UM MODELO DE PROPOSTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DE ENGENHARIA Flávio Kieckow1 , Irionson Antonio Bassani2 & Ildon Guilherme Borchardt3 RESUMO A interpretação e a descrição matemática de fenômenos físicos a partir de experimentos, considerando uma experiência de conversão de energia elétrica em térmica, é usada como exemplo para o modelo proposto. A partir do balanço energético desenvolve-se a equação diferencial que descreve o fenômeno físico. Com as condições de contorno determina-se analiticamente a relação conhecida como "equivalente mecânico do calor J". Para o experimento utiliza-se um resistor elétrico colocado num calorímetro com água. Considerando-se nulo o total de energia trocada com o ambiente compara-se a energia elétrica com a energia térmica e obtém-se o valor numérico de “J”. A modelagem analítica é confrontada com o resultado de medições experimentais e com valores conhecidos. A experiê ncia foi aplicada em cursos de Engenharia Mecânica, Matemática e Física em diferentes Universidades Palavras-chave: ensino de engenharia, experimento didático, equivalente mecânico, descrição experimental e analítica ABSTRACT The mathematical interpretation and description of physical phenomena based on a transformation of electrical in thermal energy is theoretically and experimentally analysed. The energy balance is carried out for the considered system, and a differential equation is developed. Considering the boundary conditions the relation between electrical in thermal energy, known as “mechanical equivalent of heat J”, is analytically determined. For experimental purposes an electrical resistor is used in a calorimeter with water. Taking into account that the total exchanged energy with the vicinity is zero, the electrical energy is compared with the thermal energy and the J value is obtained. The analytical model is compared with the measured results, as well as with known values. The experiments were applied on Mechanical Engineering, Mathematical and Physic lectures in different Universities. Keywords: mechanical equivalent of heat, didactical experiment, experimental and analytic description INTRODUÇÃO Nos últimos anos tem crescido a discussão sobre as diretrizes curriculares dos cursos de engenharia, bem como sobre os conteúdos mínimos necessários a formação do engenheiro. No entanto, diminuíram as discussões sobre como serão implementadas estas mudanças no que se refere ao ensino nos -------------------------1 Professor, Mestre. Departamento de Engenharias e Ciência da Computação, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI. Av. Universidade das Missões, 464, Santo Ângelo, RS. CEP 98 802-470. Fone: (0xx55) 3313 7946. E-mail: [email protected] 2 Professor, Doutor. Departamento de Química e Física, Universidade de Santa Cruz do Sul – UNISC. Av. Independência, 2293, CEP 96815-900. Fone: (0xx51) 3717 7300. E-mail: [email protected] 3 Professor, Doutor. Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade do Vale do Rio dos Sinos - UNISINOS. Av. Unisinos, 950, São Leopoldo, RS. CEP 93.022-000. Fone: (0xx51) 590-3333. E-mail: [email protected] cursos de engenharia, que tem as suas particularidades. Há diversas propostas circulando em relação ao novo sistema de ensino, estas, podem ser sintetizadas em duas linhas: àqueles que defendem a idéia de aproximação com o setor produtivo e tecnológico e àqueles que defendem a aproximação com a pós- graduação e a ciência. Embora essas idéias pareçam ser antagônicas, elas podem ser conciliadas na formação do profissional. No sentido de harmonizar essas duas correntes de pensamento, os autores vem desenvo lvendo um ensino teórico-prático desde 1996 nos cursos de engenharia. Alguns resultados já foram publicados (Kieckow, et al., 1997, 1998, 1999). Outros resultados publicados recentemente têm ratificado a linha de trabalho dos autores, tal como o de (Silva, 2000), que analisou o desempenho de alunos de engenharia frente a diversas técnicas de ensino e concluiu que os que apresentaram melhor desempenho foram àqueles que tinham alguma experiência com trabalhos de pesquisa acadêmica (iniciação científica) ou atua ção profissional junto a empresas. A partir de experiências com disciplinas distintas teóricas e experimentais, (Nicolau e Güths, 2000) recomendaram o desenvolvimento simultâneo de experimentos e teoria em uma mesma disciplina (obrigatória) do curso de engenharia mecânica da UFSC. Este trabalho tem como objetivo apresentar, como proposta de abordagem dos conteúdos nas disciplinas da engenharia, o desenvolvimento de experimentos em laboratórios (dirigidos ou propostos por alunos) e de projetos ou atividades multidisciplinares vinculados a indústria (casos reais), propiciando um ensino teóricoprático e a aplicação/fixação imediata do conhecimento adquirido. Como modelo ou exemplo didático é apresentado um experimento para a determinação do equivalente mecânico do calor “J”. Este termo representa a relação existente entre a energia mecânica e a térmica (expressa em caloria), quando uma se converte na outra. A conversão de energia mecânica em térmica é mais difícil de ser obtida experimentalmente do que a conversão de energia elétrica em térmica. No entanto, os resultados são equivalentes, uma vez que o fenômeno envolvido “efeito Joule” e “transporte de energia” são de mesma natureza. Os autores deste trabalho baseiam-se neste fato para a determinação do “J”. Mesmo considerando a não utilidade do valor de J para cálculos de energia, os autores consideram o experimento para a sua determinação de grande valia didática. O experimento simula a energia mecânica a partir da dissipação de energia térmica em um resistor submetido a uma diferença de potencial. Os objetivos do experimento-exemp lo são: (a) mostrar como se modelam matematicamente sistemas físicos simples; (b) confrontar e analisar os resultados das medições experimentais com os calculados na modelagem analítica; (c) interpretar o fenômeno a partir das variáveis envolvidas no mesmo; (d) exercitar o uso de instrumentos de medição e avaliar a propagação das incertezas de medição. MODELAGEM DO SISTEMA TÉRMICO O sistema térmico analisado é composto por um resistor, água e um calorímetro, Figura 1. O sistema é isolado do ambiente pela fronteira de dois outros recipientes no entorno do calorímetro. A água é colocada no calorímetro e o resistor de resistência R é imerso nela. Uma tensão elétrica V é aplicada no resistor e ajustada a um valor fixo. Assim, ocorre uma dissipação constante de potência P no resistor. Fonte de tensão Termômetro V Isopor Água Voltímetro Recipiente metálico Recipiente polimérico Resistor Recipiente polimérico Figura 1. Esquema experiência. de montagem da Neste "Sistema Termodinâmico" ocorrem pelo menos três fenômenos físicos envolvendo a transferência de energia: Fenômeno 1 - A energia elétrica convertese em energia térmica no resistor devido ao Efeito Joule (maioria dos resistores quando excitados com cc). Se transdutores conversores são dispositivos que convertem e transferem energia entre dois sistemas, Borchardt (1999), então o resistor é um transdutor conversor de energia elétrica em térmica, Fig. (2). Energia Elétrica R Fenômeno 3 – Se a água e o calorímetro estão a uma temperatura maior que a do ambiente, então haverá troca de energia com o ambiente (sistema não isolado). Considerando um balanço de energia para os fenômenos analisados, tem-se: Energia fornecida Energia absorvida Energia ao sistema pelo sistema transferida pelo (energia elétrica = (energia interna da + sistema que é convertida em água e do (para o ambiente) térmica) calorímetro) Analisando-se cada um destes termos num intervalo de tempo dt tem-se: a) No primeiro bloco, a energia elétrica fornecida pelo resistor é Energia Térmica Figura 2. Esquema do resistor como um transdutor conversor de energia. E = V2 /R dt, A energia elétrica é fornecida ao resistor através de uma fonte de tensão elétrica, Figura 3. Se V é a tensão elétrica nos terminais da fonte e o resistor R está ligado aos terminais A e B, da fonte, então circulará uma corrente I através de R. A potência elétrica P dissipada em R será: a qual é convertida em energia térmica. P = V.I = V2 /R (1) Esta potência elétrica é convertida principalmente em térmica no resistor R, que terá sua temperatura elevada. Este fenômeno é conhecido como "Efeito Joule". (2) b) No segundo bloco, se T é a temperatura da água no tempo t e To a temperatura ambiente constante, define-se para o gradiente de temperatura a variável v = T To , e dv = dT: A energia térmica absorvida pela água para elevar sua temperatura do valor infinitesimal dT ou dv é c ma dv, onde c é o calor específico da água e ma é a massa de água. A energia térmica absorvida pelo calorímetro pode ser representada por um "equivalente em água" me definido por c me dv. A energia térmica total absorvida na forma de energia interna é: A c ma dv + c me dv = c(ma + me) dv . I Fonte de Tensão Elétrica V R B Figura 3. Fonte de energia elétrica e a sua conversão em energia térmica no resistor. Fenômeno 2 - A energia interna da água e do calorímetro aumentam. Ocorre transferência de calo r na fronteira entre o resistor e a água. Por conseguinte, o calorímetro e a água absorvem a energia térmica e esta é convertida em energia interna. Os fenômenos de transporte de energia envolvidos são convectivos e difusivos na água e difusivo nas paredes do calorímetro. (3) c) No terceiro bloco, a transferência de energia para o ambiente ocorre por fenômeno de transporte condutivo ou convectivo. Como o fluxo de calor é proporcional ao gradiente de temperatura v e a condutividade térmica k, a energia transportada no tempo dt é: k (T - T0 ) dt = k ν dt . (4) O equivalente mecânico do calor J pode ser interpretado analisando-se o fenômeno físico envolvido. Como deseja-se saber quanto vale a relação existente entre a quantidade de energia elétrica transformada em energia térmica, J equivale a: J= V2 R (5) dv c (m a + m e ) + k.v dt Substituindo-se as Eq. (2), (3) e (4) no balanço geral de energia obtém-se uma equação diferencial não homogênea que rege o sistema físico: V2 dt = Jc (m a + m e )dv + J k v dt R (6) Em termos de potência obtém-se: P= V2 dv = Jc(m a + m e ) + Jkv R dt (7) Discussão P= A energia trocada entre o calorímetro e o ambiente só será zero se: a) k = 0, ou seja, o calorímetro é um isolante perfeito, ou, b) ν = 0, ou seja, o calorímetro está a temperatura ambiente. Assim, aquecendo-se o calorímetro a partir da temperatura ambiente, é de se esperar que a temperatura em função do tempo apresente a função mostrada na Figura 4, onde a inclinação inicial da função dv/dt é: dv P = dt Jc(m a + m e ) (8) Se vf é a temperatura final de equilíbrio, então prevalece o último termo da Eq. (6) e (dv/dt) → 0. Neste caso: P = J k vf ∴ v f = No entorno da origem prevalece o primeiro termo e muito afastado da origem deve prevalecer o segundo termo da equação do balanço de energia. Para medir o equivalente mecânico do calor convêm escolher um calorímetro ou operar com calorímetro com um valor desprezível do termo referente a troca de calor. Isto pode ser realizado na prática usando-se um calorímetro imperfeito (k≠0) que opere no entorno da temperatura ambiente. Por esta razão para esta experiência convém iniciar com a temperatura da água um pouco menor que a ambiente e aquecê- la até uma temperatura simétrica e pouco maior que a ambiente. Isto nos garantirá que é válida a equação: P Jk (9) v V2 ?v = Jc(m a + m e ) R ?t (10) e o valor do equivalente térmico é determinado por: J= P c(m a + m e ) ?v ?t (11) Assim pode-se determinar J através das medições de P (ou R e V), ma (ou o volume de água posta no calorímetro), me (a massa equivalente em água do calorímetro), ∆v (a variação da temperatura) e ∆t (o tempo decorrido). Quanto a massa equivalente em água do calorímetro (me), se o calorímetro está a temperatura ambiente Ta , e uma massa de água mb a uma temperatura Tb é adicionada, a temperatura final de equilíbrio será Tf. Para a “massa equivalente em água” do calorímetro me a equação do balanço energético para esta situação é: vf c mb Tb + c me Ta = c (mb + me ) Tf (12) ou seja, tendo-se mb , Tb , Ta e Tf pode-se determinar me através desta equação. dv P = dt Jc(m a + m e ) t Figura 4. Função que descreve a variação da temperatura com o tempo. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Considerações Gerais O calorímetro é construído com um recipiente metálico (p.ex. lata de alumínio) tendo sua parte superior aberta. Este recipiente é colocado no interior de um outro de material polimérico (p.ex. fundo de garrafa PET). Um terceiro recipiente polimérico pode ser us ado para envolver os anteriores. Na parte superior do recipiente polimérico externo e sobre a lata de refrigerante é colocada uma tampa circular de isopor para garantir o isolamento térmico do calorímetro, Figura 1. Um resistor comum de "filme de carbono" de potência nominal de 1 a 2 W e de alguns "ohm" pode ser utilizado. Os seus terminais são soldados a dois fios comuns. O resistor é posicionado próximo ao fundo da lata. Os fios são ligados a fonte de tensão estabilizada ca ou cc. Um voltímetro indica a diferença de potencial V e um ohmímetro a resistência elétrica de R. A potência dissipada é calculada pela relação V2 /R. Uma quantidade de água de massa ma é posta no calorímetro. Essa quantidade é medida através do volume correspondente em um copo de Becker graduado. Convém usar água deionizada. A temperatura da água no calorímetro é medida com um termômetro de mercúrio inserido através de um orifício efetuado na tampa de isopor. Considerações Úteis na Realização do Experimento Material necessário § § § § Calorímetro com termômetro e um resistor de carvão de 2W (potência nominal) Voltímetro (ca ou cc) Fonte de tensão estabilizada ajustável ou fixa com transformador (ca ou cc) Copo de Becker graduado e água Observações § § § Pode-se utilizar energia elétrica ca ou cc. Para cada uma dessas fontes utilizar um voltímetro adequado. O resistor R deve estar dentro da água ao ser ligada a energia elétrica. Não utilizar mais do que 10W de potência elétrica para aquecer os resistores os quais tem somente 2W de potência nominal. As § § § § § § fontes disponíveis não devem ser sobrecarregadas. Agitar periódica e suavemente a água no calorímetro, durante seu aquecimento, aguardando sua estabilização de temperatura para sua medida (podem ocorrer gradientes térmicos no interior do calorímetro). Obs.: a energia introduzida pelo movimento faz parte do erro experimental. Medir a tensão elétrica várias vezes durante o experimento e observar se ocorrem variações significativas. Este parâmetro é o mais crítico, pois a potência elétrica é proporcional ao quadrado da tensão. Uma das medições mais críticas é do equivalente em água do calorímetro (me). Para diminuir a incerteza a valores aceitáveis, sugere-se que vá rias medições sejam realizadas em diferentes cond ições iniciais de temperatura. Um valor médio deve ser adotado. Não utilizar menos que 300 ml de água no calorímetro. Variar a temperatura da água de -10 a + 10 C em torno da temperatura ambiente. Escolher os valores da potência elétrica de aquecimento de modo que o tempo de aquecimento não seja inferior a 30 minutos, minimizando gradientes térmicos no sistema. RESULTADOS E CONCLUSÕES Os cinco resultados de medições do equivalente mecânico do calor “J” abaixo apresentados são amostras representativas de experimentos realizados em aulas práticas por alunos de diferentes instituições e com equipamentos de medição distintos. Foi utilizado sempre o mesmo procedimento experimental. As amostragens são: 1. J = (4,0 ± 0,3) J/cal (ITA 1974 - S. José dos Campos - SP) (Tamb=29 °C). 2. J = (4,1 ± 0,1) J/cal (PPGEMM 1979 P. Alegre - RS) (Tamb=24 °C). 3. J = (4,13 ± 0,05) J/cal (idem 1980) (Tamb=26 °C). 4. J = (4,1 ± 0,1) J/cal (URI 1997 - S. Ângelo - RS) (Tamb=30 °C). 5. J = (4,2 ± 0,2) J/cal (UNISINOS 1999 - S. Leopoldo - RS) (Tamb=29 °C). Para confronto cita-se abaixo alguns resultados encontrados por Osborne, Stimson e Ginnigs (1939), citados e discutidos no livro de Zemansky (1964): J = 4,2177 J/cal (a 0 °C) J = 4,1922 J/cal (a 10 °C) J = 4,1819 J/cal (a 20 °C) J = 4,1796 J/cal (a 25 °C) J = 4,1785 J/cal (a 30 °C) J = 4,1782 J/cal (a 35 °C) Estes pesquisadores utilizaram o sensível método de fornecer energia elétrica e observar a correspondente elevação de temperatura de uma grande massa de água. As medidas de diferença de potencial e corrente foram referenciadas diretamente aos padrões da National Bureau Standards, medindo-se a temperatura na escala internacional e prestando-se especial atenção ao isolamento térmico do calorímetro. Os resultados comprovam que o modelo matemático proposto no presente trabalho é consistente. Com ajustes e cuidados experimentais é possível aumentar significativamente a precisão sem custo adicional significativo. É o que se observa no resultado da amostragem 3, que foi obtida por alunos de pós- graduação num trabalho dentro da disciplina de “Técnicas Fundamentais de Laboratório”. O “Sistema de Medição” é exatamente o mesmo que o utilizado para a obtenção dos resultados da amostragem 2. Dos experimentos realizados e da observação dos alunos que realizaram esta experiência, conclui- se que os alunos associam um sistema físico a um modelo que o descreve (na forma de diagramas). Eles concluem que os fenômenos da natureza podem ser descritos e interpretados matematicamente através das suas variáveis. Do ponto de vista laboratorial, pode-se afirmar que este experimento é extremamente rico quanto a técnicas de instrumentação, uma vez que o aluno escolhe e opera equipamentos e instrumentos de naturezas dive rsas como termômetros, cronômetros, fontes e voltímetros. A estimativa e o cálculo das incertezas na medição de cada uma das variáveis medidas, a ser atribuída ao resultado final, é um excelente exercício de teoria de erros. O experimento permite que o aluno entenda a necessidade de planejar qualquer tipo de experimento e que ele descubra as variáveis mais críticas do mesmo, Doebelin (1990) e Bechwith (1995). O experimento possibilita ainda a integração e a fixação do conhecimento da física, da matemática e de técnicas experimentais numa abordagem típica de engenharia (interdisciplinar); desenvolve o método cient ífico e proporciona segurança ao futuro profissional quanto a aplicação do conhecimento a casos reais. Resultados quanto ao uso de softwares ou programação não foram avaliados. REFERÊNCIAS ALVAREZ, E. D., KIECKOW, Flávio, , STROHAECKER, T R. Modelos fotoelásticos aplicados ao ensino de engenharia. In: COBENGE99, Natal-RN. BASSANI, I.A. KIECKOW, Flávio, PAZOS, R.P. A matemática na resolução de problemas da engenharia. 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Irionson Antônio Bassani Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1982), especialista em Métodos e Técnicas de Ensino (1984), Mestre em Engenharia MetalúrgicaInstrumentação Eletroeletronica pela UFRGS (1987) e doutor pela Universitaet Stuttgart – RFA (1997), especialidade em Materiais Conjugados não Metálicos. É professor na Universidade de Santa Cruz do Sul (UNISC) no curso de Engenharia de Produção e Professor pesquisador convidado pela UFRGS, Depto. de Metalurgia. A área de atuação é materiais compostos e o maior interesse no ensino em engenharia é a iniciação científica e a pós-graduação. Ildon Guilherme Borchardt Físico pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1962), mestre pelo Instituto Tecnológico da Aeronáutica (1969) em Ciência dos Materiais, doutor pelo ITA (1974) em Metalurgia Física. Professor e responsável pelo Lab. de Instrumentação do Depto. de Engenharia Elétrica da UNISINOS. Atua na área de Instrumentação eletro-eletrônica e trabalha com a formação cient ífica dos alunos junto ao laboratório.