Blog destinado a compor minha tese de mestrado como produto educacional do Mestrado Profissional em Ciências e Tecnologias na Educação - Instituto Federal Sul-Rio_Grandense Campus Pelotas Visconde da Graça.
domingo, 27 de outubro de 2019
Sugestão de guia para aula prática de transferência de calor
por condução, condutores e isolantes de calor.
Evidenciar o
processo detransferência de calor por
condução;
Identificar
bons e maus condutores de calor;
Associar tal processo
de transferência de calor a situações e equipamentos do cotidiano dos alunos.
Referencial teórico:
A experiência
mostra que o calor pode se deslocar de uma região para outra região de um
corpo; além disso, o calor pode passar de um corpo para outro, quer estes
corpos estejam em contato ou não. Este fenômeno recebe o nome de propagação do
calor.
O calor pode
se propagar de três maneiras diferentes: condução,convecção e irradiação.
Embora esses processos tenham características diferentes, eles têm algo em
comum:
O calor se
propaga sempre de uma região para outra a temperatura mais baixa, ou de um
corpo para outro que esteja à temperatura mais baixa.
O calor se
propaga por condução quando passa de uma região para outra de um corpo, ou de
um corpo para outro com o qual está em contato, sem que haja deslocamento das
moléculas constituintes dos corpos. Portante, nesse processo há transporte de
energia sem arraste de matéria.
Bons
e maus condutores de calor.
Nos
sólidos as moléculas estão mais próximas uma das outras, do que nos líquidos
egases, por isso os sólidos conduzem o
calor melhor que os líquidos, sendo os gases os piores condutores de calor.
Entre os sólidos os melhores condutores de calor são os metais. No entanto as
experiências mostram que nem todos os sólidos e nem todos os metais conduzem
igualmente o calor. Esse fato é demonstrado pela experiência de Ingenhausz[1],
Material: Papel alumínio ou lata de refrigerante;
folha de papel ofício;
palito de madeira;
cola instantânea;
vela
fósforos.
Procedimentos:
1- Recorte uma peça de alumínio com formato circular;
2- Fixe esta peça de alumínio a um palito de madeira (como
se fosse um cabo de panela);
3- Recorte o papel ofício no formado de flâmulas/bandeiras,
fixando-as com cola instantânea a pequenas haste de madeira.
4- Acenda a vela e pingue gotas de cera em linha, que vai da
superfície de metal até ao cabo de madeira da nossa montagem anterior (ao
pingar a cera imediatamente coloque uma bandeira junto a cera para fixa-lá,
tomando o cuidado de manter um espaçamento igual entre a bandeiras);
5- Antes de executar o passo seguinte, anote no seu
relatório de experimentos qual sua previsão de acontecimento para o
procedimento indicado abaixo;
6- Suspenda o conjunto sobre a chama da vela, a uns 3 cm
acima da mesma ( a chama da vela deve ficar posicionada na junção que liga a
estrutura de metal com a de madeira);
7- Anote o que você observou ao executar o procedimento
acima;
8- Qual sua explicação para o fenômeno observado;
8- Compare o resultado do seu relatório da observação do
fenômeno ocorrido com o relato da sua previsão para o mesmo.
Conclusões.
Responda:
1-As panelas, como as que observam
na figura que se segue, são feitas de metal. Porque será?
2-Muitas das panelas que hoje estão
no mercado, sendo de metal como a que mostra a figura, têm pegadores de
borracha e não de metal. Porque será?
3- Qual o motivo para as panelas de aço inox possuírem fundo
triplo?
Jan Ingenhousz foi um fisiologista, biólogo e químico
neerlandês. Ele é mais reconhecido por demonstrar que a luz é um elemento
essencial para a respiração das plantas, um importante passo para a descoberta
da fotossíntese. Foi também o médico da imperatriz austríaca Maria Tereza.
Wikipédia
Nascimento: 8 de dezembro de 1730, Breda, Países Baixos
Falecimento: 7 de setembro de 1799, Bowood House, Reino
Unido
Cônjuge: Agatha Maria Jacquin (de 1775 a 1799)
Formação: Universidade de Leuven (1753), Universidade de
Leiden
domingo, 8 de setembro de 2019
Primeira Semana:
- Apresentação da proposta de trabalho:
- Apresentação de experimentos motivadores para o ensino de Ciências.
- Aplicação de um teste sobre as concepções alternativas de
calor, temperatura e energia interna.
- Apresentação da plataforma Arduino e o programa PLX-DAQ para
aquisições automáticas de dados para o Excel. (Massa, Temperatura e Pressão).
- Atividades propostas com o tema: temperatura e seus
efeitos, seus processos de medição (termômetros e escalas termométricas).
- Atividade prática e discussão sobre termoscópios e
termômetros a gás.
O curso proposto é na forma de uma oficina dividida em sete
(7) semanas com encontros de três horas (3h) semanais (três encontros semanais
de uma hora), totalizando, portanto, 21h. A cada encontro será solicitado e
desenvolvido um conjunto de experimentos dentro do tema Física Térmica,
direcionado ao ensino médio e/ou fundamental. Experimento este confeccionado
com materiais de fácil obtenção e baixo custo, sendo acompanhado de um roteiro
para o professor. Os temas dos trabalhos serão colocados no primeiro encontro e
devem ser desenvolvidos em grupos com no máximo três integrantes cada. Todas as
atividades partirão de situações-problema que evidenciem a sua utilização no
cotidiano e planejadas de acordo com os Três Momentos Pedagógicos.
As Oficinas, consistem no desenvolvimento de atividades
experimentais de cunho investigativo, onde o aluno é provocado através de uma
situação-problema, planejar, documentar e pôr em prática a montagem de
experimentos explorando as questões construtivas e conceituais relacionadas ao
referido problema.
Portanto, as atividades aqui propostas serão desenvolvidas, aplicadas
e avaliadas, para o resultado final apresentado, tenha sido minimamente testado
em situações de sala de aula.
Primeira semana (3h)
Inicialmente será
apresentada a proposta de trabalho, aplicação de um teste
(pré-teste) sobre as concepções
alternativas de calor, temperatura e energia interna (Anexo A) proposto por Silveira e Moreira
(1996) e a exploração de experimentos motivadores.
Apresentação da física como ciência experimental, chamando a atenção a uma visão histórica do desenvolvimento desta ciência. De Aristóteles (384-322 aC) a Galileo (1564-1642).
CIÊNCIAS NATURAIS
Ciências naturais são aquelas que tem a natureza como campo de estudo: Física, Química, Biologia, Geologia, etc. Esta divisão tem origem histórica e é difícil, ás vezes, especificar claramente limite entre elas, principalmente nos últimos anos em que o progresso da Ciência tornou esta divisão artificial.
A palavra Física provem do vocábulo grego “Physis” que significa natureza. Logo podemos conceituar Física como a ciência que estuda a natureza.
A partir do século XVII através de Galileu Galilei (1564-1642) a Física, também conhecida como filosofia natural devido a seu tratamento até então filosófico, passa a ser uma ciência “experimental” exata.
Os experimentos realizados para comprovar as leis estudadas levava o experimentador a quantificar as observações feitas “associar números a determinadas propriedades”.
FENÔMENOS
A natureza está em constante transformação, e cada uma destas transformações é um fenômeno. Assim, o clarão do relâmpago, o estrondo do trovão, as gotas de chuva que caem, a planta que cresce, o carro que anda, o rádio que toca, o balão que estoura, tudo isso são fenômenos.
A Física ocupa-se em estudar essas transformações (fenômenos físicos).
Primeiro experimento ...
A experimentação clássica da queda dos corpos.
1- Duas esferas de mesma dimensão: uma de ferro e outra de madeira, soltas queda livre de uma mesma altura. Qual chegará primeiro ao solo?
2- Duas folhas de papel idênticas, sendo uma delas compactada (amassada) e solta em queda livre, qual chegará primeiro ao solo?
segundo experimento ... o efeito da corrente continua em condutores metálicos. Experimento de Hans Christian Oerested (1777 - 1851).
Terceiro experimento ... o princípio de Arquimedes. Arquimedes de Siracusa (288 - 212 aC)
O empuxo aplicado a flutuabilidade de navios e submarinos bem como a aplicação em biologia com o experimento da bexiga natatória.
Quarto experimento ... ondas estacionarias em cordas.
quinto experimento ... termoquímica com reações exotérmicas (gesso calcinado)
sexto experimento ... a pilha de Volta
Alessandro Volta (1745 - 1827) sétimo experimento...Eletrostática (eletroscópio de folhas e eletroscópio eletrônico)
Foi na Grécia Antiga que começou o interesse do ser humano pela eletricidade. Em 600 a.C, Tales de Mileto (625 – 547 aC) observou um fenômeno interessante com o âmbar ( uma resina natural). O âmbar chamado pelos gregos de eléktron, quando atritado contra a pele de um animal como o gato, por exemplo, adquiria a capacidade de atrair pêlos, fios de palha e penugens. Esse fenômeno, muito conhecido hoje, passou séculos sem ser incluído em nenhum campo de estudo da ciência. Até que... O estudo sistemático desses fenômenos foi retomado por volta de 1600. O inglês William Gilbert (1544 – 1603) foi o primeiro a utilizar o termo elétrico, derivado do grego eléktron. Ele verificou que certas substâncias, ao serem atritadas, tal como o âmbar adquiriam a capacidade de atrair objetos leves. Hoje sabemos se tratar de fenômenos de eletricidade estática. A seguir apresentaremos
como se utiliza a plataforma de prototipagem ARDUINO para aquisição automática
de dados, como temperatura, massa e pressão. Essas grandezas são necessárias
para o desenvolvimento das atividades experimentais de Física Térmica. Dentro
da filosofia maker “aprender fazendo” e com objetivo de redução de custos,
aliado a utilização dos meios tecnológicos, será produzido um termômetro, uma
balança de precisão e um barômetro a custo muito baixo e grande versatilidade
para disponibilizar nas demais atividades propostas durante o curso.
Termômetro para líquidos.
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <Wire.h> // usando a biblioteca Wire
#include <LiquidCrystal_I2C.h> // usando a biblioteca LiquidCrystal I2C
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 16, 4); // Configura endereço I2C e display com 16 caracteres e 2 linhas
Serial.print("DATA,TIME,"); //inicia a impressão de dados, sempre iniciando
temperatura = (bmp180.readTemperature());
altitude = (bmp180.readAltitude());
pressao = (bmp180.readPressure());
Serial.print(temperatura);
Serial.print(",");
Serial.print(pressao);
Serial.print(",");
Serial.print(altitude);
Serial.print(",");
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Temp. : ");
Serial.print("Temperatura : ");
if ( bmp180.readTemperature() < 10)
{
lcd.print(" ");
lcd.print(bmp180.readTemperature());
Serial.print(bmp180.readTemperature());
Serial.println(" C");
}
else
{
lcd.print(bmp180.readTemperature(),1);
Serial.print(bmp180.readTemperature(),1);
Serial.println(" C");
}
lcd.print(" ");
lcd.print((char)223);
lcd.print("C ");
if (mostrador == 0)
{
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Altit.: ");
Serial.print("Altitude : ");
lcd.print(bmp180.readAltitude());
Serial.print(bmp180.readAltitude());
Serial.println(" m");
lcd.print(" m");
}
if (mostrador == 1)
{
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Press.: ");
Serial.print("Pressao : ");
lcd.print(bmp180.readPressure());
Serial.print(bmp180.readPressure());
Serial.println(" Pa");
lcd.print(" Pa");
}
delay(3000);
mostrador = !mostrador;
}
#include "HX711.h" // Biblioteca HX711
#define DOUT A0 // HX711 DATA OUT = pino A0 do Arduino
#define CLK A1 // HX711 SCK IN = pino A1 do Arduino
#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(12,11, 5, 4, 3, 2);
HX711 balanca; // define instancia balança HX711
int linha = 0;
float calibration_factor = 957130.00; // fator de calibração aferido na Calibraçao
void setup()
{
balanca.begin(DOUT, CLK); // inicializa a balança
Serial.println("Balança com HX711 - celula de carga 50 Kg");
Serial.println("Pressione t para Tara"); // imprime no monitor serial
balanca.set_scale(calibration_factor); // ajusta fator de calibração
balanca.tare(); // zera a Balança
Serial.begin(9600); //Inicializa comunicação Serial
Serial.println("CLEARDATA"); // Reset da comunicação serial
Serial.println("LABEL,Hora,Massa,linha"); // Nomeia as colunas
lcd.begin(16,2);
}
void loop()
{
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Massa.:");
Serial.print("Peso: "); // imprime no monitor serial
Serial.print(balanca.get_units(), 4); // imprime peso na balança com 4 casas decimais
Serial.println("kg"); // imprime no monitor serial
lcd.print(" ");
lcd.print(balanca.get_units(), 4);
lcd.print("kg");
delay(2000) ; // atraso de 0,5 segundos
if (Serial.available()) // se a serial estiver disponivel
{
char temp = Serial.read(); // le carcter da serial
if (temp == 't' || temp == 'T') // se pressionar t ou T
{
balanca.tare(); // zera a balança
Serial.println(" Balança zerada"); // imprime no monitor serial
}
}
linha++; // incrementa a linha do excel para que a leitura pule de linha em linha
Serial.print("DATA,TIME,"); //inicia a impressão de dados, sempre iniciando
Serial.print(balanca.get_units(), 4);
Serial.print(",");
Serial.println(linha);
if (linha > 100) //laço para limitar a quantidade de dados
{
linha = 0;
Serial.println("ROW,SET,2"); // alimentação das linhas com os dados sempre iniciando
}
delay(500); //espera 5 segundos para fazer nova leitura
}
Na sequência, vamos
propor atividades sobre temperatura e seus efeitos, fazendo uma análise do
ponto de vista macroscópico e microscópico e seus processos de medição. Também
são analisados o equilíbrio térmico, o funcionamento dos termômetros e as
escalas termométricas. Para finalizar discutiremos experimentos associados a
construção e a utilização de termoscópios e termômetros a gás. Termologia: é o ramo da Física que estuda os fenômenos térmicos como calor, temperatura, dilatação, mudança de estado físico, energia térmica, os gases ideais, e suas manifestações. Termometria: é o ramo da termologia que estuda a temperatura e seu processo de medição. A noção inicial de temperatura é intuitiva. Todos nós sentimos os efeitos da temperatura, mas não podemos defini-la. A sensação física de quente e frio que obtemos ao tocarmos os objetos, fornece-nos apenas uma vaga ideia do que seja temperatura e não serve como padrão, pois varia conforme a situação apresentada e de pessoa para pessoa. Exemplo clássico.
Ao colocarmos uma das mãos em um recipientes contendo água quente e a outra mão em outro recipiente com água fria, e em seguida, colocarmos as mãos, em um terceiro recipiente contendo água morna, teremos sensações diferentes nas mãos. A mão que estava no recipiente com água quente, terá a sensação de frio, enquanto que aquela que estava no recipiente com água fria, apresentará a sensação de quente. Temos então dificuldade para definir temperatura, mas podemos medi-la com grande facilidade. Para isso, utilizamos um sistema o "termômetro" que tem como base, uma substância com pelo menos uma grandeza física, variando sensível e uniformemente com a temperatura. (substância termométrica) Equilíbrio Térmico: Imagine dois sistemas A e B postos em presença, sendo que o sistema A provoca no operador a sensação de quente e o sistema B provoca a sensação de frio. Para fixar a ideia, considere uma variante do exemplo citado anteriormente, na qual o sistema A seria um líquido morno, dentro de um copo, e o sistema B seria um copo com água e pedras de gelo. A experiência mostra que, decorrido um certo intervalo de tempo, os sistemas provocarão no operador a mesma sensação. Suponha que tenham sido fixados as coordenadas macroscópicas desses sistema no instante em que eles são postos em presença. Verifica-se, enquanto os sistemas provocam sensações distintas no operador, as coordenadas macroscópicas estarão variando. A variação cessa quando os sistemas provocam a mesma sensação no operador. Note, entretanto, que as sensações são subjetivas, isto é, dependentes do operador. Assim, elas são inaceitáveis para a física, pois não se prestam a um critério de medida, o que não acontece com as coordenadas macroscópicas, pois existem critérios universais para medi-las. Rejeitando, pois, as sensações, podemos enunciar a seguinte definição: "Dizemos que entre os sistemas A e B postos em presença se estabelece o equilíbrio térmico quando cessa a variação de suas coordenadas macroscópicas." A lei zero da Termodinâmica pode ser enunciada simplesmente da seguinte maneira: "Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si." O conceito de temperatura: A temperatura é a propriedade que permite dizer se dois ou mais sistema estão ou não em equilíbrio térmico. Dois ou mais sistemas em equilíbrio térmico apresenta mesma temperatura; sistemas que não estão em equilíbrio térmico apresentam temperaturas diferentes. Note que este conceito é estritamente macroscópico. Temperatura: A temperatura está associada da energia cinética e potencial, média dos átomos e das molécula em um sistema. Posteriormente você aprenderá a conceituar a temperatura do ponto de vista microscópico. Escala de temperatura: Para que a temperatura fique completamente definida é necessário indicar como se associa um número a temperatura de um sistema. Essa associação resulta de um conjunto de regras e obedece basicamente as seguintes condições: a) as temperaturas de sistema em equilíbrio térmico associa-se o mesmo número; b) as temperaturas de sistemas que não se encontram em equilíbrio térmico associam-se números diferentes. Um conjunto de regras que satisfaz as condições acima constitui uma escala de temperaturas. A fixação de uma escala de temperatura começa com a escolha do termômetro, isto é de um sistema dotado de uma propriedade que varie regularmente com a temperatura. Tal propriedade é chamada propriedade termométrica. A cada valor da propriedade termométrica corresponderá um único valor da temperatura, isto é, a temperatura é uma função unívoca da propriedade termométrica. Simbolicamente escrevemos t = f(X), sendo que t indica a temperatura e X o valor da propriedade termométrica. Escolhido o termômetro e, conseqüentemente, a propriedade termométrica, o passo seguinte consiste em explicitar a função t = f(X), estabelecendo uma equação termométrica. Antes de 1954, a equação universalmente adotada era do tipo t = aX + b na qual a e b são constantes. Mais adiante mostraremos que, em 1954, foi adotada oficialmente uma equação do tipo T = aX, sugerida pelo químico Francis Giauque. Por ora, voltaremos a falar sobre a equação termométrica t = aX + b. Note que esta escolha é inteiramente arbitrária, e que em certos problemas poderão ser empregadas equações mais complicadas. Mas, afinal para que serve a equação termométrica. É ela que nos permite associar um número (a temperatura) a um certo valor medido X, da propriedade termométrica. Portanto, é a equação pela qual, a um dado valor X, podemos associar o valor correspondente de t. É claro que, para isto, é necessário conhecermos o valor dos coeficientes a e b. É isto que veremos a seguir. Determinação das constantes da equação termométrica: A determinação das constantes a e b é feita a partir de dois sistemas de fácil e fiel reprodução. Para as escalas termométricas usadas antes de 1954, os sistemas universalmente escolhidos eram os seguintes: a) sistema gelo - água sob pressão normal (1 atm), cuja temperatura é aqui denominada ponto de gelo. b) sistema água - vapor d'água sob pressão normal (1 atm), cuja temperatura é aqui denominada ponto de vapor. Essas temperaturas são também denominadas "pontos fixos fundamentais" e o intervalo entre elas é denominado "intervalo fundamental" da escala. Uma vez determinadas as constantes a e b elas são introduzidas na equação termométrica, que passará a representar a equação característica da escala considerada. Para exemplificar faremos o estabelecimento da chamada escala arbitrária.
Termoscópio: Primeiro instrumento utilizado para verificar o estado térmico de um corpo, criado por Galileu em 1602. Termômetro: Instrumento utilizado para medir a temperatura de um sistema ou de um corpo. Substância termométrica: substância que pelo menos uma grandeza física variando em função da temperatura. Grandeza termométrica: grandeza física que varia em função da temperatura. Ex; Termômetro de laboratório na sua maioria de mercúrio. Substância termométrica é o mercúrio (único metal líquido nas CNTP). Grandeza termométrica é o volume que varia substancialmente com a temperatura, variação essa representada pela coluna formada em um tubo capilar.
Atividade prática - Construindo um termômetro de líquido (substância termométrica será a água).*saiba mais sobre grandezas analógicas e digitais, clicando aqui. Escalas termométricas: Com a necessidade de quantificar a temperatura de um corpo ou sistema foi necessário a associação de números as variações da grandeza termométrica escolhida. Surgiram várias escalas, entre as mais conhecidas temos: Celsius, Fahrenheit e kelvin entre outras. Relação entre as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin. C/5 = F-32/9 = K-273/5
Arquimedes de Siracusa (288 - 212 aC)
