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 

int x=0;

OneWire pino(10);

DallasTemperature barramento(&pino);

DeviceAddress sensor1;

DeviceAddress sensor2; 

void setup(void)

{

  Serial.begin(9600);

    lcd.init();                      // inicializa LCD

  lcd.backlight();                 // ativa led de backlight

  Serial.println("CLEARDATA");

Serial.println("LABEL, Hora, temperatura1,temperatura2, linha");

  barramento.begin();

  barramento.getAddress(sensor1, 0);

  barramento.getAddress(sensor2, 1);  

}

void loop()

{

  Serial.print("DATA,TIME,"); //inicia a impressão de dados, sempre iniciando

  barramento.requestTemperatures();

  float temperatura1 = barramento.getTempC(sensor1);

  float temperatura2 = barramento.getTempC(sensor2);

    Serial.print(temperatura1);

    Serial.print(",");

    Serial.print(temperatura2);

    Serial.print(",");

    Serial.println(x);

  delay(500);

  

  lcd.clear();

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print(" LabFis Soluc. Tecn ");

lcd.setCursor(6, 1);

lcd.print("ArduQuest");  

lcd.setCursor(0, 2);

lcd.print("Temperatura1:");

lcd.print(temperatura1);

lcd.print((char)223);

lcd.print("C");

lcd.setCursor(0, 3);

lcd.print("Temperatura2:");

lcd.print(temperatura2);

lcd.print((char)223);

lcd.print("C");

 if( x > 50) {

    x = 0;

    Serial.println("ROW,SET,2");

  }

  x++;

  delay(300);

delay(500);

}

TERMÔMETRO COM lm35.

//Sensor de temperatura usando o LM35

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12,11, 5, 4, 3, 2);

const int LM35 = A0; // Define o pino que lera a saída do LM35

float temperatura; // Variável que armazenará a temperatura medida

const int LM352 = A1; // Define o pino que lera a saída do LM35

float temperatura1; // Variável que armazenará a temperatura medida

const int LM353 = A2; // Define o pino que lera a saída do LM35

float temperatura2; // Variável que armazenará a temperatura medida

int x=0;

//Função que será executada uma vez quando ligar ou resetar o Arduino

void setup() {

Serial.begin(9600); // inicializa a comunicação serial

lcd.begin(16,2);

Serial.println("CLEARDATA");

Serial.println("LABEL, Hora, temperatura,temperatura1, linha");

} 

//Função que será executada continuamente

void loop() {

Serial.print("DATA,TIME,"); //inicia a impressão de dados, sempre iniciando

temperatura = (float(analogRead(LM35))*5/(1023))/0.01;

temperatura1 = (float(analogRead(LM352))*5/(1023))/0.01;

  for (int i = 1; i <= 8; i++) {   

    }

lcd.clear();

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Temp.1:");

lcd.print(temperatura);

lcd.print((char)223);

lcd.print("C");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Temp.2:"); 

lcd.print(temperatura1);

lcd.print((char)223);

lcd.print("C");  

  Serial.print(temperatura);

  Serial.print(",");

  Serial.print(temperatura1);

  //Serial.print(",");

  //Serial.print(temperatura2);

  Serial.print(",");

  Serial.println(x);

 if( x > 50) {

    x = 0;

    Serial.println("ROW,SET,2");

  }

  x++;

  delay(300);

delay(500);

}

BARÔMETRO COM aRDUINO

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_BMP085.h>

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12,11, 5, 4, 3, 2);

Adafruit_BMP085 bmp180;

int mostrador = 0;

float temperatura;

float pressao;

float altitude;   

void setup() 

{

  Serial.begin(9600);

    Serial.println("CLEARDATA");

Serial.println("LABEL, Hora, Temperatura, Pressao, Altitude");

  lcd.begin(16,2);

  if (!bmp180.begin()) 

  {

    Serial.println("Sensor nao encontrado !!");

    while (1) {}

  }

}

   

void loop() 

{   

   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