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Versão On-line ISBN 978-85-8015-076-6Cadernos PDE
OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSENA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE
Artigos
ANÁLISE EXPERIMENTAL DO CONCEITO DE UMIDADE RELATIVA DO AR
Alessandro Bontempi1
Américo Tsuneo Fujii2
RESUMO: O presente trabalho tem por escopo apresentar a estudantes do ensino médio o
conceito de umidade relativa do ar. Para isso, foi construído um higrômetro de baixo custo, onde as temperaturas de bulbo seco de bulbo úmido foram colhidas em diferentes condições climáticas e utilizadas no cálculo da umidade relativa do ar. Procurou-se ainda demonstrar aos estudantes que ferramentas computacionais gratuitas podem auxiliar no estudo e compreensão de fenômenos científicos. Os resultados demonstraram que a utilização conjunta de experimentos e análise computacional proporcionou significativo aprendizado do conceito de umidade relativa do ar.
Palavras chave: higrômetro; umidade relativa do ar; experimentação; ensino médio.
INTRODUÇÃO
Sabemos que atualmente os meios de comunicação divulgam diariamente
informações relacionadas à previsão do tempo, incluindo a temperatura diária e
umidade relativa do ar. Contudo, ao receber a informação, em especial sobre a
umidade relativa do ar, faz-se a incorreta interpretação de seu conteúdo, por não
conhecer adequadamente seu conceito, pois em geral os textos didáticos
negligenciam o assunto, mas que na verdade é diariamente presente a vida de
qualquer pessoa.
Objetivando uma correta interpretação da informação, direito fundamental do
educando com acesso a uma formação de qualidade, este trabalho busca por
intermédio da experimentação e análise computacional dos dados, proporcionar ao
aluno uma compreensão significativa do conceito de umidade relativa do ar. Assim,
a presente pesquisa propõe a construção de um higrômetro, equipamento simples
secularmente utilizado para medidas de parâmetros necessários ao cálculo da
umidade relativa do ar, abordando conceitos de física térmica e físico-química. A
construção é feita com a utilização de materiais de baixo custo, além do laboratório
de informática disponível atualmente na maioria das escolas pública do Estado do
Paraná.
1Professor PDE. Graduado em Física, Especialista em Física, Mestre em Engenharia Mecânica.
2Professor Orientador. Doutor em Física. Docente do Departamento de Física da Universidade
Estadual de Londrina.
O presente trabalho foi desenvolvido no Colégio Estadual Lúcia de Barros
Lisboa, na cidade de Londrina, Estado do Paraná, com alunos matriculados no 2°
ano do Ensino Médio, período noturno, no decorrer do primeiro semestre de 2014,
em um total de 64 horas/aula, conforme a Matriz Curricular do PDE 2013/2014.
Primeiramente foram apresentados os conceitos e equações que embasam o
entendimento da umidade relativa do ar, incluindo a resolução de exercícios e
debate, de modo a criar uma estrutura básica, alicerce fundamental da fase
experimental e computacional, focos principais para consolidação do conceito.
IMPORTÂNCIA DA EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA
Por muito tempo pairou em nosso meio uma cultura em que ensinar ciência
seria apenas transmissão de conceitos, ficando para a pedagogia os aspectos
relacionados ao aprendizado (FILHO, 2009). Após muitas discussões estudos e
analise, conclui-se pela urgência na utilização de novas abordagens no ensino de
ciências, sobretudo as que utilizam a interdisciplinaridade. É vasta literatura que
trata da importância experimental no ensino de física.
Tem-se aqui uma pequena revisão bibliográfica a cerca do tema, não
objetivando o levantamento de todas as posições, mas daquelas que são mais
recorrentes.
Mauricio Nogueira Maciel desenvolveu um estudo que levantou as principais
publicações em periódicos nos anos de 2000 a 2010, concluindo que a
experimentação vem sendo utilizada como agente motivador (SILVA, 2013).
Maria Lucia Vital dos Santos também analisou a produção recente na área de
experimentação no ensino de física e concluiu que a experimentação continua sendo
tema de grande interesse dos pesquisadores, apresentando ampla gama de
enfoques e finalidades para o ensino de Física (ARAÚJO, 2013).
Maria do Carmo Galiazzi realizou uma pesquisa sobre a experimentação em
sala de aula, cujo os resultados apontaram para sua a pouca utilização, apesar da
crença dos professor que por meio dela pode-se transformar o ensino de ciência
(GALIAZZI, 2013).
Paulo Cesar Castro Lopes analisou a formação de professores de Física
através do desenvolvimento da atividade experimental, onde alunos universitários do
curso de licenciatura em Física ministraram experimentos em uma sala de aula da
rede pública, concluindo que a linguagem pouco precisa utilizada pelos estudantes
na explicação do fenômeno físico revela a fragilidade do seu conhecimento prévio a
respeito do assunto e que não basta apenas informar para que eles consigam se
apropriar de um conhecimento (LOPES, 2013).
Carvalho Silva propôs a construção de um higrômetro utilizando um pequeno
ramo de vagem de sobreiro, tendo sido executados por alunos da terceira série do
ensino fundamental, concluindo que o grau de entusiasmo das crianças e a
compreensão de básicos conceitos como evaporação, demonstrou que o ensino
experimental pode propiciar a introdução de conceitos básico de ciência muito antes
da 8ª série, atual 9ª ano. (CARVALHO, 2002).
Contudo, deve-se ter atendo para que as aulas experimentais não se tornem
meramente ilustrativas, com pouca ou quase nenhuma exploração os conceitos
científicos, o que de nada valeria o trabalho experimental.
HIGRÔMETRO
Higrômetro é um aparelho utilizado em larga escala para medições das
propriedades do ar úmido. O primeiro relato de uso da diferença entre a temperatura
de bulbo seco do ar e a temperatura de bulbo úmido de um sensor recoberto por
uma superfície evaporante ocorreu no século XVIII, de forma que o higrômetro é o
mais antigo instrumento utilizado para determinação do conteúdo do vapor d'água na
atmosfera (FRITSCHEN, 1979). Os higrômetros mais comuns utilizam sempre o
mesmo princípio o da evaporação da água.
A principal função de um higrômetro é fornecer leituras para o cálculo de
parâmetros do ar úmido, de modo que seja possível, por exemplo, dimensionar
ambientes onde os valores de temperatura e umidade se encontrem dentro da faixa
de conforto térmico para maioria das pessoas.
TIPOS DE HIGRÔMETROS DE BAIXO CUSTO
A centena de anos a humanidade procura analisar as propriedades do ar
úmido em busca da compreensão de fenômenos meteorológicos. Um dos primeiros
instrumentos utilizados para medição destas propriedades do ar foi o higrômetro.
Muitas são as configurações de higrômetros, onde apresentaremos a seguir
as mais recorrentes quando se trata de baixo custo.
A) Higrômetro de fio de cabelo
Um dos higrômetros de baixo custo mais utilizados é o higrômetro de fio de
cabelo, sendo várias suas formatações. A figura abaixo mostra um higrômetro de fio
de cabelo.
Figura1-Higrômetro de fio de cabelo (GONZATTI, 2013)
Um fio de cabelo AC é enrolado na haste de um ponteiro no ponto B e preso
nos pontos A e C. A depender da umidade relativa, o fio de cabelo se longa ou se
contrai deslocando o ponteiro (GONZATTI, 2013).
B) Higrômetros químicos
Operam por absorção, por meio de reações químicas que deslocam o
equilíbrio (Composto azul + água ↔ Composto rosa) de acordo com a quantidade de
água absorvida. Utilizam o método denominado “ponto de orvalho”, isto é, a
temperatura em que se inicia a condensação do vapor de água (FELTRE, 2008).
Figura2 - Higrômetro químico (FELTRE, 2008)
C) Higrômetro de bulbo seco e bulbo úmido
Outro higrômetro de baixo custo muito utilizado é o higrômetro de bulbo seco
e de bulbo úmido, figura 03.
Figura3- Higrômetro de bulbo seco e bulbo úmido (BONTEMPI, 2004)
Este higrômetro é formado por dois termômetros presos a uma haste onde um
deles fica com seu bulbo envolvido em uma mecha de algodão constantemente
umidificada com água deionizada ou pura. Através de um ventilador, que
simplesmente é utilizado para acelerar o processo, o ar escoa pelos dois
termômetros.
Um dos termômetros é denominado termômetro de bulbo seco e o outro
termômetro de bulbo úmido. Com as leituras das temperaturas de bulbo seco e de
bulbo úmido podemos calcular vários parâmetros do ar unido.
Na experimentação deste projeto, foi utilizado um higrômetro de bulbo seco e
de bulbo úmido, montado com materiais disponíveis na maioria das escolas
públicas.
Para análise deste higrômetro, devemos primeiramente verificar os conceitos
relacionados, sem o qual não é possível sua inteira compreensão. Tais conceitos
são os de temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, pressão do
vapor e pressão do vapor saturado.
C.1- TEMPERATURA DE BULBO SECO
A temperatura de bulbo seco (Tbs) nada mais é do que a temperatura do ar
ambiente, podendo ser medida com um termômetro sem nenhuma adaptação. É
chamada de temperatura de bulbo seco, porque o bulbo do termômetro não
permanece em contado com nenhuma substância, a não ser o ar ambiente.
C.2- TEMPERATUA DE BULBO ÚMIDO
O termômetro de bulbo úmido (Tbu) esta envolvido em uma gaze de algodão
que fica umedecida constantemente com água deionizada ou pura, medindo a
chamada temperatura de bulbo úmido. Quando o ar atinge a mecha de algodão
ocorre uma transferência simultânea de calor e massa e parte da água da mecha
evapora causando uma redução na temperatura no bulbo do termômetro. O sistema
entra em regime permanente, pois o ar corrente fornece o calor necessário à
evaporação da água. A temperatura estabilizada neste termômetro é denominada
temperatura de bulbo úmido. Importante frisar que a água deionizada não fica em
contato com o bulbo do termômetro, mas tão somente envolvido pela mecha de
algodão e a outra ponta da mecha imersa na água (BONTEMPI, 2004).
C.3- PRESSÃO DE VAPOR, PRESSÃO DO VAPOR SATURADO E UMIDADE
RELATIVA DO AR.
Pressão do vapor é a pressão que se forma na superfície de um líquido.
Para melhor compreensão, imaginemos o aquecimento de uma certa porção
de água. Se quantidade de vapor na superfície da água for aumentando, aumenta
automaticamente a pressão que este vapor exerce sobre a pressão atmosférica. Em
um determinado momento a água irá entrar em ebulição, o que significa que a
pressão de vapor é exatamente igual à pressão atmosférica. Assim a pressão de
vapor é aquela exercida na superfície do líquido que tenta fazer com que moléculas
do líquido escapem de modo a gerar evaporação. Daí o conceito de volatividade. Se
um líquido é mais volátil que outro é porque sua pressão de vapor na superfície do
líquido é maior que o outro líquido, fazendo com que escapem com mais facilmente
moléculas, sendo então mais volátil que o outro.
No caso do vapor d’água que é o que nos interessa no presente estudo, é a
quantidade de vapor d’água presente na superfície deste líquido, mas misturado
com o ar seco. No caso da quantidade de vapor d’água ser a máxima possível que
esta porção de ar seco pode absolver, dizemos que esta pressão é a pressão de
vapor saturado.
A pressão de vapor saturado (Pvs) é calculada pela equação de Clapeyron
(FORGIONE, 2002):
Pvs=1000exp [16,5636-4030,183
Tbs+235] eq.01
onde Tbs é a temperatura de bulbo seco medida no termômetro.
Já para o cálculo da pressão de vapor (Pv), utiliza-se a equação 02,
conhecida como equação de Antoine (FORGIONE, 2002):
Pv= {6,10781*10[
7,5Tbu
237,3+Tbu]-0,000649P[Tbs-Tbu]} *100 eq.02
onde Tbu é a temperatura de bulbo úmido e P é a pressão atmosférica local medida
em hPa, que no caso de Londrina vale 1012,5 hPa.
Por fim o cálculo da umidade relativa (UR) é feito dividindo a pressão do
vapor pela pressão do vapor saturado:
UR=Pv
Pvs×100 eq.03
EFEITOS DA UMIDADE RELATIVA NO CORPO HUMANO
A transpiração do suor é o principal mecanismo de perda de calor do corpo
humano, sendo este o mecanismo primordial de regulação da temperatura corporal,
pois a evaporação do suor permite o resfriamento evaporativo, possibilitando que a
superfície do corpo possa alcançar temperaturas menores do que a ambiente,
dissipando o calor gerado pelo próprio metabolismo corporal e garantindo
manutenção da temperatura corporal interna em torno de 36°C.
Contudo um dos principais fatores que promovem ou dificultam a evaporação
do suor é a umidade relativa. Quanto menor a umidade relativa do ar, maior a taxa
evaporativa do suor, pois maior e a capacidade de absorção do suor pelo ar. Já à
medida que a umidade relativa se aproxima de 100% a capacidade do ar de conter
mais vapor do que já contém tende a ser nula, reduzindo ao mínimo a taxa de
evaporação do suor e levando ao máximo o desconforto término no caso de a
temperatura ambiente se aproximar ou superar a do corpo humano (MORREIRA,
1999).
Assim, em regiões onde predominam climas quentes e secos, surgem
problemas de saúde e produtividade nos seres humanos. Devido a tais efeitos se faz
necessário manter a temperatura de determinados ambientes em certos níveis de
conforto térmico, na faixa de 20-27ºC e humidade relativa entre 60-70%
(HERNANDEZ, 2008).
EXPERIMENTAÇÃO
Após analisar com os alunos as equações que levam ao conceito final de
umidade relativa do ar, tem-se início a fase experimental. Tal procedimento consiste
na montagem de um higrômetro como mostrado na figura 03. Com grupos de cinco
alunos, foram realizadas várias leituras da temperatura de bulbo seco e de bulbo
úmido, onde todos os alunos de uma turma de 2º ano realizaram a montagem de um
higrômetro e sua leitura.
Os grupos trabalharam em dias diferentes, com condições climáticas
variadas, o que permitiu análises da umidade relativa do ar para diversas
configurações de temperatura de bulbo seco e bulbo úmido. Devido à simplicidade
do experimento, poucas foram às dificuldades na montagem. Atenção especial deve
ser dada ao colocar a mecha de algodão no termômetro, observando que o algodão
fique fofo. Isso facilita a evaporação, obtendo dados mais confiáveis. A tabela 01
mostra as leituras obtidas.
Tabela01- Temperatura de bulbo seco (Tbs) e de bulbo úmido (Tbu)
GRUPOS Tbs (ºC) Tbu (ºC)
GRUPO 01 19 17
GRUPO 02 18 17
GRUPO 03 24 19
GRUPO 04 26 17
GRUPO 05 22 18
ANÁLISE COMPUTACIONAL
Em uma sociedade cada vez mais tecnológica onde alunos conhecem
primeiro o mouse e o computador para depois ter acesso ao quadro e giz, o uso de
novas metodologias como a associação entre a atividade experimental e
computacional para o ensino cognitivo torna-se primordial.
Assim, um dos objetivos deste projeto é fazer com que os alunos percebam
que dados físicos podem ser analisados em ferramentas computacionais como
CALC do Linux e que a análise computacional tornou-se no dias atuais uma das
principais ferramentas a disposição da ciência.
Após a montagem do higrômetro e a leitura das temperaturas de bulbo seco e
de bulbo úmido, as equações 01 e 02 foram utilizadas para o cálculo da pressão de
vapor e pressão de vapor saturado. Em seguida a equação 03 fornece o valor da
umidade relativa do ar. A tabela 02 mostra os valores calculados, onde as pressões
são dadas em Pascal e a umidade relativa em porcentagem.
GRUPOS Pvs (Pa) Pv (Pa) UR(%)
GRUPO 01 2196,6 1806,1 82,2
GRUPO 02 2063,0 1871,8 90,7
GRUPO 03 2983,8 1669,5 62,6
GRUPO 04 3361,7 1346,1 40,0
GRUPO 05 2643,5 2206,6 68,1
Tabela 02- Pressão do Vapor (Pv), Pressão do vapor saturado (Pvs), Umidade Relativa (UR)
Reunidos todos os grupos tem-se início a análise dos resultados obtidos. A
primeira questão levantada foi à percepção que a umidade relativa é dependente
das temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido, e não somente da quantidade de
água contida no ar, uma vez que as pressões de vapor e de vapor saturado são
dependentes destas temperaturas. A umidade relativa em função da temperatura de
bulbo seco é demonstrada na figura 04.
O aumento da temperatura ambiente (temperatura de bulbo seco) leva
consequentemente a menores valores de umidade, pois maior e o valor da pressão
de saturação. Nesse ponto, os alunos perceberam que a saturação significa a
quantidade máxima de água que o ar pode suportar naquela temperatura ambiente.
Assim, devido ao amadurecimento dos conceitos, também foi discutido pelos
alunos que mesmo quando a temperatura está baixa (18ºC) se a umidade relativa do
ar for muito alta (90,7%), as pessoas em geral sentirão calor, porque o suor da pele
evapora com mais dificuldade, pois próximo estará da saturação, o que faz com que
a sensação térmica seja mais alta. Da mesma forma, se estiver mais quente (26ºC)
e a umidade relativa do ar for baixa (40%), longe estará da saturação e a maioria
das pessoas sentirá mais frio, porque o suor do corpo evapora com maior facilidade.
Figura 04-Umidade Relativa [%] em função da Temperatura de Bulbo Seco [ºC]
CONCLUSÕES
Ficou demonstrado que a construção de um higrômetro de bulbo seco e bulbo
úmido é um procedimento de baixo custo e de simples execução, podendo ser
realizado em qualquer escola pública do Paraná. As medições obtidas geralmente
são de boa qualidade, pois os resultados obtidos da umidade relativa do ar
apresentam erro de no máximo 10% quando comparados à serviços meteorológicos
oficias disponíveis na internet.
A experimentação gerou grande entusiasmo dos estudantes por trata-se de
um momento diverso do rotineiro ambiente escolar. Fica claro, que o ensino de
ciência pode ter sua qualidade totalmente modificada, caso investimentos em
estrutura de laboratórios fossem realizadas. Assim, devido ao entusiasmo, o
conceito de umidade relativa deixou o senso comum dos alunos e passou a conceito
científico, verificado experimentalmente e debatido em sala de aula.
30
45
60
75
90
15 17 19 21 23 25 27 29
U
R[
%]
Tbs[ºC]
UR[%] x Tbs[ºC]
Agradecimentos Agradeço a Secretaria de Estado da Educação do Paraná, ao Programa de Desenvolvimento Educacional PDE, a Universidade Estadual de Londrina, ao Departamento de Física e em especial ao Professor Doutor Américo Tsuneo Fujii pela paciência e orientação.
REFERÊNCIAS
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