 

Parte C 

C 1. Testando a condução em materiais diferentes. 

Agora serão testados materiais de mesma espessura mais de constituição diferentes. Pode ser feito com fios grossos ou hastes. Para cada grupo, providencie os seguintes materiais. Os grupos realizam a atividade proposta a seguir e respondem as questões relacionadas.

C 2. Material:

C 3. Verificando a condução em materiais de mesma espessura e diferente constituição.

a) Coloque três pedaços de varetas de materiais diferentes juntos em uma das extremidades e separados na outra, como mostra a figura 3.

b) Cole percevejos com parafinas nas extremidades separadas

c) A parte em que as hastes estão juntas deve ser colocada sobre uma fonte de calor que poderá ser uma chama de uma lamparina.

Figura 3. Metais com bolinhas na ponta, esquema da montagem para testar qual material é melhor condutor de calor. Imagem esboçada pelo próprio autor. 

 C 4. O que foi observado sobre o fluxo de calor em diferentes metais:

Oriente os alunos, para que ao observarem o experimento, anotem o resultado em cada etapa orientado pelas questões que seguem.

a)      Em qual dos fios a bolinha caiu primeiro? ...........................

b)      Em qual dos fios a bolinha caiu  por último?..................................

c)      Qual dos fios o calor se propaga mais rápido?..........................

d)     Qual dos fios o calor se propaga mais lentamente?............................................

e)      Dos três materiais, qual é o melhor condutor de calor? .......................

f)       Dos três materiais, qual é o pior condutor de calor ?....................................................

g)      O que se pode concluir sobre os coeficientes de condutibilidade térmica desses três materiais? .......................................................

h)      Escreva-os em ordem crescente de valores.
....................................menor que ............................ menor que .............................................

i)        Se repetirmos esta experiência usando fios de espessura variável e de mesmo tipo de material para que espessura a condução será maior .  ...........................................................

j)        Relacione a proporcionalidade da condutividade térmica com a espessura e com o comprimento do material

C 5.   Apresentação do resultado da parte C pelos grupos

Após a realização do experimento e discussão das questões relativas ao experimento da parte C, peça aos grupos que nomeiem um representante para apresentar cada uma das respostas para as questões anteriores.

Parte D. Aplicações e simulações que apresentem estudo de condução

D 1. Vídeo que exibe uma experiência semelhante ao que realizamos na parte B, pode ser encontrado no endereço abaixo:

http://www.youtube.com/watch?v=SyxmQysa1N8

D2. Apresente o vídeo a seguir que ilustra um experimento semelhante ao que foi realizado na parte C, onde a condução é comparada entre materiais distintos.

http://www.youtube.com/watch?v=r85BDphmzBA&feature=related

D 3.  A seguir, uma simulação é apresentada, onde é comparada a condução de dois materiais distintos. Animação que ilustra a condutibilidade térmica: 

http://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/f/fd/Experiencia.swf

Figura 4. Ilustração da simulação de condução entre dois materiais diferentes. Imagem obtida em: http://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/f/fd/Experiencia.swf

D 4. Ao tocarmos materiais diferentes temos sensações térmicas diferentes. 

1. Peça a um aluno de cada um dos grupos que levante e vá até a porta.
2. Peça ao aluno do primeiro grupo que coloque a mão direita na madeira da porta e a mão esquerda na maçaneta metálica. 
3. Caso não tenha uma porta nestas condições, leve para sala uma panela metálica com um cabo de madeira para fazer algo semelhante.
4. Questione aos grupos sobre a sensação térmica.
5. Pergunte ao aluno em qual das mãos ele teve a sensação que está mais frio.
6. Questione aos alunos, sobre as partes da porta, Se elas estando no mesmo ambiente,  há grande diferença na temperatura destas partes.
7. Peça a eles para explicarem o porque desta sensação diferente.
8. Ao final conclua com eles que quando tocamos a maçaneta metálica de uma porta ou a madeira,  a porta nos parece estar mais quente, mesmo ambos estando no mesmo local, ou seja,  estando ambos praticamente a uma mesma temperatura. A parte metálica conduz melhor o calor e consequentemente rouba calor de nossa mão mais rapidamente, o que cria a sensação que está mais fria. De forma análoga, quando deixamos numa geladeira uma garrafa plástica de refrigerante ou uma lata,  após o equilíbrio térmico com a geladeira a lata nos parece estar mais fria. 

D 3. Discussão das hipóteses iniciais:

Reveja as hipóteses iniciais após a realização das experiências. Faça uma discussão sobre o que era esperado e o que foi observado. 

Um vídeo exibe um experimento de condução do calor, onde os percevejos colados com parafina vão caindo sucessivamente. O vídeo esta em:

http://www.youtube.com/watch?v=SyxmQysa1N8

No endereço a seguir é possível obter a condutibilidade térmica de diferentes materiais

http://www.construclima.com.br/pdf/02.pdf

Na tabela a seguir, são fornecidos alguns valores para o coeficiente  de  condutibilidade térmica (K),  de materiais usuais, nas unidades  (Kcal / h * m* ºC).

Nos slides a seguir, são apresentados os principais processos de troca de calor: 

http://www.slideshare.net/exata/transmissao-de-calor-11844147

Ao realizar as atividades desta aula, o aluno deve ser capaz de:

Saber como testar se o material é um bom condutor de calor.

Representar esquematicamente um modelo para a agitação das moléculas de um sólido, durante a condução de calor,  desde a fonte quente até a outra extremidade. 

Dar exemplos de situações em que a boa condução de calor é necessária.