Oficina : Física Térmica - Nelson Reyes
Oficina : Física Térmica - Nelson Reyes
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL<br />
INSTITUTO DE FÍSICA<br />
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE FÍSICA<br />
<strong>Oficina</strong> : <strong>Física</strong> <strong>Térmica</strong><br />
Prof. <strong>Nelson</strong> Luiz <strong>Reyes</strong><br />
Marques
1- temperatura<br />
A temperatura é uma grandeza primitiva, não podendo,<br />
por isso, ser definida.<br />
São as sensações táteis de “quente” e de “frio” que<br />
nos transmitem a primeira noção de temperatura.
Termoscópios e termômetros<br />
Termoscópio qualquer instrumento que permita verificar se a<br />
temperatura está ou não variando.<br />
Termômetro é um instrumento destinado a medir a<br />
temperatura.<br />
Termômetro de álcool.
2- Calor<br />
Calor é uma forma de energia transferida de um<br />
corpo para outro devido, exclusivamente, a uma diferença<br />
de temperatura.<br />
Provocação 1- Quanto maior a temperatura de um corpo,<br />
mais calor ele possui?<br />
Provocação 2- Pode-se dizer que a temperatura é a medida<br />
da quantidade de calor de um corpo?<br />
Provocação 3- Para aumentar a temperatura de um corpo<br />
ele deve obrigatoriamente receber calor ?<br />
Provocação 4 - Sempre que um corpo recebe calor a sua<br />
temperatura aumenta?
ERROS CONCEITUAIS NOS LIVROS DIDÁTICOS<br />
ILHAS DE CALOR<br />
“..... Nesses locais, há um acúmulo de calor devido ao sol, aos<br />
motores e ao calor de aparelhos elétricos .” LIVRO: Ciências 4 – pág 17 –<br />
Paulo Cunha e Suely Raimondi – Atual Editora<br />
“Por outro lado, parte do calor produzido rente ao solo é<br />
aprisionado pelas nuvens, que funcionam como uma tampa<br />
de panela.”<br />
LIVRO: Ciências 4 – pág 32 – Paulo Cunha e Suely Raimondi – Atual Editora<br />
“O calor da terra.”<br />
LIVRO: Ciências 4 – pág 118 – Francisco Azevedo de Arruda Sampaio e Alaoma<br />
Fernandes de Carvalho – Editora: IBEP
ERROS CONCEITUAIS NOS LIVROS DIDÁTICOS<br />
“ Quando um corpo ganha calor, ele esquenta; quando<br />
perde calor , esfria”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione<br />
“ O calor pode ser produzido por meio de aparelhos<br />
elétricos ......”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione<br />
“ Nos também podemos produzir calor esfregando as<br />
mãos uma na outra , sentimos as mãos aquecermos. ”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione<br />
“ Há corpos que se aquecem com mais rapidez e, por isso<br />
conduzem (transmitem) o calor com facilidade. ”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione
3 - Processos de propagação do calor<br />
Condução térmica<br />
Condução térmica é um processo de transporte de energia, sem<br />
transporte de matéria, que ocorre de maneira mais eficiente nos<br />
materiais sólidos.
Provocação 5- O que significa dizer “estou com frio”?<br />
Provocação 6- Por que a lã é muito usada nos dias frios?<br />
Provocação 7- Em um mesmo ambiente de temperatura uniforme,<br />
você toca um pedaço de madeira e uma peça de metal. Como você<br />
explica o fato da peça metálica parecer mais fria?<br />
ERROS CONCEITUAIS NOS LIVROS DIDÁTICOS<br />
“..., você usa um cobertor para se aquecer.”<br />
LIVRO: Ciências 4 – pág 73 – Samuel Ramos Lago e Erica Meirelles – Editora: IBEP
ERROS CONCEITUAIS NOS LIVROS DIDÁTICOS<br />
“ Há corpos que se aquecem com mais rapidez e, por isso<br />
conduzem (transmitem) o calor com facilidade. ”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione<br />
“ Há outros corpos que demoram mais para se aquecer,<br />
por isso conduzem o calor com mais dificuldade. ”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione<br />
“ 3. a) O alumínio e o ferro são bons condutores porque se<br />
aquecem com rapidez. ”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione<br />
“ 3. b) A madeira e o plastico são maus condutores porque<br />
demoram mais para se aquecer. ”<br />
Autores: Maria teresa, Maria do carmo, Maria Elisabete e Armando Coelho. 4º Série – Ed Scipione
Comentários importantes:<br />
1º) As panelas usadas em uma cozinha devem ser feitas de metal,<br />
para que a energia térmica se propague rapidamente. Mas seus<br />
cabos, geralmente, são feitos de madeira ou de plástico, maus<br />
condutores de calor, a fim de dificultar a chegada do calor até a mão<br />
de quem segura o utensílio.
2º) As panelas de aço inox com fundo triplo, são feitas com duas<br />
camadas de aço inox, envolvendo uma camada de alumínio, que<br />
por se melhor condutor que o aço inox, distribui o calor da chama de<br />
maneira mais uniforme, facilitando o cozimento dos alimentos. Se o<br />
alumínio for substituído por cobre, o aquecimento ainda é mais<br />
homogêneo e rápido em toda sua superfície interna.
Convecção térmica<br />
Convecção térmica é um processo de transporte de energia,<br />
juntamente com o transporte de matéria, devido a uma diferença<br />
de densidade e a ação gravitacional.
Comentários importantes:<br />
1º) Em um refrigerador ocorre a formação de correntes de<br />
convecção.
ERRO CONCEITUAL<br />
Guia do estudante Enem 2011 - Geografia
Inversão térmica.
Arranjo Experimental.<br />
Pega-se uma garrafa de plástico de refrigerante, com dois<br />
orifícios. Introduzimos uma rolo de papel num dos orifícios.<br />
Coloca-se fogo na extremidade externa do papel e observa-se a<br />
fumaça...<br />
Como podemos explicar??<br />
“A atmosfera, sendo poluída, retém mais calor da terra, ....”<br />
LIVRO: Ciências 4 – pág 75 – Samuel Ramos Lago e Erica Meirelles – Editora: IBEP
Irradiação térmica<br />
Irradiação térmica é o processo de transferência de calor através<br />
de ondas eletromagnéticas, chamadas ondas de calor ou calor<br />
radiante.
ERROS CONCEITUAIS NOS LIVROS DIDÁTICOS<br />
O esquema abaixo representa corretamente um aquecedor solar?<br />
LIVRO: Ciências 4 – pág 108 – Samuel Ramos Lago e Erica Meirelles – Editora: IBEP
Estufas são recintos fechados com paredes e teto de vidro (ou<br />
plástico transparente), utilizadas, principalmente em países de<br />
inverno rigorosos, para cultivar verduras, legumes e flores.
5º) A atmosfera da terra também provoca o efeito estufa
Troposfera<br />
Ela vai do nível do mar até 12 km de altura. É nesta camada que ocorrem<br />
os fenômenos climáticos (chuvas, formação de nuvens, relâmpagos).<br />
É também na troposfera que ocorre a poluição do ar. Os aviões de<br />
transporte de cargas e passageiros voam nesta camada.<br />
http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=7&alterarIdioma=sim&novoIdioma=pt
ERROS CONCEITUAIS NOS LIVROS DIDÁTICOS<br />
O esquema abaixo representa corretamente a atmosfera da terra?<br />
LIVRO: Ciências 4 – pág 74 – Samuel Ramos Lago e Erica Meirelles – Editora: IBEP
http://professoradegeografia.blogspot.com/2008/09/atmosfera-atmosfera.html
ERROS CONCEITUAIS NOS LIVROS DIDÁTICOS<br />
Experimento proposto na página 71 do livro a Infância Feliz –<br />
4º série<br />
Autores: Aline Viana, Maria José Jordão e Sergio Escarlate<br />
Editora: Escala Educacional<br />
Arranje uma colher de madeira, uma de plástico e outra de<br />
alumínio ou aço inoxidável. Coloque-as ao sol.<br />
1. As colheres se aquecem igualmente? Não<br />
2. Qual delas se aquece mais? A de metal<br />
Você concorda com as respostas apresentadas pelos autores?<br />
A cor não importa? ....
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EDUCAÇÃO<br />
PARA A CIÊNCIA E O ENSINO DE MATEMÁTICA<br />
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ<br />
AS CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DE ALUNOS DA 8ª SÉRIE DO<br />
ENSINO FUNDAMENTAL SOBRE O FENÔMENO DO EFEITO<br />
ESTUFA<br />
ANA CRISTINA LEANDRO DA SILVA LIBANORE<br />
Maringá<br />
2007<br />
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Educação<br />
para a Ciência e o Ensino de Matemática da Universidade Estadual de Maringá como<br />
requisito parcial para a obtenção do título de Mestre.<br />
Orientadora: Profª. Dra. Ana Tiyomi Obara.
4. Efeito Estufa<br />
O efeito estufa é um fenômeno atmosférico natural, ou<br />
seja, existe na natureza, é independente da ação do<br />
homem e das atividades que o homem realiza em<br />
interação com o meio ambiente. Ele acontece porque<br />
alguns gases que compõem a atmosfera funcionam<br />
como um vidro de uma estufa, que deixa passar a luz<br />
solar para seu interior, mas aprisiona o calor gerado<br />
dentro da estufa.<br />
O texto contém algum erro conceitual?
Efeito Estufa<br />
Molion (1995, p. 2) define esse acontecimento da<br />
seguinte maneira:<br />
A atmosfera terrestre é constituída de gases que<br />
permitem a passagem da radiação do sol e absorvem<br />
grande parte do calor (a radiação infravermelha térmica)<br />
emitido pela superfície aquecida da Terra. Essa<br />
propriedade é conhecida como efeito estufa.<br />
O texto contém algum erro conceitual?
As concepções alternativas sobre o efeito<br />
estufa<br />
O efeito estufa é causado por gases produzidos pela<br />
geladeira, pela fabricação de isopor, pelas fumaças das<br />
fábricas e dos carros, e o gás que mais destrói é um gás<br />
chamado CFC, que além de destruir a camada de ozônio,<br />
ele aprisiona os raios do sol. (E-1)<br />
Efeito estufa é a degradação do meio ambiente e que<br />
acaba muito com a camada de ozônio. Ocorre com a<br />
poluição e nós poluímos o meio ambiente a toda hora até<br />
quando jogamos um papel de bala no chão nós<br />
poluímos.(E-2)
As concepções alternativas sobre o efeito<br />
estufa<br />
O efeito estufa é conhecido também como aquecimento<br />
global, é causado pela emissão de gases poluentes e<br />
resíduos que destroem a camada de ozônio. (E-3)<br />
O efeito estufa é causado pelos lixos, fumaça das<br />
fábricas, gás da geladeira e o CFC. Esses produtos e<br />
fumaças fazem buracos na camada de ozônio e isso é<br />
muito ruim. (E- 5)<br />
O efeito estufa ocorre quando a poluição quebra a<br />
camada de ozônio deixando os raios ultravioletas<br />
entrarem. (E-13)
As concepções alternativas sobre o efeito<br />
estufa<br />
O efeito estufa está existente a partir do início da<br />
industrialização, quando as indústrias lançaram fumaças<br />
a partir da produção na atmosfera. (E-6)<br />
Como é causado o efeito estufa: pelo desenvolvimento<br />
tecnológico e com a tecnologia, a criação de máquinas,<br />
indústrias, carros, tudo isso polui e hoje a maior poluição<br />
é a destruição da camada de ozônio além da degradação<br />
da natureza. (E-33)
As concepções alternativas sobre o efeito<br />
estufa<br />
O efeito estufa pode ocasionar várias secas, prejudicando,<br />
assim, as produções agrícolas e doenças como o câncer<br />
de pele. (E-32)<br />
As implicações de efeito estufa são muito graves para a<br />
vida do ecossistema e da vida humana no planeta Terra,<br />
pois querendo ou não as pessoas vão se prejudicar,<br />
gerando doenças como câncer de pele e etc. (E-12)<br />
Medidas já foram tomadas para conter o efeito estufa<br />
como o Tratado de Kyoto, porém não alteraram a<br />
realidade, ou seja, não deu certo. (E-6)
Professora de Ciências<br />
O que você entende por “efeito estufa”?<br />
Seria um aquecimento global da Terra com o<br />
aprisionamento da temperatura na atmosfera.<br />
(PC)
Professora de Geografia<br />
Sim, já trabalhei, é nas 5ª séries, apesar de trabalhar em<br />
todas as séries, sempre estar comentando sobre esse<br />
fenômeno causado pelos gases que o homem emite na<br />
camada de ozônio. (PG)<br />
Então, é justamente isso; então, tentar fazer com que<br />
eles relacionem algo que está sendo gerado pelo<br />
homem que é o efeito estufa por causa dos gases e<br />
que está afetando diretamente a nossa vida e sempre<br />
trabalhar algo que é mais concreto para eles, algo que<br />
eles entendam.(PG)
Professora de Geografia<br />
Inclusive, e aí, a gente pode puxar pra questão do<br />
câncer de pele, da proteção que nos devemos ter em<br />
questão ao sol, os horários, porque que eles assistem<br />
na televisão, porque das 10 às 4 horas da tarde a gente<br />
tem que se prevenir passar um filtro solar. (PG)
5. Dilatação dos sólidos<br />
Podemos observar, em<br />
várias situações cotidianas, os<br />
efeitos da dilatação e da<br />
contração que ocorrem devido<br />
às variações na temperatura.<br />
Os cabos de aço da ponte “Golden Gate” de São Francisco (EUA)<br />
ficam até 1,50 metros mais abaixo, no meio da ponte, no verão do<br />
que no inverno, devido à dilatação.
Existem algumas situações em que é<br />
necessário o uso de materiais com a<br />
mesma taxa de dilatação, como por<br />
exemplo, o engenheiro usa barras de ferro<br />
de reforço que possuem a mesma taxa de<br />
dilatação que o concreto e o dentista utiliza<br />
na restauração um material com a mesma<br />
taxa de dilatação que o esmalte dos dentes.<br />
Amálgama prateado<br />
A dilatação pode ser útil. Quando se quer afrouxar a tampa<br />
metálica de um vidro, podemos mergulhá-los em água quente.<br />
A tampa de metal dilata-se mais que o vidro e fica um pouco<br />
mais frouxa.
Dilatação linear<br />
Dilatação (L) = coeficiente de dilatação () X<br />
comprimento inicial (L 0) X aumento de temperatura (T).<br />
L L . T<br />
L L 1 . T<br />
<br />
0 <br />
. 0
Dilatação superficial e volumétrica
A figura representa o termostato de um ferro elétrico<br />
que funciona com uma lâmina bimetálica de latão e invar (liga<br />
metálica composta de ferro e níquel), cujo coeficiente de<br />
dilatação é menor do que o coeficiente do latão.
6- Calor e energia interna<br />
James P Joule confirmou, experimentalmente, que<br />
calor é uma forma de energia. Joule realizou diversos<br />
experimentos na busca do equivalente mecânico do calor.<br />
Por volta de 1840, inventou um recipiente com água,<br />
isolado termicamente, no qual colocou um sistema de pás<br />
que podiam agitar a água
Atualmente, considera-se que, quando a<br />
temperatura de um corpo é aumentada, a energia que<br />
ele possui em seu interior, a energia interna, também<br />
aumenta. Se o corpo é colocado em contato com outro,<br />
de temperatura mais baixa, haverá transferência de<br />
energia do primeiro para o segundo e essa energia é<br />
denominada calor. Portanto, o conceito é o seguinte:<br />
Calor é uma forma de energia transferida de<br />
um corpo para outro devido, exclusivamente, a uma<br />
diferença de temperatura.
A energia interna de um sistema resulta das<br />
energias cinéticas e potenciais de todas as partículas que<br />
o constituem. Podemos ter corpos com as mesmas<br />
temperaturas e diferentes energias internas. A energia<br />
interna depende da quantidade de matéria que constitui o<br />
sistema. Se tivermos 3 litros de água a 80 ºC e os<br />
dividirmos por dois recipientes, um com um litro e outro<br />
com dois litros, a água terá a mesma temperatura nos<br />
dois recipientes, mas a energia interna no recipiente com<br />
dois litros será o dobro da do outro recipiente, pois tem<br />
duas vezes mais água.
Provocação 5- Qual(is) a(s) condição(ões) para se<br />
admitir a existência de calor?<br />
Provocação 6- Para aumentar a temperatura de um<br />
corpo ele deve obrigatoriamente receber calor ?
Capacidade <strong>Térmica</strong> e Calor Específico<br />
A capacidade térmica de um corpo está relacionada com<br />
a quantidade de energia na forma de calor que ele é capaz<br />
de absorver ou ceder.<br />
O calor específico esta relacionado com a capacidade<br />
de uma substância absorver energia na forma de calor. O<br />
calor específico é definido como a quantidade de calor por<br />
unidade de massa necessária para elevar ou baixar de 1 ºC a<br />
temperatura de uma substância.
- entre as substâncias de uso comum, a água é a substância<br />
que apresenta o maior calor específico.<br />
- essa propriedade da água de absorver e liberar grandes<br />
quantidades de calor sem que a sua temperatura sofra grandes<br />
variações é importante para o clima da terra, que é moderado<br />
pela temperatura relativamente estável dos oceanos.
2º) No litoral, durante o dia, o ar próximo à superfície da Terra<br />
se aquece mais rapidamente do que o ar próximo à superfície do<br />
mar. Assim, o ar que está sobre a areia sobe e, abre um espaço,<br />
que é rapidamente ocupado pelo ar mais frio, aquele que está<br />
sobre o mar. Forma-se assim uma corrente de ar que chamamos<br />
de brisa marítima, pois sopra do mar para a terra.
Depois que o Sol se põe, a água e a areia deixam de receber<br />
calor e começam a esfriar. Mas a areia esfria rapidamente, e a<br />
água do mar demora a esfriar. O ar que está sobre o mar fica<br />
mais quente do que o ar que está sobre a areia. Mais aquecido,<br />
fica menos denso e sobe. Assim, o ar que está sobre a areia se<br />
desloca em direção ao mar: é a brisa terrestre.
Calor Latente<br />
A quantidade de energia, na forma de calor, necessária para<br />
transformar uma unidade de massa de uma substância na fase sólida<br />
para a líquida é chamada calor latente de fusão.<br />
Para a água, o calor latente de fusão vale 80 cal/g, ou seja, são<br />
necessárias 80 calorias para fundir cada grama de gelo.<br />
Para a água, o calor latente de vaporização vale 540 cal/g, ou seja,<br />
são necessárias 540 calorias para vaporizar cada grama de água.
Provocação 7- Sempre que um corpo recebe calor a<br />
sua temperatura aumenta?
7. Mudanças de Fase
Transformação<br />
Mudança de<br />
fase<br />
Sólido Líquido Fusão<br />
Líquido Sólido Solidificação<br />
Líquido Gasoso Vaporização<br />
Gasoso Líquido Condensação<br />
Sólido Gasoso Sublimação<br />
Gasoso Sólido<br />
Sublimação<br />
(inversa)<br />
Temperatura que se<br />
processa a mudança<br />
de fase<br />
Temperatura de fusão<br />
(TF) Temperatura de<br />
solidificação (TS) Temperatura de<br />
vaporização (TV) Temperatura de<br />
condensação (TC) Temperatura de<br />
sublimação (T S)<br />
Observa<br />
ções<br />
T F = T S<br />
T S = T F<br />
T V = T C<br />
T C = T V<br />
T S =T SI<br />
Transformaçã<br />
o<br />
Endotérmica<br />
Exotérmica<br />
Endotérmica<br />
Exotérmica<br />
Endotérmica<br />
Temperatura de<br />
sublimação inversa (T SI) T SI =T S Exotérmica
Orvalho - Condensação na forma de pequenas<br />
gotas de água que se formam na grama e em<br />
outros objetos pequenos perto do chão,<br />
geralmente durante a noite, quando a<br />
temperatura cai até o ponto de condensação.<br />
Ponto de Orvalho: Temperatura necessária para que a umidade<br />
existente no ar se converta em orvalho.<br />
Geada - Depósito de gelo cristalino, em forma<br />
de agulhas, prismas, escamas, etc., resultante<br />
da sublimação do vapor de água do ar (ou pelo<br />
congelamento do orvalho ou ainda pelo<br />
esfriamento produzido pela evaporação da<br />
água ), sobre a superfície do solo, das plantas e<br />
dos objetos expostos ao ar.