ISBN 978-85-8015-053-7
Cadernos PDE
VOLUME I I
Versão Online
2009
O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOS
DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE
Produção Didático-Pedagógica
SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO
SUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO
PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO
EDUCACIONAL - PDE
PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICA
UNIDADE DIDÁTICA
APLICAÇÕES DA TERMODINÂMICA NA COZINHA
Área: FÍSICA
Professor PDE: MARIA ILDA TANAKA
IES: UEM / FAFIPA
Professor orientador: SHALIMAR CALEGARI ZANATTA
Agosto – 2010
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IDENTIFICAÇÃO
Professor PDE: MARIA ILDA TANAKA
Área PDE: FÍSICA
NRE: PARANAVAÍ
Professor Orientador IES: SHALIMAR CALEGARI ZANATTA
IES vinculada: UEM/FAFIPA
Escola de Implementação: Colégio Estadual Enira Moraes Ribeiro
Público objeto da intervenção: alunos do 2º e 3º ano do Ensino Médio e Curso Técnico em
Alimentos
TEMA DE ESTUDO DO PROFESSOR PDE: TERMODINÂMICA APLICADA
TÍTULO: APLICAÇÕES DA TERMODINÂMICA NA COZINHA
APRESENTAÇÃO
O presente trabalho refere-se à Produção Didático- Pedagógica que faz parte do
PDE – Programa de Desenvolvimento Educacional, ofertado pela Secretaria de Estado de
Educação do Paraná, aos professores da Rede Pública do estado. Ele foi elaborado com base no
Projeto de Intervenção Pedagógica “Aplicações da Termodinâmica na cozinha”, em que
buscaremos versar sobre alguns conceitos e princípios físicos através da observação de
fenômenos ou instrumentos diários que utilizam conceitos da Termodinâmica, tais como:
termômetro, garrafa térmica, panela de pressão, forno de microondas, a formação das brisas
marítimas, o efeito estufa, posição do congelador da geladeira, o fenômeno da radiação
verificado quando nos aproximamos de uma chama ou ficamos expostos ao Sol, etc.
Abordaremos também a questão do congelamento dos lagos, sobre a posição dos aquecedores
de ambiente, o uso de roupas de lã no inverno, da fabricação das panelas, etc. Pensamos em
relacionar os conceitos físicos com a sua aplicação na cozinha, pois a mesma é um ambiente de
fácil acesso, muito utilizado por todos e que possibilita tratar sobre diversas questões
relacionadas ao cotidiano dos estudantes. Além disso, é um local onde podemos desenvolver
um ensino contextualizado, visando relacionar os conteúdos adquiridos, em sala de aula, com o
contexto diário dos alunos.
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CONTEÚDO
O conteúdo de Termodinâmica apresentado nesta Unidade será trabalhado de forma
lúdica, prazerosa, através de atividades experimentais, tendo um caráter experimental e
investigativo. Os estudos da Termodinâmica podem ser desdobrados a partir das suas Leis,
onde aparecem conceitos como temperatura, calor e as primeiras formulações da conservação
de energia.
ATIVIDADE 1 – Um pouco da História da Termodinâmica
OBJETIVO: Compreender um pouco da história e evolução dos conceitos e ideias da
Termodinâmica como possíveis pontos de partida para construção do conhecimento.
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE
1 – Vamos nos reunir em grupo de no máximo 5 alunos e pesquisar em livros, internet, e outros
materiais um pouco da História da Termodinâmica. O que é a Termodinâmica, qual o
significado da palavra, qual a sua origem, quais os fatos mais importantes relacionados com o
desenvolvimento da Termodinâmica?
2 – Após a realização da pesquisa os dados obtidos serão apresentados ao grande grupo em
forma de seminário.
SERÁ QUE
CALOR E
TEMPERATUR
A SÃO A
MESMA
COISA?
ATIVIDADE 2 – Identificar objetos e fenômenos que envolvem os conceitos de calor e
temperatura
OBJETIVO: Incentivar os alunos a identificarem fenômenos, fontes e sistemas que envolvem
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calor para explicar a participação do mesmo nos processos naturais ou tecnológicos.
Levar os alunos a perceber a constante presença da energia, denominada calor em nosso dia-adia.
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE
1 - Estamos sempre utilizando a palavra “calor” em diversas ocasiões no nosso dia-a-dia. Para
iniciarmos nosso estudo relacionados com fenômenos térmicos, escreva em seu caderno
algumas frases típicas que você diz quando deseja falar algo relacionado ao calor ou ao frio.
Apresente para a turma as frases que você escreveu. Relacione quais coisas ou fenômenos
estão associados a cada frase.
2 – Agora, em grupo de no máximo 5 alunos, dêem uma olhada à sua volta e digam que
elementos, na sua opinião, têm alguma relação com o calor ou com temperatura. Façam uma
lista de pelo menos 10 elementos, processos ou situações que estão relacionadas com o calor
ou com temperatura.
3 – Quais características ou qualidades dos elementos que vocês listaram os associa a
processos térmicos?
4 – Reorganizem a sala em um grande grupo e encontrem algo em comum entre o que foi
citado, de modo que possam ser agrupados. (Dar um certo tempo para que eles possam fazer o
agrupamento de acordo com o que eles propuserem).
5 – Como sugestão podemos classificar todos os elementos que vocês listaram em três
categorias: I) substâncias e materiais; II) processos, fenômenos e conceitos; III) máquinas,
aparelhos e sistemas naturais.
Monte uma tabela para ilustrar a classificação dos elementos com base nesses três critérios.
Substâncias e
Processos,
materiais
conceitos
fenômenos
e Máquinas,
aparelhos
e
sistemas naturais
Esta classificação é utilizada no material do GREF. Pode-se estabelecer outras formas de
categorização.
Neste momento, a ideia dessa atividade é fazer com que surjam condições para que
a Física Térmica seja tratada como um instrumento de compreensão do mundo.
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Agora que já vimos que o calor é “algo” profundamente ligado a todos os processos
naturais e artificiais que estão à nossa volta, e que direta ou indiretamente, ele está sempre
presente no nosso cotidiano, vamos iniciar o estudo da Física Térmica partindo da discussão de
fenômenos, fontes e sistemas que envolvem a troca de calor.
Mas...
O que é esse tal de
calor???
ATIVIDADE 3 – O Calor pedindo passagem
OBJETIVO: Discutir sobre o uso dos termos “calor” e “frio”, para introduzir o conceito de
calor.
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE
1 – Propor aos alunos que façam a leitura do texto Um “Interrrogatório” com o calor, do
livro Física Um outro lado – Calor e Temperatura.
2 – Selecionar os alunos para realizarem a interpretação teatral do texto proposto, onde o frio e
o calor são colocados no banco dos réus, frente a frente, mas... Veja por que desistimos.
3 – Essa interpretação teatral deverá ser apresentada posteriormente para toda a turma.
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Calor é energia térmica
em trânsito motivada por
uma diferença de
temperatura, sendo
sempre transferida do
meio mais quente para o
meio mais frio. Está
associada ao movimento
Quando um corpo recebe energia térmica, o movimento de suas moléculas torna-se
mais intenso, passam a se agitar mais intensamente. Ao perder energia, ocorre diminuição do
movimento molecular, as moléculas do corpo se agitam com menor densidade. Podemos
considerar a temperatura de um corpo como a medida do grau de agitação de suas
moléculas.
A
T1
Fluxo de
calor
B
T2
Como exemplo, tomemos dois corpos A e B, representados na figura, com
temperaturas diferentes T1 e T2, respectivamente, sendo T1 maior que T2, estão em contato,
há um fluxo de calor se transferindo do corpo de maior temperatura para o de menor
temperatura. Ou seja, há uma passagem de energia térmica (calor) do corpo mais quente para o
corpo mais frio, independentemente de suas massas, até que os mesmo atinjam o equilíbrio
térmico. Assim, dois corpos em equilíbrio térmico possuem obrigatoriamente a mesma
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temperatura.
O que constitui a lei zero da termodinâmica.
“Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio
entre si”.
Assim, se um corpo A está em equilíbrio com um corpo C, e um corpo B também
está em equilíbrio térmico com um corpo C, os corpos A e B estão em equilíbrio térmico entre
si.
HUMMM! Estou
tão quente!
Será que estou
com febre?
Quando uma pessoa acha que está com febre, a primeira coisa que nós pensamos
em fazer é colocar a mão na testa dela, ou em seu pescoço, e arriscar um diagnóstico. Às vezes
colocamos a mão na nossa testa, ou no nosso corpo para fazer uma comparação.
Será que o nosso tato é um bom instrumento para medir temperaturas?
Vamos fazer uma experiência?
Para esta atividade vamos precisar de 3 vasilhas grandes.
Em uma delas coloque um pouco de água quente. Cuidado para não aquecer demais e se
queimar!
Na outra coloque água da torneira.
E na última coloque água com gelo.
Como proceder:
Coloque as duas mãos na vasilha do meio que contém água da torneira, à temperatura
ambiente; Aguarde alguns instantes.
Mude uma das mãos para a vasilha com água aquecida e a outra na água com gelo. Aguarde
alguns instantes.
Retorne as mãos para o recipiente contendo água da torneira.
Agora responda: o que você sentiu? A sensação em ambas as mãos foi a mesma?
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Se não podemos confiar em nosso tato, o que poderia ser usado para se quantificar o
“quente” ou o “frio”? Como determinar a temperatura de um objeto?
Você já pensou qual será a temperatura de um forno caseiro? E de um forno de uma
siderúrgica? A temperatura do corpo humano e de um peixe?
É difícil tentar responder a essas perguntas, não é mesmo? E como será que se mede
tais temperaturas? Quais os instrumentos utilizados para realizar tais medidas?
ATIVIDADE 4 – Descobrindo temperaturas de diferentes corpos.
OBJETIVO: Fazer estimativas acerca das temperaturas de diferentes corpos
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE:
1 – Vamos pesquisar temperaturas de 15 diferentes elementos, quais seus instrumentos de
medida e como fazem tais medições.
2 – Compartilhe com seus colegas o que você pesquisou e discuta sobre os diferentes
instrumentos de temperatura que descobriram.
Como o nosso tato não é um instrumento de medida confiável, com medidas exatas,
precisamos recorrer a um instrumento de medida mais preciso que o nosso tato para medirmos
a temperatura do nosso corpo: o termômetro
E agora, que tal construirmos um termômetro e ver como ele funciona?
ATIVIDADE 5 – Construindo um termômetro
OBJETIVO: Compreender que as propriedades térmicas dos diferentes materiais, podem ser
utilizados como instrumentos de medidas de temperaturas.
MATERIAIS NECESSÁRIOS:
•
tubo de ensaio de 20 ml
•
Tubo capilar
•
Rolha de borracha furada no centro
•
Álcool
•
Mercurocromo ou corante
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•
Conta-gotas
Para calibração: vasilha com água e gelo
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE:
1 – Encaixe o tubo capilar na rolha de borracha;
2 – Coloque no tubo de ensaio 10 ml de álcool;
3 – Para colorir o álcool, pingue uma gota de mercurocromo ou corante;
4 – Tampe o tubo de ensaio com a rolha, deixando uma das extremidades do tubo capilar
imersa no álcool;
5 – Segure o tubo de ensaio. Você verá subir uma coluna de álcool no tubo capilar;
6 – Para fazer com que a coluna de álcool desça novamente, resfrie o tubo de ensaio passando
nele um algodão com álcool e sopre-o. Num instante a coluna de álcool vai “despencar” no
tubo capilar;
7 – Vamos calibrar o termômetro. Para isso, coloque-o em uma vasilha com gelo e espere
algum tempo para que se atinja o equilíbrio térmico, ou seja, até que a altura do álcool se
estabiliza. Anote a altura do álcool no tubo capilar, que irá corresponder à temperatura de
equilíbrio com o gelo fundente (0ºC);
8 – Agora, retire o termômetro da vasilha com gelo, segure-o entre suas mãos e espere até que
se atinja novamente o equilíbrio. Anote a nova altura atingida pelo álcool no tubo. Esta altura
corresponderá aproximada à temperatura do nosso corpo (37ºC).
9 – Através desse procedimento, você poderá construir uma escala para o seu termômetro.
Conhecendo dois pontos no tubo associados a duas temperaturas, meça a distância
correspondente ao intervalo de 0ºC a 37ºC e calcule, qual a distância irá corresponder a 1ºC,
indo do 0ºC até onde puder.
Assim, você acaba de construir um termômetro similar aos que compramos na
farmácia. O funcionamento é o mesmo, o que muda é o material .
Podemos agora usar o termômetro que acabamos de construir para medir a
temperatura de outros objetos e até mesmo da temperatura ambiente comparando o resultado
com a temperatura obtida em um termômetro comercial. Observe se a diferença entre ambos é
muito grande. Por que será? Será possível melhorar a sensibilidade e precisão do seu
termômetro? Quais os principais “defeitos” e “qualidades” dele?
E se agora você segurar o pote pela parte vazia. O que acontece com a velocidade
de crescimento da coluna de líquido? Ela subirá mais rápida ou mais lenta do que quando você
segura o pote pela parte cheia de álcool?
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10 – Após o término da atividade escreva um relatório, sintetizando o que você observou e
aprendeu.
ATIVIDADE 6 – Fontes de Calor
OBJETIVO: Identificar quais são as fontes de calor nas casas e nos ambientes freqüentados
pelos alunos.
Diferenciar os materiais que conduzem calor e os materiais isolantes.
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE
1 – Pedir aos alunos que em casa, vá até a cozinha, olhe bem à sua volta e anotem no seu
caderno pelo menos cinco elementos que estão diretamente relacionados ao calor.
2 – Na sala de aula, divididos em grupo de no máximo 5 alunos, observar bem o que anotaram
e responder, para cada uma delas, às seguintes questões:
a) O que produz calor?
b) O que transmite calor?
c) O que retira calor?
d) O que é usado para manter a temperatura?
e) E o frio? Cadê o frio?
3 – Voltando ao grande grupo, no quadro de giz, vá escrevendo os relatos dos alunos
agrupando-os em três categorias:
Fontes de calor
Materiais isolantes
Materiais condutores
PROPAGAÇÃO DE CALOR
CONDUÇÃO TÉRMICA
Já vimos que, quando objetos de diferentes temperaturas estão em contato, depois
de um certo tempo eles terão a mesma temperatura, ou seja, eles atingem o equilíbrio térmico,
onde um dos objetos cede energia térmica (calor) e o outro recebe, de modo que, no equilíbrio
térmico, a energia térmica e a temperatura dos dois objetos serão iguais.
Então como é que a energia térmica se move? Como ela passa de um objeto para
outro? Melhorando as palavras, como é que o calor se propaga?
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Andando descalça na areia da praça, de repente senti uma sensação de queimadura.
Por que será que isso ocorre? Por uma simples razão: a temperatura do pé estava mais baixa
que a temperatura da areia. Quando colocou o pé na areia, parte da energia térmica contida na
areia passou para o pé, que sofreu um aumento rápido de temperatura, daí essa sensação do pé
estar queimando.
Esse modo de propagação de energia térmica é chamado de condução, e ocorre
sempre que dois corpos de diferentes temperaturas são colocados em contato. Esse é um
processo muito comum de propagação de calor, que ocorre com freqüência no nosso dia-adia.
São chamados de condutores térmicos materiais como o metal, que conduzem o
calor, isto é, que permitem a passagem do calor. Como por exemplo, quando colocamos uma
chaleira com água para aquecer, a chama do fogo fornece energia térmica para o metal da
mesma. O metal, por sua vez, conduz o calor para o interior da chaleira, aquecendo a água que
lá se encontra.
Outro exemplo de condução é o resfriamento da própria água, que ao ser tirada do
fogo sua energia térmica é aos poucos transferida para o ar que está ao seu redor, aquecendoo.
Temos também materiais que impedem ou dificultam a passagem do calor. Esses
materiais são chamados de isolantes térmicos.
Por essa razão, o cabo das panelas é feito de material isolante,
normalmente de madeira ou de material plástico, que evita a passagem
do calor do metal da panela para a nossa mão.
Panela de metal –
condutor e o cabo
plástico - isolante
Imagem do próprio autor
Utilizamos caixa de isopor para manter as bebidas geladas. Ele é um material
isolante e dificulta a passagem do calor de fora para dentro. Assim, o ar no interior do isopor
(que está frio por causa do gelo) permanece resfriado por determinado tempo, mantendo as
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bebidas geladas.
Condução é uma forma de propagação de calor
que necessita de um meio material para ocorrer.
Vamos observar a tabela abaixo e comparar a condutividade de alguns materiais
sólidos. Nessa tabela também tem o coeficiente de um líquido (a água) e de um gás (o ar) com
os quais trocamos calor constantemente.
Substância
Coeficiente de
condutividade térmica
(Cal/s.cm.ºC ) [20°C]
ar
0,006 x l0 -3
fibra de vidro
0,0075 x l0-3
poliestireno
0,0075 x l0-3
amianto
0,02 x l0-3
madeira
0,02 x l0 -3
cortiça
0,04 x l0-3
cerâmica
0,11 x l0-3
água
0,15 x l0-3
concreto
0,2 x x l0-3
gelo (a 0°C)
0,22 x l0-3
vidro
0,25 x l0-3
tijolo
0,3 x l0-3
mercúrio
1,97 x l0-3
bismuto
2,00 x l0-3
chumbo
8,30 x l0 -3
aço
11,00 x 10-3
ferro
16,00 x l0-3
latão
26,00 x l0-3
alumínio
49,00 x l0-3
antimônio
55,00 x l0-3
ouro
70,00 x l0-3
cobre
92,00 x l0-3
prata
97,00 x l0-3
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ATIVIDADE 7 – Conduzindo o calor
OBJETIVO: Compreender o processo de troca de calor por condução que ocorre
cotidianamente.
Identificar materiais que são condutores ou isolantes térmicos.
MATERIAIS NECESSÁRIOS:
•
Fio de cobre de aproximadamente 15 cm de comprimento e de 2 ou 3 mm de diâmetro
•
Palito de madeira
•
Vela
•
Fósforo
•
Papel alumínio para enrolar o local onde o fogo entrará em contato com o palito de
madeira
•
Haste metálica com prendedor
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE
1 – Fixe o fio de cobre e o palito, cada um em uma haste metálica com prendedor, a uma certa
altura da chama da vela.
2 – Pingue algumas gotas de vela sobre o fio e sobre o palito, com espaçamentos
aproximadamente iguais.
3 – Espere alguns segundos para que a parafina (vela) endureça sobre a superfície do fio e do
palito.
4 – Acenda a vela na extremidade do fio e do palito.
Observe e responda:
1. As gotas de vela cairão primeiro do fio de cobre ou do palito de madeira?
2. 2. Todas as gotas cairão ao mesmo tempo?
3. 3. Qual delas cairá primeiro? A que está próxima da vela ou próxima da haste?
4. Por que isso acontece?
5. Relate acontecimentos ou fenômenos que você observa em seu dia-a-dia que parecem
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estar relacionados com este experimento.
Mais uma sobre condução:
MATERIAIS NECESSÁRIOS:
•
Haste metálica com prendedor
•
Vela
•
Lamparina
•
Três pedaços de arame de 35 cm (1 a 2mm de diâmetro), de diferentes materiais (cobre,
ferro, alumínio).
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE
1 – Pegue os três pedaços de arame, junte-os torcendo até atingirem 15 cm;
2 – Abrem-se as suas extremidade livres em forma de leque e fixe a parte retorcida no
prendedor da haste metálica;
3 – Pingue um pouco de parafina em cada uma das extremidades dos três arames, à igual
distância do ponto de união. Pingue também um pouco de parafina no fio de cobre, porém à
metade da distância do anterior. Coloque a lamparina acesa debaixo da parte trançada dos
arames, observando o comportamento dos pedaços de cera.
Agora responda:
1. Todos os pedaços de cera cairão ao mesmo tempo?
2. Em qual dos arames o pedaço de cera cairá primeiro?
3. Explique por que eles caem em tempos diferentes.
CONVECÇÃO TÉRMICA
Você alguma vez, ao tomar uma sopa cremosa e bem quentinha já queimou sua
boca? Como ocorre o aquecimento da água em uma panela colocada sobre uma chama? O
congelador de uma geladeira tem que estar sempre na parte de cima? E as suas prateleiras
precisam ser vazadas?
Para descobrir respostas para essas e mais perguntas, vamos estudar mais uma
forma de propagação do calor, a CONVECÇÃO.
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ATIVIDADE 8 – Convectando o calor
OBJETIVO: Compreender o processo de troca de calor por convecção que ocorre
cotidianamente.
MATERIAIS NECESSÁRIOS:
•
Vela
•
Linha
•
Folha de papel
•
Tesoura
•
Suporte
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE:
1 – Desenhe na folha uma espiral e corte-a de modo a formar uma espécie de “cobra”.
2 – faça um furo no início da espiral e amarre uma linha pendurando-a no suporte, cerca de 50
cm do chão, de maneira que ela possa girar livremente.
3 – Coloque uma vela acesa sob a espiral ou “móbile”, mantendo uma distância segura para
não queimá-la. Coloque a vela bem no centro da espiral.
4 – Observe o que acontece.
Agora responda:
1. O que deve acontecer com a espiral ao acendermos a vela?
2. Caso se mude o material da espiral, aconteceria a mesma coisa?
3. E se mantermos o material, mas mudarmos a espessura da espiral?
4. Registrem em forma de texto ou relatório, a explicação da teoria que fundamenta o
experimento e as conclusões das discussões.
5. Relate acontecimentos ou fenômenos que você observa em seu dia-a-dia que parecem
estar relacionados com esta experiência.
Após a realização do experimento os estudantes observaram que o funcionamento
do “móbile” ocorreu devido a propagação de calor por CONVECÇÃO.
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Quando aquecemos água em uma panela sobre uma chama, ocorre o mesmo
processo, o da convecção (além da condução e irradiação). As camadas de água situadas no
fundo da panela aquecem mais rapidamente do que as camadas superiores, devido sua
proximidade com a chama do fogão. Assim, as camadas mais quentes dilatam, tornando-se
menos densas (mais quentes) que as outras e sobem, de forma que as camadas mais densas
(mais frias) descem, formando uma corrente de convecção, onde constituem um outro
processo de propagação de calor, a convecção.
Convecção é o transporte de energia térmica de
uma região para outra por meio do transporte de
matéria, o que só pode ocorrer nos fluidos
(líquidos e gases)
Por causa da convecção o congelador é colocado na parte superior das geladeiras e
os aparelhos de ar refrigerado devem ficar na parte superior das paredes das casas. Na parte
superior, o ar é resfriado, torna-se mais denso e desce, empurrando para cima o ar que está
mais quente, este ao encontrar o congelador ou o ar condicionado, é resfriado, tornando-se
novamente mais denso e desce. O processo continua até que seja atingido o equilíbrio
térmico, isto é, até que todo o ar esteja à mesma temperatura.
Congelador
ficar
na
superior
geladeira
Imagem do próprio autor
deve
parte
da
Aquecedor
térmico deve ser
colocado no chão
do ambiente
Imagem do próprio autor
Um outro exemplo é a formação das brisas marítima e terrestre que acontecem nas
regiões litorâneas em decorrência do processo de propagação de calor por convecção. A
água, possui alto calor específico, sofre variações de temperatura relativamente pequenas.
Dessa maneira, a terra se aquece mais do que o mar durante o dia. O ar aquecido, em contato
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com a terra, sobe e produz uma região de baixa pressão, aspirando o ar que está sobre o mar.
Formando assim, a brisa marítima, pois o ar que está sobre o mar desloca-se para a terra.
Durante a noite, ao perder calor, a terra se resfria mais do que o mar, o ar que está sobre o mar
fica mais quente do que o ar que está sobre a terra. Mais aquecido, fica menos denso e sobe.
Assim, o ar que está sobre a terra se desloca em direção ao mar, formando a brisa terrestre.
Mar frio
Terra quente
A brisa marítima sopra durante
o dia.
Mar quente
Terra fria
Imagem do próprio autor
Noite
Imagem do próprio autor
Dia
À noite, sopra a brisa terrestre
IRRADIAÇÃO TÉRMICA
Em um dia de sol de verão, na beira da praia batendo papo com os amigos debaixo
do guarda-sol, pois a minha pele é muito branca, eis que, no final do dia, estava vermelha
feito um pimentão! Como isso aconteceu? Fiquei o tempo todo debaixo do guarda-sol.
Isso já aconteceu com algum de vocês?
Sabemos que a energia que ilumina nosso dia e nos aquece e até bronzeia, vem do
nosso astro rei, o Sol. Mas como essa energia pode chegar até nós?
Imagem do próprio autor
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O calor do Sol chega até a Terra por
irradiação
No espaço entre a Terra e o Sol existe quase nada de matéria, ou seja, que nesse
espaço existe o vácuo, um grande espaço vazio... Se não há átomos (matéria), não pode haver
condução de calor. Então, como é que a energia térmica do Sol chega até nós?
Existe uma outra forma de propagação de calor que é chamada de irradiação.
Irradiação é o processo de propagação de calor
que não necessita de um meio material para
ocorrer.
Na condução térmica, é necessário um meio material para que o fenômeno ocorra.
Na convecção térmica, há transporte de matéria e de energia. Na irradiação térmica, ocorre
somente transporte de energia; não há transporte de matéria nem a necessidade de existir um
meio material para que a irradiação se realize.
Assim, os raios de Sol deslocam-se pelo espaço carregando energia. Ao incidir
sobre a areia, esses raios podem ser absorvidos, cedendo energia para os átomos da areia,
esquentando-a.
Esses raios podem também ser refletidos e, por exemplo, atingir a pessoa que está
embaixo do guarda-sol. Desse modo, transferem energia para os átomos da pessoa, fazendo
com que ela fique vermelha! Foi o que aconteceu comigo e muitos de vocês.
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A irradiação térmica ocorre por meio das ondas eletromagnéticas denominadas
ondas caloríficas ou calor radiante, predominando os raios infravermelhos.
Quando uma fonte térmica emite calor, fazemos a distinção entre calor luminoso e
calor obscuro. O calor luminoso é o que vem acompanhado de luz (Sol, lâmpadas
incandescentes), enquanto o calor obscuro não é acompanhado de luz (fornos, ferros de
passar).
Se colocarmos a mão sob uma panela que acabamos de retirar do fogo, sem tocála, sentimos um certo aquecimento. A propagação desse calor teria se dado por condução ou
convecção? Como o ar é mau condutor térmico, praticamente não ocorre a condução.
Também não há convecção, porque o ar quente sobe. Sendo assim, o calor que recebemos só
pode nos ter atingido admitindo-se que ondas se propagaram da panela até nossa mão através
da irradiação.
As geladeiras domésticas modernas, bem como os radiadores de automóveis,
possuem partes pintadas de preto, cuja função é facilitar a troca de calor com o exterior, uma
vez que os objetos dessa cor irradiam melhor que os objetos coloridos ou brancos.
A irradiação térmica pode também estar associada à emissão de luz que ocorre
quando os objetos são aquecidos. Como exemplo temos, um pedaço de ferro, quando
aquecido, a partir de certa temperatura começa a emitir luz, primeiramente a vermelha (ferro
em brasa), depois fica laranja, amarela e por último branca. Os filamentos das lâmpadas
incandescentes, quando estão emitindo luz branca, se encontram à temperatura aproximada de
1250 0C.
O aquecimento de ambientes, através de aquecedores elétricos, e o aquecimento da
Terra pelo Sol também é baseado nesse processo de troca de calor.
O funcionamento do aquecedor solar também é baseado no processo de irradiação
térmica, que é bastante semelhante com a serpentina utilizada no resfriamento do chope. Só
que no caso do aquecedor solar a serpentina é exposta a uma fonte quente (Sol), ao contrário
da serpentina do chope, que fica exposta a uma fonte fria (gelo).
Em todas as trocas de calor que ocorrem entre objetos os processos de condução,
convecção e irradiação estão presentes, embora um possa ser predominante sobre os outros.
Porém, à medida que a temperatura da fonte de calor vai se elevando, a quantidade de calor
irradiada cresce muito mais do que a transferência por convecção e condução.
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ATIVIDADE 9: Irradiando calor
OBJETIVO: Mostrar que existe irradiação de calor produzida pela chama de uma vela.
MATERIAIS NECESSÁRIOS:
•
Vela
•
Fósforo para acender a vela
ENCAMINHAMENTO DA ATIVIDADE:
1 – Acenda a vela e a fixe em um local.
2 – Coloque a mão embaixo e ao lado da chama da vela. Tome cuidado para não encostar a
mão na chama da vela.
Agora responda:
1. O que você sentiu ao colocar a mão próxima à chama da vela?
2. E se colocar a mão sobre a chama da vela, o que acontece? Terá a mesma sensação?
3. Por que teve sensações diferentes?
Invólucro
plástico
Ei! Você sabia que existe um aparelho
combinação dos três processos de propagação de
calor?
Esse aparelho é a garrafa térmica. Ela
Vidro
espelhado
capaz de manter um líquido quente ou frio, graças à
vácuo
evita a condução, a radiação e a convecção de calor.
“Abaixo do invólucro plástico existe uma
garrafa formada por duas camadas de vidro. Entre as
Imagem do próprio autor
duas camadas quase não existe ar (vácuo). Sem ar
não existem átomos, ou moléculas, de modo que se evita a propagação de calor por
condução.
Além disso, a superfície do vidro é espelhada, interna e externamente. Desse
modo, quando há líquido quente no interior da garrafa, o calor que seria irradiado para fora é
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refletido para dentro; caso o líquido seja frio, o calor de fora não penetra na garrafa, pois é
refletido pela superfície do vidro. Isso evita a propagação de calor por radiação. E todas as
partes do líquido dentro da garrafa estarão à mesma temperatura, de modo que também não
ocorre a convecção.
Por isso, é possível conservar líquidos no interior de uma garrafa térmica, por um
bom tempo, praticamente à temperatura em que foram colocados,
pois ela diminui ao
máximo as trocas de calor entre o líquido e o meio ambiente.” (Telecurso 2000- 2° grau, pág.
27)
APROFUNDANDO O CONHECIMENTO:
Para aprofundar o conhecimento sobre Propagação de calor, assista à vídeo-aula
do telecurso 2000 de Física, que se encontra no site Telecurso 2000 2º Grau - Física - Aula
24 , onde mostra que o calor pode se propagar de três formas: por condução, por convecção e
por irradiação.
Podemos propor a leitura do texto reproduzido no Capítulo 4 – Lei Zero da
Termodinâmica do Livro Didático Público de Física (ver referência no final), especificamente
as páginas 70 (após o debate) e 71, e o texto das páginas 73 e 74 sobre “Alguns exemplos de
transferência de calor nos seres vivos”. Essa leitura ajudará os estudantes a compreender que
existem várias formas de transmitir calor.
Apresentamos também algumas propostas de trabalhos de pesquisa realizadas
pelos alunos sobre alguns temas científicos, tais como:
EFEITO ESTUFA: Qual a sua importância para a vida na Terra; possíveis danos para o meio
ambiente; as causas que têm provocado alterações deste fenômeno natural; quais as propostas
e medidas que se tem tomado, tanto mundialmente, em particular no Brasil, para evitar
maiores danos ao meio ambiente.
INVERSÃO TÉRMICA: o que provoca a ocorrência desse fenômeno natural; Quais medidas
estão sendo tomadas pelos governantes para evitar danos ao meio ambiente.
APLICAÇÃO TECNOLÓGICA: Como funciona o aquecimento de água atrvés da energia
solar, ou seja, o aquecedor solar; A utilização dos raios infravermelhos, principalmente no
ramo da medicina.
22
REFERÊNCIAS
ARAÚJO, M.S.T. de; ABIB, M.L.V.dos S. Atividades experimentais no ensino de física:
diferentes enfoques, diferentes finalidades, In: Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25,
n. 2, Junho de 2003. disponível em http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S180611172003000200007&script=sci_arttext, acesso em 12/01/2010.
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Vídeo
do
Telecurso
2000
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em