07/12/2010
Eziquiel Menta
Modalidade / Nível de Ensino | Componente Curricular | Tema |
---|---|---|
Ensino Médio | Física | Calor, ambiente e usos de energia |
Ensino Médio | Física | Oscilações, ondas, óptica e radiação |
- Definir os processos de transmissão de calor;
- Compreender o efeito estufa e suas conseqüências.
- Conceito de calor;
- Conceito de temperatura;
Estratégias e recursos da aula Estratégias de ensino:
- Aula interativa com recursos multimeios;
- Aula conceitual.
Materiais:
- Colher de metal;
- Isqueiro;
- Cuba de vidro;
- Aquecedor térmico;
- Corante;
- Projetor.
Introdução a aula:
Inicie a aula passando aos seus alunos a seguinte reportagem:
Vídeo 1: Reportagem sobre os fornos solares.
Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=5vvq1FZ8zHo acesso em 13/11/2010
Procure motivar seus alunos a explicar por meio dos fundamentos e princípios da física por que o alimento esquenta dentro do forno. De onde é proveniente a energia que o faz cozinhar? Como esta energia é transmitida e chega até o alimento? Qual é a finalidade do forno, como ele funciona? Qual é a importância de cada parte do forno (revestimento de alumínio, tampa de vidro, base de metal)?
Não é necessariamente importante que os alunos tenham todas as respostas a tais questionamentos, ou que suas respostas sejam dadas por meio da terminologia científica. No entanto, é importante registrar (pode ser em tópicos) estas colocações para serem, no fim da aula, contrapostas com as explicações de natureza científica.
Processos de transmissão de calor
Após a primeira discussão sobre os fenômenos térmicos associados à reportagem, sistematize o conteúdo sobre os processo de condução do calor a partir dos três principais mecanismos pelos quais o calor se propaga:
Condução: qualquer estado da matéria, sem mobilidade da massa da matéria;
Convecção: predominantemente em fluídos, com mobilidade da massa da matéria;
Irradiação: Único processo que ocorre no vácuo, sem necessidade da existência de matéria.
Antes de se aprofundar especificamente nos processos de condução de calor, é importante relembrar com os alunos a segunda lei da termodinâmica (enunciado de Clausius): "A entropia do Universo tende a um máximo". Qualitativamente, este enunciado define o sentido da transmissão do calor, do meio de maior temperatura para o meio de menor temperatura.
Atividade 1: Condução térmica
Defina com seus alunos o processo de transmissão térmica por meio da condução:
É o processo de transmissão de calor no qual a energia se transfere de molécula para molécula sem que haja deslocamento de matéria, a partir de uma gradiente (diferença) de temperatura.
A figura abaixo ilustra esquematicamente o processo de transferência de calor por meio da condução térmica em uma barra de metal.
Figura 1: Condução térmica em uma barra
Disponível em: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/oitava_serie/Calor4.php acesso em 13/11/2010
Para que os alunos compreendam melhor em que situações ocorre a condução térmica, esquente uma extremididade da colher com a chama do isqueiro, segurando-a com algum isolante térmico (pode ser um grampo de roupas). Assim que a extremidade oposta da colher estiver aquecida (sinta com o próprio dedo, não deixando a temperatura elevar-se demasiadamente) peça a alguns alunos para que a toquem e percebem que mesmo sem o contato direto com a chama de fogo, houve o aquecimento.
Atividade 2: Convecção térmica
A convecção térmica é caracterizada pelo movimento de moléculas em um fluido, provocado, em geral, por um gradiente de densidade (e consequentemente de temperatura) no interior do fluido. Com a convecção de matéria, ocorre o consequente transporte (transferência) de calor.
A imagem abaixo ilustra as correntes de convecção no interior de um fluido sendo aquecido em sua parte inferior. É importante observar que durante a ascensão da matéria, o calor se propaga também, por meio de condução térmica, para moléculas vizinhas à corrente de convecção.
Figura 2: Convecção térmica
Disponível em: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Convection.gif acesso em 13/11/2010
Uma maneira muito simples de mostrar para os alunos a formação das correntes de convecção no interior de um líquido é proposta a seguir:
Coloque o aquecedor elétrico (rabo quente) no interior de uma cuba de vidro ou de acrílico. No site feira de ciências, sugere-se construir um aquecedor com uma resistência (pode até mesmo ser uma resistência de chuveiro). Insira água na cuba e ligue o aquecedor. Faça um feixe de luz passar pela cuba e ser projetado em um anteparo, preferencialmente branco. Pode-se utilizar para isso um projetor convencional (projetor multimídia) caso não disponha de uma fonte de luz apropriada. Para facilitar a visualização, pode derramar algumas gotas de corante ou serragem fina, após a água estiver aquecida. Como a água quente possui índice de refração diferente da água fria, a projeção evidenciará as correntes de convecção.
Figura 3: Correntes de Convecção
Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_15.asp acesso em 14/11/2010
Atividade 3: Irradiação Térmica
Para finalizar esta primeira aula, sobre os processo de transferência do calor, apresente aos alunos a transferência de calor por meio da irradiação:
Irradiação térmica é o processo no qual o calor se transfere de um meio para outro através da propagação de radiação eletromagnética (ondas eletromagnéticas) que possuem energia (e momento) associada à frequência do fóton de luz.
É necessário explicar aos alunos que a radiação eletromagnética é gerada no retorno dos elétrons às camadas de menor energia no átomo, resultando na liberação de fótons. Todos os corpos emitem radiação eletromagnética, no entanto a energia desta radiação está diretamente vinculada com a temperatura do corpo. Assim sendo, corpos mais quentes emitem radiação mais energética, provocando o aquecimento dos corpo mais frios, que emitem radiação menos energética. Como o processo de irradiação resulta na perda de energia, e consequentemente na perda de temperatura, o processo conduz ao equilíbrio térmico de dois meios.
As ilustrações abaixo apresentam, respectivamente, a irradiação solar, a energia da radiação emitida por um corpo em função de sua temperatura e a irradiação (na faixa do infravermelho) emitida por um homem.
Figura 4: Irradiação solar
Disponível em: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/outreach/faq_cat-1.html acessado em 13/11/2010
Figura 5: Irradiação térmica
Dinsponível em: http://www.hgh.fr/rayonnement-infrarouge-corps-noir-infrared-radiation-blackbody-pt.php acessado em 13/11/2010
Figura 6: Irradiação humana
Disponível em: http://www.algosobre.com.br/fisica/radiacao-infravermelha.html acessado em 14/11/2010
É necessário também evidenciar aos alunos que o aquecimento do meio, a partir da radiação solar, ocorre devido à absorção da radiação. De modo simplificado, a absorção da radiação ocorre quando a frequência da onda eletromagnética é semelhante à vibração da rede cristalina ou dos próprios elétrons, mas que será maior quanto maior a quantidade de energia incidente no material.
Para finalizar este primeiro momento sobre os processos de propagação do calor, apresente aos alunos os dois vídeos abaixo (aula 24, Telecurso 2000) sobre esses três processos.
Vídeo 2: Telecurso 2000
Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=PgIwtB_N3bc (1ª parte) e http://www.youtube.com/watch?v=sJ2SA8cphXE&feature=related (2ª parte) acesso em 13/11/2010
Peça aos alunos que escrevam um relatório simplificado contendo:
Como o calor se propaga na condução;
O que são condutores e isolantes térmicos;
Dê exemplos de condutores e isolantes térmicos;
Como o calor se propaga no vácuo;
Como o calor se propaga na convecção;
O que são correntes de convecção;
Como se forma a brisa marítima e terrestre;
Atividade 4: Efeito Estufa
Para que os alunos compreendam o efeito estufa, apresente a ilustração esquemática abaixo.
Figura 7: Efeito estufa
Disponível em: http://coisaseboas.blogspot.com/2007/09/os-benefcios-do-efeito-estufa.html acessado em 13/11/2010
O esquema evidencia que os gases estufas, presentes na atmosfera, são responsáveis por absorver a radiação emitida (infravermelho) pela Terra. O diagrama abaixo apresenta com detalhes como os principais gases na atmosfera responsáveis pela absorção da radiação solar e terrestre
Figura 8: Absorção atmosférica da radiação solar incidente e da radiação terrestre emitida
Disponivel em: http://chriscolose.files.wordpress.com/2010/02/atmospheric_transmission.png acessado em 13/11/2010
É importante frisar aos alunos que o gás de maior absorção da radiação terrestre na atmosfera é o vapor de água (formação de nuvens). Um dado interessante sobre o vapor de água é que esse gás possui índice de absorção muito baixo para a radiação na faixa do UV, refutando a ideia do senso comum que as nuvens filtram a radiação solar (não havendo necessidade de uso de filtros solares).
No gráfico de intensidade espectral, as curvas em vermelho e azul representam, respectivamente, a intensidade de radiação solar incidente na Terra (proveniente do Sol) e a radiação terrestre emitida (pelos mares e pela superfície). As áreas internas representam a radiação absorvida para cada comprimento de onda das radiações solar e terrestre.
Observações importantes:
O principal gás que absorve a radiação solar na faixa do UV é o Ozônio. Esta radiação também é espalhada (mas não absorvida) pelo fenômeno denominado espalhamento Rayleigh.
O espalhamento Rayleigh ocorre para o UV, sendo que ainda se estende a uma faixa do visível, o azul. Sendo assim, o espalhamento Rayleigh do comprimento de onda azul explica o porquê desta tonalidade do céu.
O Dióxido de carbono é o gás (que possui taxa estável de permanência na atmosfera, uma vez que o vapor de água possui concentrações instáveis conforme condições climáticas) que possui melhor absorção de algumas faixas de radiação no infravermelho - radiação predominante irradiada pela Terra. Desta forma, o Dióxido de Carbono é considerado o gás que melhor contribui para o efeito estufa.
O fato da vapor de água ser um gás de alta absorção no infravermelho explica o mormaço (clima abafado quando está nublado).
Para finalizar a atividade, passe aos alunos o vídeo a seguir e proponha a realização da atividade descrita.
Mudanças Ambientais Globais - Mudanças Climáticas Naturais
Recurso 1: Mudanças Ambientais Globais - Experiência - Efeito Estufa
Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=9230 acessado em 13/11/2010
Oriente os aluno para que façam um relatório experimental, fundamentando o experimento a partir dos processo de propagação do calor e do fenômeno de efeito estufa.
Nome | Tipo |
---|---|
Mudanças Ambientais Globais - Mudanças Climáticas Naturais | Animação/simulação |
Acesse também o site "Feira de Ciências". Ele possui muitas informações e experimentos interessantes:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/index8.asp
Peça para que os alunos façam uma minipesquisa sobre as aplicações tecnológicas que envolvam os processos de condução do calor e suas consequências.
Os alunos também podeão ser avaliados por meio de um relatório da atividade 3 (aula Telecurso 2000) e 4 e pela construção de um forno solar.
Quatro estrelas 4 classificações
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06/05/2013
Cinco estrelasExcelente aula!
19/04/2012
Cinco estrelasBoa tarde ? Adorei de mais o Portal do Professor,me tirou muitas dúvidas com respeito ao assunto de física Continuem assim, Muito Obrigado.
05/10/2011
Cinco estrelasA aula foi muito bem elaborada.
29/07/2011
Quatro estrelasMuito bom !!!!