Atividade 7
1) PROBLEMATIZAÇÃO:
A temperatura ambiente, em quase todos os lugares da Terra, sofre variações
apreciáveis do dia para a noite, de uma estação para outra, etc. Assim, os objetos
existentes nesses lugares, evidentemente, terão suas dimensões alteradas
periodicamente. Para permitir que essas alterações ocorram sem causar danos, existe um
espaçamento entre um trilho e outro nas estradas de ferro. Nas pontes e viadutos, de
construção muito antiga, também há fendas de dilatação para possibilitar a expansão da
estrutura e nas quadras de esporte que ficam ao ar livre recebendo radiação solar, o piso
é feito em blocos quadrados, separados por um material elástico que possibilita a
dilatação do concreto.
2) PERGUNTAS-CHAVE:
Por que, na maioria dos casos, quando os corpos sólidos são
submetidos a uma variação de temperatura ocorrem alterações em
suas dimensões?
Por que nas oficinas mecânicas é muito comum se ver os
mecânicos aquecerem uma porca para retirá-la do parafuso, quando
ela está muito agarrada(1)?
3) CONCEITOS-CHAVE:
Definição de dilatação térmica.
3.1) DILATAÇÃO DOS SÓLIDOS CRISTALINOS:
Os sólidos cristalinos são constituídos de partículas (moléculas, átomos ou íons),
que se distribuem ordenadamente, dando origem a uma estrutura que é denominada rede
cristalina. A ligação entre essas partículas se faz por meio de forças eletromagnéticas que
atuam como se existissem pequenas “molas” unindo-as. Essas partículas estão em
constante vibração em torno de uma posição de equilíbrio. Quando a temperatura do
sólido aumenta, a amplitude de vibração também sofre acréscimo e, conseqüentemente,
a distância média entre os átomos torna-se maior, ocasionando a dilatação do sólido.
3.1) COEFICIENTE DE DILATAÇÃO:
Corpos geometricamente idênticos, porém constituídos de diferentes substâncias,
ao serem submetidos a uma mesma variação de temperatura, não têm suas dimensões
alteradas igualmente. Isto se deve a uma propriedade denominada de coeficiente de
dilatação volumétrica.
Apesar de ocorrer alteração nas três dimensões do corpo, dependendo de sua
forma, pode ser conveniente analisar apenas a variação no seu comprimento ou na sua
superfície. No primeiro caso, diz-se que há dilatação linear e a ela é associado um
coeficiente de dilatação linear, cujo valor corresponde a 1/3 do coeficiente de dilatação
volumétrica. No segundo, a dilatação é superficial e o coeficiente de dilatação equivale a
2/3 do de dilatação volumétrica.
4) ATIVIDADES EM GRUPO:
4.1) Introdução:
Sabe-se que quando a temperatura de um corpo aumenta ou diminui ocorre
variação em suas dimensões. Com o intuito de facilitar a compreensão desse fenômeno e
correlacioná-lo com situações cotidianas ou presentes em artefatos e aparelhos
domésticos e industriais, propõe-se uma seqüência de atividades, incluindo experimentos,
que tratam dos três tipos dilatação térmica dos sólidos cristalinos: linear, superficial e
volumétrica.
Dada a importância de habilitar os estudantes para desenvolverem tarefas
coletivamente, considera-se relevante que as atividades sejam realizadas em grupo.
4.2) Seqüência das atividades:
1ª - Propor questões do cotidiano do aluno sobre o assunto, a fim de motivá-lo ao estudo.
Sugere-se ainda que tais questões sirvam para compor uma avaliação diagnóstica
acerca de conhecimentos adquiridos formalmente e/ou através da experiência
vivencial dos estudantes;
2ª- Criar na sala de aula um clima favorável à explicitação de concepções/representações
sobre a dilatação térmica dos sólidos cristalinos e, a partir das respostas dos
estudantes, introduzir a explicação científica para a dilatação térmica;
3ª- Utilizar o 1º kit experimental para demonstrar a dilatação linear dos sólidos,
salientando os aspectos importantes deste fenômeno e, sempre que possível,
retomando as questões discutidas na etapa anterior;
4ª- Utilizar o 2º kit experimental como situação-problema, no sentido de desafiar os
estudantes a fazerem previsões antes da realização do experimento, compararem
suas hipóteses iniciais com as observações durante o funcionamento do kit e, por fim,
redigirem suas conclusões. Esta etapa pode servir para avaliar a aprendizagem. Caso
haja necessidade, o professor deverá explicar os principais aspectos relacionados a
um circuito elétrico simples;
5ª- Explorar o 3º kit experimental no estudo da dilatação superficial e como recurso para
gerar o conflito cognitivo, no que diz respeito ao aquecimento de uma chapa metálica
com um orifício.
4.3) Modelo de teste de sondagem:
1) Por que os fios das redes de distribuição de energia elétrica são colocados com
folga?
2) Quando desligamos o forno do fogão que permaneceu aceso durante algum
tempo, é comum ouvirmos estalos. Como você explica este fato?
3) Por que nas oficinas mecânicas é muito comum se ver os mecânicos aquecerem
uma porca para retirá-la do parafuso, quando ela está muito agarrada?
4) Para criar uma peça metálica, um artesão construiu
separadamente os elementos que iriam compô-la.
Dentre eles se encontravam uma chapa circular
com um orifício central e uma haste cilíndrica,
conforme figuras ao lado.
A haste deveria ficar bem justa no orifício, porém, no momento da montagem, o
artesão verificou que a mesma não entrava no orifício e, então, decidiu aquecer
a chapa para resolver o problema. Na sua opinião, o procedimento do artesão
possibilitou engatar a haste no orifício? Justifique sua resposta.
5) CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DOS KITS:
5.1) 1º Experimento de dilatação linear dos sólidos(2):
5.1.1) Material necessário:
Cola de madeira;
Madeira;
Álcool (em gel);
1 m de fio metálico;
uma haste de metal;
uma calha de ferro, ou outro material resistente ao fogo;
2 cantoneiras de metal de 3 cm de lado;
barbante;
1 mola de 0,5 cm;
1 placa de metal fina;
2 parafusos para madeira;
pregos;
fósforos.
5.1.2) Construção do kit:
Parte I
Construir em madeira, as peças de acordo com as formas e dimensões
especificadas nas figuras 1, 2, 3 e 4.
Figura
fig.
2 1
Figura 2
Figura 3: Peça em forma de “U”
Figura 4: Compensado fino, no
formato semelhante ao de ¼ de
circunferência, no qual deverá ser
feita a marcação angular.
Parte II
Colar e/ou pregar os pés (Figura 1) no apoio (Figura 2), conforme a Figura 5.
Figura 5
Fazer orifícios nas laterais da peça de madeira em “U” (Figura 3) como mostra a
Figura 6.
fig. 6
Figura 6: Os furos feitos na peça em forma de U devem ter o
diâmetro aproximado de uma haste de fio de cobre.
Colar e pregar a peça de madeira em forma de “U” (Figura 6) no apoio (Figura 5),
como mostra a Figura 7.
Entortar, previamente, a haste de metal, de modo que sua forma final seja um “L”;
em seguida pregar e/ou colar a placa de compensado fino na posição indicada na Figura
8 e nela fazer um orifício que coincida com os da peça em “U”; introduzir um dos braços
da haste nos orifícios.
haste
Figura 8
Parte III
Utilizar os parafusos para fixar as cantoneiras nas posições indicadas na Figura 10;
fazer uma argola em uma das extremidades do fio de metal, devendo a outra ser presa na
cantoneira fixada no lado esquerdo da base do kit; amarrar um pedaço de barbante na
argola e, em seguida, dar uma volta com ele na haste, prendendo sua extremidade livre
na mola, previamente fixada na segunda cantoneira; a calha de metal deve ser colocada
em baixo do fio.
Figura 9
5.1.3) Como funciona o kit:
Coloque álcool gel uniformemente ao longo da calha e produza a combustão. O
calor produzido pela queima do álcool aquecerá o fio e esse se dilatará. Então a mola (4)
tracionará o barbante que se encontra enrolado na haste e esta descreverá um
movimento circular. A graduação feita na peça ilustrada na Figura 4 permite a
visualização da dilatação térmica do fio metálico.
5.2) 2º Experimento referente de linear dos sólidos(3):
5.2.1) Material necessário:
1 placa de madeira quadrada de lado 18 cm e espessura 1 cm;
2 cubos de madeira de lado 5 cm;
1 garra jacaré;
1 lâmpada de 1,5 V;
1 receptáculo para lâmpada;
15 cm de fio de cobre 0,5 mm;
2 pedaços de 15 cm cabinhos;
2 pilhas alcalinas AA;
1 suporte para pilhas AA;
cola de madeira;
pregos;
super cola adesiva de rápida secagem;
1 vela.
5.2.2) Construção do kit:
Fixar os cubos de madeira na placa, utilizando pregos e/ou cola, conforme Figura
10.
Figura 10
Pregar em cada um dos cubos,
respectivamente, a garra jacaré e o
receptáculo da lâmpada e, em seguida,
fazer as ligações dos cabinhos aos
terminais do suporte para as pilhas, fixandoo na placa com super cola adesiva.
Conectar as extremidades livres dos cabinhos, respectivamente, ao receptáculo da
lâmpada e à garra jacaré.
Corte um pedaço do fio de cobre,
cujo comprimento deverá ser tal que ao
prender uma de suas extremidades na
garra jacaré a outra fique bem próxima do
receptáculo da lâmpada, porém sem
encostar nele. Coloque as pilhas no
Figura 11
suporte e o kit estará pronto (Figura 2).
5.2.3) Como funciona o kit:
Inicialmente o circuito elétrico está aberto e, portanto a lâmpada não acende.
Colocando-se uma vela acesa embaixo do fio de cobre sua temperatura aumentará e,
conseqüentemente, ocorrerá a dilatação térmica, provocando o contato do fio com o
receptáculo da lâmpada e esta acenderá.
5.3) Experimento de dilatação superficial dos sólidos:
5.3.1) Material necessário:
1 placa quadrada de alumínio de lado 10 cm e espessura 5 mm;
1 pequeno bloco de alumínio;
1 forma de empada;
Álcool gel;
1 pinça.
5.3.1) Construção do Kit:
Apesar de simples, a construção exige ferramentas e equipamentos de uma
oficina, devido à necessidade de precisão no corte e tornearia mecânica das peças em
alumínio que irão compor o kit.
Na região central da placa de alumínio deverá ser feito um corte circular de
diâmetro aproximadamente igual a 3 cm (Figura 12). O bloco de alumínio deverá ser
torneado, de modo a se tornar uma peça de encaixe (Figura 13), com o diâmetro de sua
base quase igual ao do corte na placa, tendo no centro um formato que permita ser
suspenso por uma pinça.
Figura 13
Figura 12
5.3.3) Como funciona o kit:
Quando as duas peças estiverem à temperatura ambiente, a de encaixe não
passará facilmente pelo orifício da placa. No entanto, ao ser colocada, com auxílio da
pinça, próxima ao fogo, sua temperatura se elevará e, tanto a placa quanto o orifício terão
suas dimensões aumentadas. Isto pode ser verificado, fazendo com que a peça de
encaixe passe pelo orifício.
6) SUGESTÕES PARA AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM:
1. Analise as respostas fornecidas pelo grupo às perguntas do teste de sondagem.
Em relação ao modelo científico para a dilatação dos sólidos cristalinos, elas
estão corretas? Caso haja necessidade apresente novas respostas.
2. Por que o gargarejo com água morna e sal alivia a dor de garganta(4)?
3.
O Tio Flip teve a maior boa vontade para
atender o pedido da sua querida Suriá.
Após várias tentativas ...
Acabou
aguçando
a
curiosidade do Top, sem
conseguir abrir o pote de
divertimentos da Suriá.
Se o Tio Flip ao invés de utilizar a força, pensasse um pouquinho nos fenômenos
térmicos, com certeza teria mais facilidade!!!
Explique, com poucas palavras, o que o Tio Flip deveria fazer.
7) SUGESTÃO PARA APROFUNDAMENTO DO CONTEÚDO:
O professor, a partir da indicação de referências bibliográficas aos alunos, propõe
como atividade extraclasse, a ser realizada individualmente e com prazo definido
previamente, o estudo dos seguintes temas:
- Aplicação do fenômeno de dilatação térmica dos sólidos em artefatos de uso
doméstico e/ou industrial;
- Dilatação térmica dos sólidos amorfos;
- Dilatação térmica dos líquidos.
Logo após a fase de estudo dos temas, como forma de avaliação, o professor pode
implementar em sala de aula um “jogo”, para o qual sugere-se que as tarefas sejam
realizadas em grupo com no máximo 5 componentes e que dele constem questões
abertas, tais como:
1) Observa-se que a probabilidade de um copo de vidro se quebrar é elevada,
quando em seu interior é despejado um líquido muito quente. Apresente uma
explicação científica para este fato.
2) Suponha que uma pessoa ao retirar a
mesa do almoço tenha empilhado os
copos e, na hora que foi lavá-los, verificou
que dois ficaram “engatados”, conforme
mostra a figura ao lado. Após várias
tentativas para soltá-los, ela decidiu
despejar água quente no copo 1. Com
esta atitude, a pessoa conseguiu soltar os
copos? Justifique(5).
3)
A tirinha acima representa uma cena muito comum em locais onde a temperatura
ambiente atinge valores abaixo de 0 ºC. Como pode ser explicado, fisicamente, o
congelamento apenas das camadas de água próximas à superfície do lago?
4) Os termostatos são utilizados como reguladores da temperatura de diversos
eletrodomésticos. Faça um esquema simplificado de um termostato e explique seu
funcionamento quando este estiver associado a um circuito elétrico.
5) A gasolina é vendida por litro, mas em sua utilização como combustível, a
massa é o que importa. Um aumento da temperatura do ambiente leva a um aumento no
volume da gasolina. Para minimizar os efeitos prático-econômicos decorrentes dessa
variação, nos postos de gasolina os tanques são subterrâneos. Se não fosse adotada
esta medida quem teria prejuízo ao abastecer um veículo num dia de verão com a
temperatura ambiente próxima dos 40 ºC, o proprietário do posto ou o dono do veículo?
Apresente uma justificativa para a resposta (6).
Notas:
(1) Adaptado de Carvalho, Regina Pinto de. Física do dia-a-dia – 105 perguntas e
respostas sobre Física fora da sala de aula. Belo Horizonte: Gutenberg, 2003. p. 57.
(2) Fortes, Cláudio Alberto. Kit experimental para o estudo de dilatação térmica linear.
Projeto e construção desenvolvidos na disciplina Instrumentação para o Ensino de
Física I – Curso de Graduação em Física, Universidade Federal Fluminense, Niterói,
2000.
(3) Saavedra, Rafael; Pereira, Genival. Projeto-Aula: dilatação térmica. 2004. 5 f. Trabalho
elaborado na disciplina Produção de Material Didático e Estratégias para o Ensino de
Física I – Curso de Graduação em Física, Universidade Federal Fluminense, Niterói.
2004.
(4) Carvalho, Regina Pinto de. Física do dia-a-dia – 105 perguntas e respostas sobre
Física fora da sala de aula. Belo Horizonte: Gutenberg, 2003. p.47.
(5) Adaptado de Carvalho, Regina Pinto de. Física do dia-a-dia – 105 perguntas e
respostas sobre Física fora da sala de aula. Belo Horizonte: Gutenberg, 2003. p.13.
(6) Adaptado do ENEM. In: Figueiredo, Aníbal e Pietrocola, Maurício. Calor e
Temperatura. Coleção Física um outro lado, São Paulo: Editora FTD S. A, 1998. p.17.