PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE CIÊNCIAS
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE CIÊNCIAS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS/INSTITUTO DE FÍSICA/INSTITUTO DE QUÍMICA
Disciplina:Metodologia do Ensino de Ciências
Período: 1º/ 2010
Professora: Maria de Fátima Lettere Verdeaux
Demetrius Leão
Michele Coelho
Wellington Sampaio
Homo erectus (500.000 atrás)
Foram os primeiros seres
a dominarem o fogo.
HÉRON DE
ALEXANDRIA
(100 d. C.)
Héron inventou a
eolípila, um aparelho
para medir a força
do vapor.
GALILEU GALILEI (1564-1642)
Construiu um termoscópio
rudimentar, que consistia
num bulbo de vidro
contendo ar
CALOR
Processo de propagação do calor
como se o calor “fluísse” de um
corpo para outro que estivessem
que estivesse , respectivamente,
a temperaturas mais altas e mais
baixas.
TEMPERATURA
Pelo uso do termômetro é
possível medir o valor da
temperatura em que o corpo se
encontra.
 Joseph Black
(1728Química
1799),
e
professor
de
Medicina
em
de
Glasgow e depois em Edinburgh
– um partidário apaixonado da
teoria substancialista do calor -
o primeiro a diferenciar esses
dois
conceitos,
adotando,
inicialmente uma definição que
chamaríamos modernamente de
operacionalista, para só depois
evoluir
para
mais conceitual
uma
abordagem
“o calor será comunicado do mais quente desses
corpos para o mais frio, durante algumas horas
talvez, ou no decorrer de um dia. No fim de um
tempo, se colocarmos um termômetro neles todos
em sucessão, eles darão precisamente a mesma
leitura. O calor se distribui entre eles já que
nenhum desses corpos tem uma demanda maior
ou atração para o calor do que qualquer outro... O
calor é trazido para um estado de equilíbrio. Nós
devemos adotar uma lei mais geral do calor, o
princípio de que todo corpo comunicando-se
livremente um com outro e isolado da ação
externa,adquire a mesma temperatura, como
indicada pelo termômetro” (Black, apud [2,p.
403]).
Pieter van Musschenbroek
Já o Pieter van Musschenbroek
Era adeptos da teoria dinâmica
foi professor de filosofia natural
do calor, admitiam que corpos
- como era chamada a física
de volumes iguais à mesma
naquela época - também em
temperatura
Leyden
mesmas quantidades de calor;
e
escreveu
extensamente sobre física, no
século XVIII. Ele foi um dos
pioneiros tanto no ensino da
física
também
experimental,
como
quanto
autor
dos
primeiros livros didáticos de
física de que se tem notícia
possuíam
as
A esse respeito Black afirmou: “Mas
essa é uma visão muito apressada
do assunto. Isto é confundir
quantidade de calor em diferentes
corpos com a intensidade do calor
(temperatura), embora seja evidente
que essas sejam duas coisas
diferentes e que deveriam sempre
ser
distinguidas
uma
da
outra,quando
pensássemos
em
distribuição do calor...”
UM “INTERROGATÓRIO” COM O CALOR
-Agora
estou
me
lembrando de alguns
relatos antigos, nos
quais
as
pessoas
afirmavam que, ao pôr
um corpo quente em
contato com um frio,
havia passagem de um
fluido do primeiro para o
segundo. Então você é
esse fluido afinal.
- Essas histórias são
muito
antigas...
As
pessoas nem se lembram
mais delas.
-Não é bem assim... Muitas gente ainda se lembra
disso. Acreditava-se que você se escondia no fogo e de
lá seguia para toda a vizinhança, esquentando tudo ao
seu redor. Havia até quem disse-se que, ao se instalar
nos corpos, você aumentava o “peso” deles. Você era
chamado por alguns de calórico.
- Tudo engano. Não sou um fluido nem nada de
material. É que as pessoas são curiosas e, ao tentarem
compreender os fenômenos envolvendo as sensações
térmicas de quente e frio, usavam informações e idéias
disponíveis na época. Percebiam que, ao receber calor,
uma barra de ferro dilatava um pouco e concluíam que
a dilatação ocorria porque o ferro ganhava algo. Esse
“algo” deveria ser tipo de matéria e, portanto, o corpo
aquecido tinha seu “peso” aumentado.
FLOGÍSTICO
O flogístico seria o constituinte
comum de todos os materiais
combustíveis e, também, seria o
responsável pela queima de todos os
materiais combustíveis.
Afirma que os corpos queimados
perdem
a
propriedade
da
combustão, pois não mais contém
flogístico, que se desprende destes
corpos durante a queima. Sendo
assim, segundo os defensores dessa
teoria, um corpo perde o flogístico
quando entra em combustão e um
corpo que não queima não é provido
de flogístico.
Benjamin Thompson
Nasceu em, 1753 em uma fazenda em
Woburn, Masachusets
Casou-se com dezenove anos com uma viúva
rica e foram morar na cidade de Rumford
Foi espião da Inglaterra ( Eu era inglês, de
coração)
Abandonou a esposa e filha
Introdutor da batata inglesa
E da máquina a vapor no continente europeu
Recebeu título de conde em 1790 (Baviera)
“no trabalho na
perfuração dos canhões
na Baviera eu vim a ter
aquela minha intuição
sobre a natureza do calor,
a minha mais famosa
contribuição à ciência”
Calor deveria ser uma
forma de movimento
1760 – A Teoria do Calórico já estava bem estabelecida
Entre os seus pressupostos estavam, por exemplo:
1. O calórico era uma substância material, um fluido elástico, substância esta que
não poderia ser criada nem destruída;
2. Ele era constituído de partículas que se repeliam entre si, mas que eram
atraídas pelas partículas da matéria ordinária;
3. A magnitude da atração era diferente para diferentes materiais;
4. O calórico poderia ser sensível, onde se difundia através do corpo penetrando
em suas partes vazias e, por atração ficaria como uma capa ao redor das partículas
da matéria ordinária;
5. O calórico poderia, alternativamente, ser latente, agindo com as partículas
atrativas de forma semelhante a das combinações químicas
Rumford: Olha, é comum que
os livros-texto de vocês
trivializem a complexidade da
questão
envolvendo
a
natureza do calor. O livrotexto do Bonjorno , por
exemplo, afirma que: “apesar
de tão evidente, a natureza
do calor só recentemente foi
definida pela ciência. Até fins
do século XVIII, os cientistas
acreditavam que o calor era
uma espécie de fluido
imponderável (sem massa) e
invisível que aquecia ou
resfriava os corpos. Deram a
essa substância o nome de
calórico”.
Rumford: Em primeiro lugar, a natureza do
calor está longe de ser evidente,como sugere
esse texto citado. Além disso,para que a
concepção de energia viesse a ficar bem
estabelecida, uma grande disputa de idéias
foi travada durante os séculos XVIII e XIX
entre a teoria do calórico e a teoria dinâmica.
Eu que o diga, pois estava bem no meio desta
guerra
Hegemônico durante grande parte do século XVIII
Voltando no tempo ....
Três correntes de pensamento sobre a natureza do calor existiram desde a Antiguidade.
Para
Empédocles,
por
exemplo, o calor era uma
substância, uma espécie de
“fogo sutil”.
Para
Aristóteles,
entretanto, o calor era
uma
das
qualidades
primitivas da matéria,
cujas
combinações
definiam os mesmos
elementos já postulados
por Empédocles.
Já para os atomistas, Demócrito
e Leucipo, o calor era visto
como uma conseqüência do
movimento
de
partículas
indivisíveis, constituintes da
matéria comum.
Vejam, que os atomistas foram
os pioneiros na proposição de
uma teoria dinâmica para o calor
em termos do movimento de
partículas da matéria comum.
“teoria dinâmica tratava apenas com corpúsculos da matéria
ordinária, a teoria do calórico pressupunha a existência
Calórico de
é partículas
geralmente
igualmente
de um fluido sutil. Por outro lado
representado,
ainda,
o calor na de
teoriaforma
dinâmica era visto como um resultado
equivocada
sendo
do
movimento,como
não diretamente
acessível aos sentidos, um
a teoria do calórico o
um
fluido
contínuo.
movimento das partículas da matéria comum, enquanto que a
teoria do calórico pressupunha que taiscalor
partículas eram
de
um
corpo
estava
mantidas
estáticas.
O
próprio
fluido
calórico
mantinha
as
Mas o calórico tinha a uma
com
a
suas
partículas
igualmentedoestáticasrelacionado
envolvendo as
partículas
estrutura
interna,
da
matéria modo
comum,que
como aa cascaquantidade
de uma fruta.
um tal
doEm
fluido
mesmo
modelo,
as tensões
estáticas, ecalórico
não o presente.
movimento de
matéria ordinária,
e essa
quaisquer
partículas,
é que eram vistas como responsáveis
era também
uma estrutura
pelas
variações
de temperatura. Assim, ambas as teorias
de natureza
corpuscular.
falavam em calor de um corpo, algo bem diferente da visão
moderna de calor como um processo”.
A teoria do calórico veio a dar cona das explicações de grandes
fenômenos ligados ao aquecimento dos corpos.
A dilatação dos sólidos era
explicada com a argumentação de
que quando um corpo recebia uma
certa quantidade de fluido calórico,
a atração entre as partículas da
matéria ordinária predominava
sobre a repulsão das atmosferas
das partículas de calórico que
cercavam tais partículas de matéria
comum, até o limite em que uma
quantidade
suficiente
desse
calórico introduzido dava lugar a
uma expansão que conduzia a um
novo equilíbrio das forças internas.
A mudança de fase, a fusão,por
exemplo, ocorria quando uma
quantidade de calórico introduzida
no corpo fosse de tal ordem que a
repulsão entre as partículas do
fluido de calor superava a atração
das
partículas
da
matéria
ordinária.
A queda ....
“Eu considerei a possibilidade de que o calor fosse apenas uma forma
de movimento. Isso, certamente contribuiu para abalar as estruturas
da teoria do calórico, mas eu não diria jamais que eu refutei a mesma.”
AS ORIGENS
A EVOLUÇÃO
• Produção manufatureira (séculos XV e
XVI)
• Sistema Fabril (século XVIII)
• Produção em Série
Por que na Inglaterra???
• Controle do mercado consumidor;
• Economia
externa.
em
expansão
interna
• Oferta de mão-de-obra;
• Produção de tecidos de algodão;
e
A pleno vapor...
• Produção de tecidos de algodão.
• A produção de tecidos de algodão era
mais barata que a lã.
• Concorrência com o produto indiano.
• Aperfeiçoamento dos métodos de cultivo
do algodão.
• Mecanização crescendo no cultivo,
transportes, metalurgia, mineração, etc.
DENIS PAPIN (1647-1712)
• Físico francês que
projetou a primeira
máquina
a
vapor,
baseado num princípio
descoberto por ele
mesmo: a alta pressão
gerada pelo vapor
d’água
em
uma
espécie de panela de
pressão.
Marmita
de Papin
THOMAS SAVERY (1650-1715)
• Engenheiro
militar
inglês que patenteou
sua bomba a vapor,
responsáveis
por
escoar a água de
poços
profundos,
para
retirada
de
carvão.
NEWCOMEN
(1663-1729)
• Construiu uma
máquina a
vapor mais
aperfeiçoada,
com cilindro e
êmbolo,
utilizada para
retirar águas de
minas.
JAMES WATT (1736-1819)
• Melhorou a máquina
de
Newcomen,
adaptando-a a um
condensador externo,
melhorando
consideravelmente o
rendimento
das
máquinas a vapor
existentes.
Máquina de Newcomen
Máquina de Watt
Linha do tempo...
1824
1842
1845
1847
Carnot
Máquinas
A vapor
2ª lei
Mayer
Equivalente
Mecânico
3,56 J/cal
Joule
Equivalente
Mecânico
4,154 J/cal
1ª lei
Helmoltz
Formulação
Matemática
da 1ª lei
Generalização
da Conservação
da Energia
1850
1865
1900
1930
Clausius
2ª lei
Clausius
Entropia
Nernst
Entropia e o
Zero absoluto
3ª lei
Equilíbrio térmico
Como se poderia aumentar o rendimento de uma
máquina térmica, tornando-a o mais eficiente
possível?
Sadi Carnot (1796 - 1832)
• Sistematizou a Termodinâmica,
colocando limites físicos para a
transformação de energia térmica em
trabalho
• Teoria do Calórico e a sua conservação
(indestrutível)
• Máquina a vapor reversível
• Equivalente mecânico do calor:
3,62J/cal
• Esboça a possibilidade de
transformações recíprocas das
diferentes formas de energia
1824
“Podemos estabelecer como tese geral que a
potência motriz existe em quantidade invariável na
Natureza, que ela nunca é, propriamente falando,
nem produzida nem destruída. Na verdade, ela
muda de forma, isto é, ela produz umas vezes um
tipo de movimento outras vezes um tipo diferente,
mas nunca é destruída. Este princípio deduz-se por
si só, digamos assim, da teoria mecânica”
Carnot
• Carnot (1824) percebeu que o condensador era indispensável em um
processo cíclico e que representava uma ineficiência intrínseca e
irremovível do processo, já que parte do calor que a caldeira fornecia e
que não se transformava em trabalho no pistão era transferida para
fora da máquina. Parte do calor sempre sobrava e precisava ser
retirada.
• Após sua morte em 1832, surgiram várias notas, nas quais ele
mostrava que tinha abandonado a teoria do Calórico e sugerido que na
sua máquina o que se conservava era a energia e não o calor.
• Mas já era tarde, Kelvin e Clausius tinham formulado precisamente o
segundo principio da termodinâmica
• A máquina de Carnot é a máquina ideal cujo rendimento não pode ser
superado. Ela opera entre 2 reservatórios (máquina térmica +
refrigerador) e consegue o rendimento máximo em vista das outros
processos térmicos.
Mayer
• Seus trabalhos teóricos
introduziram claramente a
noção de equivalência entre
calor e trabalho
Joule
• Seus trabalhos experimentais
definiram precisamente o
equivalente mecânico de calor.
• Derrubou a teoria do calórico
• Equivalente mecânico do
calor: 3,56 J/cal
• O calor era conservado e devia ser
uma forma de energia
• Que o calor e a energia mecânica
podem ser considerados
manifestações diferentes da mesma
quantidade física: a energia
• Teoria da Conservação da Energia
(Lorde Kelvin, 1851)
“É impossível extrair trabalho do calor, sem ao
mesmo tempo, descartar algum calor”
Joule
Energia de Joule
James Prescott Joule foi uma vez
O revolucionário industrial inglês quem fez
Uso da sua jovem potencial energia
Ligando-se na conservação que existia
Enquanto transformava energia em energia
De tanto tratar de tal tema
Acabou virando unidade do sistema
(Washington Lerias)
“[...] chegamos a conclusão de que a natureza como um todo
possui um estoque de energia que não pode de forma
alguma ser aumentado ou reduzido; e que, por conseguinte,
a quantidade de energia na natureza é tão eterna e
inalterável como a quantidade de matéria. Expressa desta
forma, chamei esta lei geral de Principio da Conservação da
Energia”
Herman Von Helmholtz
Energia
Dinâmica
Potencial ou
latente
Energia
Estática
Real ou
sensível
1851
Thomson
1852 a 1855
Macquorn
Síntese das
teorias da
conservação
1853
Energia
Potencial
Energia
Cinética
1867
Thomson /
Guthrie
Rudolf Clausius (1822 - 1888)
• Rejeitou a teoria do calórico
• O calor como uma função de estado do
sistema. O estado macroscópio de um
sistema termodinâmico simples
fechado pode ser definido pelas
variáveis P,V e T.
“O calor flui naturalmente de um
reservatório quente para um frio, mas
nunca ao contrário”
• Em 1834, Clausius reformula a 2ª lei e
introduz o conceito de valor de
equivalência de uma transformação
térmica, medido pela relação entre a
quantidade de calor e a temperatura na
qual ocorria a transformação.
• Distinguiu os processos reversíveis dos irreversíveis
• Em 1865 propôs o termo Entropia
“Em qualquer transformação que se produza num sistema isolado, a
entropia do sistema aumenta ou permanece constante. Não
há, portanto qualquer sistema térmico perfeito no qual todo o
calor é transformado em trabalho. Existe sempre uma
determinada perda de energia”
Variação da Entropia  Medida da “degradação” do calor ao passar
de uma dada temperatura para outra mais baixa.
Ludwig Boltzmann (1822 - 1888)
• Procurou uma interpretação
mecânica da Entropia, por meio
de probabilidades
• Foi o primeiro e o mais ativo
defensor da idéia de explicar os
fenômenos macroscópicos
(pressão, temperatura, etc.)
através de interações entre
átomos e moléculas em
constante movimento.
• Planck inseriu a constante de
Boltzmann e a equação da
entropia na literatura
• No final do século 19, porém, muitos físicos e químicos de renome
não aceitavam a idéia de que a matéria é descontínua. As opiniões
de Boltzmann foram contestadas com veemência por Ernest Mach e
Wilhelm Ostwald e as desavenças, em certos momentos, saíram da
arena puramente científica, entrando na disputa pessoal.
• Pouco tempo depois de sua morte as evidências experimentais da
validade de suas idéias começaram a se acumular rapidamente.
Medidas de J. Perrin, em 1908, mostraram de forma inequívoca a
existência e o movimento dos átomos e moléculas e sua
concordância perfeita com as previsões teóricas de Boltzmann.
Juntamente com o americano Josiah Gibbs, que trabalhou na
mesma linha que ele, de forma independente, Boltzmann é
considerado o criador da Mecânica Estatística
Walter Nernst (1864 - 1941)
• Químico e Físico alemão
• A entropia de um sistema no zero
absoluto é uma constante universal
“É impossível reduzir a zero a entropia
de um sistema”
“É impossível esfriar um sistema até o
zero absoluto em um tempo finito”
Entropia
Lei Zero da Termodinâmica
•
•
•
•
Essa lei baseada no Equilíbrio Térmico só apareceu da década de 1930
Formalmente definida por Ralph Fowler e Guggenheim
Evidenciou o conceito da grandeza Temperatura
Proporciona uma maneira empírica de definir temperatura, além de
estabelecer um processo operacional de como medi-la
QUENTE OU FRIO?
No frio eu me arrepio
No quente fico ardente
É frio no fundo do rio
É quente no interior da gente
É frio quando na noite gio
Quente no dia de calor latente
O quente sente o frio
E o frio sente o quente
Quando há o contato nato
O quente esfria a sua energia
E o frio se esquenta de fato
Até que a parte quente não sente a fria
E a fria não mais sente a quente
(Washington Lerias)
gio = verbo gear na primeira pessoa, como se o narrador pudesse gear com o efeito da geada.
ALGUMAS PROPOSTAS
DIDÁTICAS...
HISTÓRIA DA
TEMODINÂMICA
BIBLIOGRAFIA
PÁDUA, Antônio Braz et al. A história da termodinâmica
clássica: uma ciência fundamental. EDUEL, Londrina,
2009.
MACHADO, Jorge Ricardo Coutinho. Considerações
sobre o ensino de química.
http://www.ufpa.br/eduquim/consideracoes.htm
MEDEIROS, Alexandre. Entrevista com Conde Rumford:
da teoria do Calórico ao calor como forma de
movimento. Física na Escola, v.10, n. 1, 2009.
ROCHA, J.F, Origens e evolução das Idéias da Física,
Salvador, EDUFBA, 2002