Autor: Sandra Mara Elias Gomes da Silva
Orientador: Ms. João Amadeus Pereira Alves
NRE: Wenceslau Brás
Escola: Colégio Estadual Humberto de Alencar Castelo Branco
Disciplina: Física
(
) Ensino Fundamental
( X ) Ensino Médio
Disciplina da relação interdisciplinar 1: Geografia
Disciplina da relação interdisciplinar 2: Biologia
Conteúdo Estruturante: Termodinâmica
Conteúdos Específicos: Processos de transmissão de calor, princípios da
termodinâmica e transformações gasosas.
Por que os esquimós faziam suas casas (iglus), usando blocos de neve
E ainda, por que as entradas dos iglus eram pequenas?
A vida de esquimó não devia ser fácil! É claro que hoje eles já têm tecnologia
para construírem suas casas, mas antigamente era com facão e neve cortada em
tijolos grandes e maciços que eles construíam suas habitações. Para isso eles
levavam pouco mais de uma hora. As lâmpadas de óleo de foca, eram responsáveis
pelo aquecimento e iluminação, mas também derretiam levemente os blocos de
neve acimentando-os.
Assista ao documentário “Nanook, o esquimó” (1922)
realizado por Robert Flaherty. Ele mostra um ano na
vida de um caçador esquimó e sua família, que vivem
praticamente intocados pela tecnologia industrial, nas
condições de Hudeson Bay, no Canadá.
Agora que você já conheceu um pouco a respeito de como é a vida de um
esquimó, qual aparato tecnológico você acha que não faz falta a esse povo?
Certamente seria o refrigerador, esse eletrodoméstico tão útil em nossas residências
na qual armazenarmos os alimentos para serem resfriados.
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No Círculo Polar Ártico, numa ilha da Noruega foi inaugurado uma “Arca de
Noé”, câmara fria que foi escavada a 130 metros de profundidade em uma montanha
de rochas sedimentares, a -18ºC que possui a capacidade de guardar 4,5 milhões
de amostras e 2 milhões de sementes. No caso da falta de energia o permafrost
ártico (camada permanentemente gelada) atuaria como refrigerador natural. Essas
sementes serão guardadas para casos de catástrofes naturais ou mudanças
climáticas e também como banco genético. Para maiores informações acesse o site
http://br.noticias.yahoo.com.
Para sabermos usar, manusear e obter todos os benefícios que esse
equipamento, tão útil para nós e dispensável para os esquimós precisamos saber
como ele funciona, se ele pode trazer alguma conseqüência negativa ao meio
ambiente.
Assim, precisamos ter certos conhecimentos sobre os conceitos físicos
envolvidos, para que possamos exercer nossa cidadania e, até mesmo, para saber o
que um técnico em refrigerador precisa conhecer de física para compreender sobre
o funcionamento desse objeto.
Vamos agora saber um pouco sobre a evolução histórica do refrigerador, o
funcionamento desse objeto e em que princípios físicos ele se fundamenta.
A evolução histórica do refrigerador
No século XIX, desenvolveu-se uma espécie de refrigerador. Ele consistia em
um grande armário, revestido de madeira com caixas de gelo. Essas caixas eram
fabricadas com madeira ou metal, forradas com zinco, mas apresentavam o
inconveniente de serem substituídas com freqüência.
Jacob Perkins (1818), inventor e físico americano, provou a compressibilidade
da água, e essa descoberta contribuiu muito, pois a refrigeração atual funciona a
partir dessa idéia da compressibilidade de um líquido.
Quando um líquido é comprimido, ele vaporiza rapidamente, e esse vapor se
expande, necessitando de energia para seu movimento, a qual é retirada das suas
proximidades e o local fica mais frio. Utilizando-se desse princípio, Perkins construiu
a primeira máquina de refrigeração a qual foi patenteada.
O primeiro refrigerador doméstico surgiu em 1913 e foi produzido por Fred W.
Wolf Junior em Chicago e recebeu o nome de Dolmere, mas não obteve sucesso
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comercial. Já, em 1925, foram fabricados os primeiros refrigeradores que possuíam
a caixa de resfriamento, o motor,o compressor e o condensador numa mesma peça,
pois antes estavam separados, ao lado ou embaixo da geladeira.
A companhia General Eletric foi a primeira a obter sucesso mundial, em 1927,
com o modelo Monitor-Top, o qual usava o dióxido de enxofre como material
refrigerante.
As geladeiras fabricadas de 1800 até 1929 usavam gases tóxicos como
refrigerantes: amônia, cloreto de metila (ocasionando vários acidentes devido ao fato
de vazar nas geladeiras) e dióxido de enxofre.
Em 1928, Thomas Migley substituiu os gases tóxicos pelo clorofluorcarbono
(CFC), especificamente o freon, o qual foi utilizado também em aerossóis e como
agente expansor para plásticos, como o isopor. Para finalizar, em 1973, os químicos
americanos Fank Sherwood Rowland e Mario Molina perceberam os efeitos do CFC
à camada de ozônio do planeta e a partir de 1º de janeiro de 1989, os grandes
países foram proibidos de produzir equipamentos que utilizassem o CFC.
Para
mais
informações
sobre
isso,
é
possível
consultar
o
site
http://www.geladeirasantigas.com.br.
Geladeira antiga de 1928
Fonte: Imagens extraídas do site http://www.quebarato.com.br Acesso em 20.12.07.
Efeitos do CFC (clorofluorcarbono) sobre o planeta
Voltando a discutir sobre os esquimós sabemos que esse povo que há
milênios habitam a região polar Ártico, apesar de ser um povo de grande capacidade
de adaptação às transformações ambientais, podem perder sua cultura nas
próximas décadas, em razão das mudanças climáticas.
Essas mudanças climáticas estão relacionadas com a presença não só do
CFC mas também de outros gases na atmosfera terrestre: o dióxido de carbono
(CO2), o vapor de água (H2O), metano (CH4),e o monóxido de nitrogênio (N2). Porém
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a retenção de calor por esses gases só se torna prejudicial ao planeta quando há um
agravamento, um aumento desses gases na atmosfera, desestabilizando o equilíbrio
energético do planeta, causando o fenômeno conhecido como Aquecimento Global.
Um dos efeitos já constatados do Aquecimento Global é o aumento da temperatura
dos mares polares, que por sua vez derretem as geleiras, reduzindo o seu perímetro
e elevando o nível dos oceanos.
Na verdade o efeito estufa é extremamente necessário para a manutenção da
vida na Terra, desde que se mantenha em níveis de temperaturas mais amenas e
adequadas. Sem o efeito estufa, a temperatura terrestre seria cerca de 17ºC abaixo
de zero, e se fosse assim, não haveria água líquida e sim gelo.
Mas o que será que causa esse resfriamento, que diminui a
temperatura?
Segundo Robert M. Hazen e James Trefil (2005) esse resfriamento é causado
por vulcões em erupções que lançam na atmosfera materiais escuros que reduzem a
passagem dos raios solares, o que leva a formação das geleiras.
E a camada de ozônio, será que esses gases também têm alguma coisa a
ver com esse problema ambiental?
O CFC,utilizado no funcionamento dos refrigeradores é responsável por destruir a
camada de ozônio do planeta.
O ozônio é um gás que se encontra na estratosfera ,região situada entre 20 a
40 km de altitude e possui aproximadamente 15 km de espessura. Essa camada
protege a Terra dos efeitos nocivos dos raios solares.
1) Os perigos e efeitos que os gases amônia, cloreto de metila, dióxido de enxofre e
CFC utilizados na fabricação das geladeiras podem causar à saúde humana e ao
ambiente.
2) Quais os problemas que o excesso de radiação ultravioleta pode causar aos seres
vivos, especialmente aos seres humanos.
3) Essas questões ambientais levaram as indústrias a substituir o gás freon 12,
utilizado nas geladeiras, por produtos menos prejudiciais.Quais são esses produtos?
4) O que é o protocolo de Kyoto?
5) Discuta com seus colegas a respeito do efeito estufa levando em consideração os
pontos citados sobre o aquecimento e resfriamento do planeta. Como seria a vida
dos esquimós e do restante dos planetas, sem o efeito estufa.
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Retornando
ao
refrigerador,
vamos
agora
conhecer
o
seu
funcionamento.
Primeiramente faça uma visita a um técnico especializado em geladeiras e
faça algumas perguntas a ele, para que você possa entender o funcionamento da
geladeira:
1) Que gás é utilizado nas geladeiras antigas e nas modernas?
2) Quais são as partes fundamentais da geladeira e qual a função de cada
uma delas?
3) Qual o processo da geladeira que a permite ligar e desligar sozinha?
4) Por que motivo as divisórias horizontais da geladeira são vazadas?
5) Quanto ao funcionamento da geladeira e do freezer o que os difere?
6) Qual o caminho que o gás faz no interior da geladeira?
7) Quando se deve colocar nova carga de gás e onde se coloca? E qual o
motivo que faz com que seja necessária uma nova carga de gás?
Agora que você já sabe sobre o funcionamento da geladeira numa linguagem
técnica, vamos relacioná-la com os conceitos físicos que envolvem o seu
funcionamento.
A geladeira é uma máquina térmica, que parte de um princípio muito simples:
se o calor não sai espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente, ele é
forçado a sair. Como isso é feito? Trata-se de um processo em que ocorrem
transformações gasosas. Sabemos que quando expandimos um gás, a sua pressão
diminui, assim como sua temperatura e quando comprimimos um gás, sua pressão
aumenta bastante, tal como a sua temperatura.
Vemos isso ocorrer na panela de pressão. Ela consegue aumentar a sua
pressão à medida que aumenta a sua temperatura. E, quando queremos retirar sua
pressão para abrí-la, temos que resfriá-la, confirmando o fato de que diminuindo a
temperatura também diminui-se a pressão.
Votando à geladeira, a partir da sua conversa com o técnico você já sabe
identificar quais são as partes de um refrigerador doméstico: o compressor, o
condensador, uma válvula descompressora e o evaporador (congelador). Também
deve ter identificado o gás refrigerante, o qual é responsável pela retirada de calor.
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O compressor é responsável por transformar a energia elétrica em térmica,
fazendo com que o gás se comprima, atingindo alta pressão (até 10 atm.) e alta
temperatura (aproximadamente 41ºC). Esse gás é impulsionado através de uma
tubulação de cobre ou alumínio até o condensador, onde ele se liquefaz, trocando
calor com o meio ambiente.
Ao sair do condensador, o gás passa por um filtro, o qual retém as possíveis
impurezas contidas nesse gás, pois elas podem obstruir o tubo capilar (tubo muito
fino) responsável por fazer esse gás chegar ao evaporador. Ao passar pelo tubo
capilar, que compõe a válvula descompressora, antes ainda de chegar ao
evaporador, o gás freon (utilizado nas geladeiras fabricadas até 1999, agora
substituído por gases que não agridem o meio ambiente) tem sua pressão
diminuída. Com isso, o referido gás se expande e com a sua vaporização sob baixa
pressão (aproximadamente 1,6 atm.), o interior da geladeira fica com a temperatura
diminuída (-19 °C). Esse gás, sob pressão e baixa temperatura, é aspirado para o
compressor, onde é comprimido, dando início a um novo ciclo.
Funcionamento da geladeira e as Leis da Termodinâmica
Em cada ciclo, a quantidade cedida de calor ao meio ambiente é igual à
quantidade de calor retirada do interior da geladeira, mais o trabalho realizado pelo
compressor (1ªLei da Termodinâmica),equacionando:
Qcondensador= Qcongelador+ T compressor
Isso faz com que essa força ocorra da fonte fria (o interior da geladeira) para
a fonte quente – ambiente externo. Está é a 2ª Lei da Termodinâmica.
Essa transformação ocorre em um sentido inverso do que seria espontâneo,
e só é possível pela utilização do gás refrigerante, que é a substância de operação,
mas, para isso acontecer, precisa-se de um outro mecanismo que forneça energia
ao sistema. No caso da geladeira, a energia é a elétrica.
“A 1ª Lei da termodinâmica é ainda o terror de quem faz dietas para
emagrecer, ela nos diz que a energia química que ingerimos – as calorias – deve ser
usada para realizar trabalho (exercício), ou ficará armazenada como gordura
(HAZEN, Robert M. e TREFIL, James, 2005, p.56).
Segundo HAZEN e TREFIL (2005), a 2ª Lei da termodinâmica pode ainda
ser enunciada como: “É impossível construir um motor que opere num ciclo cujo
único efeito seja converter calor em quantidade equivalente de trabalho.”
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1 - Por que a tubulação por onde circula a substância refrigerante na geladeira é
feita de metal?
2 - O volume interno de uma geladeira é menor do que o externo. Com que tipo de
material as paredes da geladeira são preenchidas? Justifique.
3 - Por que era utilizado o gás freon 12 nas geladeiras e, quais as suas
propriedades?
4 - Por que nos refrigeradores o congelador fica na parte superior?
5- Faça um desenho esquemático do funcionamento de um refrigerador.
Você já pensou como o refrigerador faz para trocar calor com o ambiente
e como ele consegue refrigerar todo o seu interior?
No interior da geladeira ocorre o processo da troca de calor por convecção.
Isto é, o ar quente é menos denso e tende a subir, enquanto que o ar frio por ser
mais denso tende a descer. Assim, o ar quente que sobe nas proximidades do
congelador resfria-se, descendo até a base da geladeira, efetuando sempre este
ciclo. Nas proximidades do congelador, a umidade do ar se solidifica formando uma
camada de gelo em sua volta.
As trocas de calor podem ainda acontecer por radiação. Como o corpo negro
absorve mais calor do que as cores, isso justifica o fato de ser preta a grade que
existe atrás da geladeira, pois ela tem a função de trocar calor com o ambiente
externo, evitando que o aparelho aqueça e estrague.
Ainda, as trocas de calor podem acontecer por condução, que é a
transmissão de calor através das moléculas de um meio material sem que haja
transporte de matéria. Se as grades das geladeiras fossem placas inteiras, não
haveria convecção. Haveria somente condução do calor.
A garrafa térmica é um aparato que tem a função de dificultar os
processos das trocas de calor.
Para evitar a radiação, a parede interna dela é de vidro espelhado nos dois
lados. E, para evitar a condução e a convecção, há vácuo entre as paredes, pois
essas formas de transmissão precisam de matéria. A tampa impede que o calor seja
transmitido através da condução e convecção.
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1) Complete as lacunas do mapa conceitual representado abaixo, baseando – se
no funcionamento do refrigerador.
2) Você pôde ver como se faz para construir um mapa conceitual, amplie os
conceitos já existentes, incluindo os processos das trocas de calor.
Sempre que compro algum aparelho, antes de usá-lo tenho o hábito de ler o
manual que vem juntamente com esse aparelho.
Lendo o manual de um refrigerador que havia comprado encontrei as
seguintes recomendações do fabricante:
1ª) O gelo em excesso no congelador prejudica o bom funcionamento do
refrigerador, pois exige mais do motor. Então, sempre que o gelo atingir a espessura
de mais ou menos de 7 mm deve-se fazer o degelo.
2ª) Não forre as divisórias da geladeira com toalhas plásticas ou com outros
materiais.
3ª) Não pendure roupas para secar atrás da geladeira vedando radiadores.
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Explique, baseado nos conceitos físicos, o porquê de cada uma das três
recomendações citadas dos fabricantes do refrigerador adquirido.
Como sabemos, a refrigeração e o congelamento são as formas mais comuns
de conservação do alimento. A refrigeração faz com que se iniba o ciclo de
reprodução dos microorganismos (ação microbioestática),mesmo não os eliminando,
isso faz com que os alimentos levem muito mais tempo para estragarem e,o
congelamento, mata determinados microorganismos (ação microbicida) e em outros
apenas favorece a suspensão das atividades vitais. A nível de microorganismo
temos que considerar que muitos deles são altamente resistentes a temperaturas
extremas e possuem uma incrível capacidade de adaptação. As temperaturas
“empregadas” no congelamento vão de -10 ºC a -40 ºC.
Faça uma pesquisa sobre técnicas antigas de conservação de alimento como a
salga e a defumação de carnes, bem como sobre as técnicas modernas, como a
pasteurização, a esterilização, o congelamento, a desidratação e a radiação.
Ao pesquisar sobre o processo da pasteurização você deve ter percebido que
o alimento mais comum no nosso dia-a-dia, que utiliza essa técnica de conservação,
é o leite, o qual pode ser acondicionado em saquinhos plásticos ou em caixinhas
(denominadas de “longa-vida”).
Segundo especialistas do setor de laticínios, para conservar a qualidade do
leite, logo após ser ordenhado, o leite deve ser resfriado ainda na propriedade. Os
produtores de leite que fazem uso das tecnologias disponíveis no mercado possuem
tanques resfriadores, que são equipamentos projetados para resfriar de 37 ºC para
4ºC, que é a temperatura ideal para que o mesmo seja conservado na propriedade
por 48 horas, até que seja transportado para posterior beneficiamento na indústria.
Isso faz lembrar de um caso recente acontecido em Minas Gerais no qual,
pela falta de tanques resfriadores para a conservação do leite e até por falta de
higiene na ordenha e transporte, algumas pessoas usaram de meios ilícitos para
mascarar a qualidade do leite, adulterando-o com o uso de produtos químicos, como
água oxigenada e soda cáustica.
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A qualidade do leite está relacionada com a quantidade e espécie de
bactérias presentes. Para ser considerado de ótima qualidade, de acordo com
normas internacionais, o leite deve conter no máximo 200.000 bactérias por mililitro.
Sabe-se que, durante o processo de ordenha, armazenagem e transporte pode
haver um acréscimo do número de bactérias presentes no leite, ocasionado pela
falta de tecnologia e higiene empregadas nesses processos. Vale lembrar que as
bactérias reproduzem-se rapidamente, sendo que algumas espécies conseguem
dobrar a sua população a cada vinte minutos, quando o leite se mantém em torno de
25ºC.
Por esse motivo, o leite deve ser resfriado a 4ºC, em tanques, no máximo 2,5
horas após ser ordenhado. O Estado do Paraná se destaca por possuir uma das
maiores bacias leiteiras do país, não só pela produtividade, mas também pela
qualidade sendo que grande parte dos produtores já adotam as tecnologias citadas.
Como funciona o tanque resfriador de leite:
O funcionamento da unidade condensadora é
similar ao do refrigerador, no tanque o gás freon é
comprimido para a câmara de expansão (fonte
fria), que é o fundo do tanque. A cuba do tanque é
também composta pelas paredes laterais que por
sua vez são duplas contendo entre elas um
isolante térmico que é o poliuretano. Na tampa localiza-se um agitador que faz com
que o leite seja resfriado homogeneamente.
1) Quais os efeitos nocivos que a água oxigenada e a soda cáustica podem trazer à
saúde humana?
2) Qual a diferença no processo de pasteurização do leite de “saquinho” com o
longa-vida?
3) Qual o gás refrigerante utilizado nos tanques resfriadores?
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Contaminação dos alimentos
Objetivo: Mostrar a necessidade de guardar adequadamente os alimentos para que
eles não sejam contaminem.
Material:5 recipientes numerados de 1 a 5 devidamente esterilizados com água
fervente, para que não haja interferência de possíveis esporos de microorganismos
no ar, 1 saco plástico ou filme plástico, 2 colheres de amido de milho ou outro tipo de
farinha, 1 colher de óleo, 1 colher de vinagre, 1 panela pequena, 1 copo de vidro e,
água.
Procedimento: prepare o mingau com o amido de milho e um copo de água, misture
bem e leve ao fogo até engrossar. Coloque o mingau ainda quente até a metade dos
5 recipientes. Deixe o recipiente “1” aberto, em cima da pia do laboratório. Cubra o
recipiente “2” com o filme plástico, vede-o e deixe-o também sobre a pia. Complete o
recipiente “3” com óleo e o recipiente “4”, com vinagre. O copo “5” é colocado na
geladeira, sem cobertura.
Depois de uma semana faça uma comparação entre as 5 situações e explique o
porquê das diferenças encontradas, fazendo desenhos coloridos seguindo o que viu
nos recipientes.
Fonte: http:novaescola.abril.com.br, ed 183 – jun,2005
Você encontra dificuldade em abrir a porta de um refrigerador logo após tê-la
fechado, sendo necessário aguardar alguns segundos para abri-la novamente,
especialmente se for um freezer? Por que será que isso acontece?
Para responder a essa pergunta vamos realizar e analisar as seguintes
atividades demonstrativas:
A pressão é proporcional a temperatura
Objetivo: Demonstrar que a pressão é proporcional a temperatura.
Material: ovo cozido duro, recipiente de vidro, bacias, ebulidor, água com gelo.
Desenvolvimento: Coloque o ovo descascado em cima do vidro, observe-o e o
retire;agora aqueça o vidro em banho-maria, tampe a sua boca com o ovo e
observe.
Discuta com seus colegas, sobre o comportamento da pressão em relação as duas
diferenças de temperatura .
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A pressão é inversamente proporcional ao volume
Objetivo: Demonstrar que a pressão é inversamente proporcional ao volume.
Material: seringas
Desenvolvimento: Puxe o êmbolo da seringa; tape com o dedo a ponta da seringa
e comprima o ar; solte e observe o que aconteceu. Agora pressione o êmbolo da
seringa pressionado, tape com o dedo a seringa e expanda o ar, solte e observe o
que aconteceu. Descreva o que ocorreu.
A partir dessas observações poderemos chegar à conclusão de duas Leis
das Transformações dos Gases:
Lei de Gay–Lussac: Em uma transformação isobárica (pressão constante),
o volume ocupado por uma dada massa gasosa é diretamente proporcional à
temperatura, expressa na escala absoluta (K),equacionando: P1 . V1 = P2 . V2
Lei de Charles: Em uma transformação isométrica (volume constante), a
pressão de uma determinada massa de gás é diretamente proporcional à
temperatura,expressa na escala absoluta (K),equacionando: P1 =P 2
T1 T2
Baseado nas leis das transformações dos gases, responda então o porquê da
dificuldade de abrir a porta do freezer logo após tê-la fechado?
REFERÊNCIAS:
ANGOTTI, José Andrade; MION, Rejane Aurora. Equipamentos geradores e a
formação de professores de física. Disponível em: <http://www.ced.ufsc.br>.
Acesso em 01.12.2007.
BRASIL/MEC. Parâmetros Curriculares Nacionais: PCN+ Ensino Médio. Ciências
da Natureza, matemática e suas tecnologias. Brasília: MEC/SENTEC, 2002.
Grupo de Reelaboração do Ensino da Física. Física 2: Física/Óptica/GREF. 5.ed.
São Paulo: EDUSP, 2000.
HAZEN,Robert M. e TREFIL, James. Saber ciência. 2.ed. São Paulo: Editora de
Cultura, 2005
JUNIOR. D. R. Palavra em Ação: Minimanual de Pesquisa – Física. 2.ed.
Uberlândia: Editora Claranto, 2004.
MOREIRA, Marco Antonio. Mapas conceituais e aprendizagem significativa.
Disponível em: <http: //www.if.ufrgs.br> Acesso em 05.12.2008.