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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

FACULDADE DE EDUCAÇÃO

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA EM TEMPOS DE CRISE

HANI SAMIR JOMAA

LUCIANO ROMENIUS FERREIRA GUIMARÃES

NATHALIE KELLY MINAKO OGATA

NAYARA NOEMI DO AMARAL AIKAWA

SÃO PAULO

2010

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HANI SAMIR JOMAA

LUCIANO ROMENIUS FERREIRA GUIMARÃES

NATHALIE KELLY MINAKO OGATA

NAYARA NOEMI DO AMARAL AIKAWA

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA EM TEMPOS DE CRISE

Trabalho apresentado como

requisito obrigatório para

conclusão da disciplina

EDM0425 – Metodologia do

Ensino de Física I da

Faculdade de Educação da

Universidade de São Paulo.

Docente Responsável:

Prof. Dr. Maurício Pietrocola

Pinto de Oliveira

SÃO PAULO

2010

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SUMÁRIO

1. Apresentação ................................................................ 3

2. Introdução/Justificativa .................................................. 3

3. Objetivo Geral ................................................................ 4

4. Público Alvo ................................................................... 4

5. Número de Aulas ........................................................... 4

6. Conteúdo Físico ............................................................ 5

7. Temática de Interesse ................................................... 5

8. Atividades ...................................................................................................... 5

8.1. Show Ecologicamente Correto. ............................... 5

8.2. Explorando as Diversas Fontes de Energia ............ 6

8.3. Célula Fotoelétrica (Construção e Aplicação) ......... 7

9. Quadro Sintético ....................................................................................... 8

10. Mapa Conceitual ....................................................................................... 9

11. Referências Bibliográficas ............................................................... 10

Anexos ...................................................................................................................... 11

Anexo A – Recurso de Ensino 1a ......................................... 11

Anexo B – Recurso de Ensino 1b ......................................... 11

Anexo C – Recurso de Ensino 1c ......................................... 11

Anexo D – Recurso de Ensino 2a ......................................... 13

Anexo E – Recurso de Ensino 2b ......................................... 13

Anexo F – Recurso de Ensino 3a ......................................... 14

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1. APRESENTAÇÃO

Neste módulo, trabalharemos com os alunos as diversas fontes de

energia, tanto as renováveis com as não-renováveis, mas com o foco nas

renováveis. Buscaremos a reflexão de qual o custo das diversas fontes

apresentadas, tanto em valor monetário quanto no custo social e ecológico,

através de cálculos de gasto de energia, pesquisa e debate das necessidades

da população e do impacto no meio ambiente.

2. INTRODUÇÃO/JUSTIFICATIVA

Frequentemente ocorre, pelo aluno, a vinculação exclusiva da ideia de

energia com combustíveis ou com a "conta de energia elétrica" que chega em

sua casa todos os meses. Isso sem falar nos usos do cotidiano de que essa

palavra é refém e, quase sempre, envolvida em uma "aura mística".

A questão energética, saindo do contexto exclusivo das aulas padrão de

Física, toma em nossa sociedade dimensões de um dos grandes temas

contemporâneos que nos envolvem a todos. Nossa sociedade,

exageradamente consumista, faz uso em proporções alarmantes dos recursos

naturais do planeta, com o propósito de obtenção de energia para alimentar o

ciclo cada vez mais veloz de geração e transferência de capital. Este

dimensionamento do problema precisa ser abordado criticamente no sentido

mesmo da formação de um aluno consciente, em uma proposta de ensino que

busque a formação de cidadãos.

Neste contexto, cabe pensar uma nova referência de qualidade da vida

do nosso planeta, verificando que algumas das diversas fontes de energias que

utilizamos são não-renováveis, isto é, não é possível repor o que gastamos.

Teremos, então, o seu esgotamento. As principais são a energia da fissão

nuclear e os combustíveis fósseis (petróleo, gás natural e carvão).

Entretanto, temos fontes de energia que são renováveis, como: o sol

(energia solar), o vento (energia eólica), os rios e correntes de água doce

(energia hidráulica), os mares e oceanos (energia maremotriz), as ondas

(energia das ondas), matéria orgânica (biomassa, biocombustível), o calor da

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Terra (energia geotérmica), água salobra (energia azul). Essas energias são

consideradas como energias alternativas ao modelo energético tradicional,

tanto pela sua disponibilidade garantida como pelo seu menor impacto

ambiental.

Por isso, esse módulo visa a conscientizar os alunos das diversas fontes

alternativas de energia, de como se dá a transformação dessas energias em

energia elétrica, o cálculo do custo dessa transformação e o impacto que elas

têm no meio ambiente.

Propomos, então, partir da ideia central de Transferência de Energia,

conceito intrinsecamente ligado à ideia de Conservação de Energia, e

chegamos a uma aplicação que tem consequências de grande influência

tecnológica: a célula solar.

É um percurso muito longo, se fôssemos nos ater a minúcias conceituais

da Física e da Química, mas que ao fazermos uso da transposição didática1,

faremos algumas aproximações, mantendo a coerência do seu corpo

conceitual, de forma a atingirmos um objetivo: tornar acessível ao aluno esta

ideia (transformação da energia) que parece quase sempre muito abstrata.

3. OBJETIVO GERAL

O que pretendemos com nosso módulo é conscientizar os alunos da

existência dessas diversas fontes alternativas de energia, de como se dá a

transformação dessas energias em energia elétrica, o cálculo do custo dessa

transformação e o impacto que elas têm no meio ambiente.

4. PÚBLICO ALVO

O público alvo são os alunos de Física do terceiro ano do Ensino Médio.

5. NÚMERO DE AULAS

O módulo foi projetado para que, se ministrado integralmente, cubra o

equivalente a sete aulas de 50 minutos; mas, pode ser estendido para oito

1 O conceito de transposição didática é trabalhado no texto "Problematização e

Contextualização no Ensino de Física", de Elio Carlos Ricardo

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aulas, conforme o decorrer das discussões e das atividades. ]

6. CONTEÚDO FÍSICO

Conservação da energia. Eletrodinâmica, essencialmente, as Leis de

Ohm, e relações entre os elementos corrente elétrica, resistência elétrica,

diferença de potencial, e potência elétrica. Termodinâmica, com seus

Princípios. Física moderna, em especial, o Efeito Fotoelétrico.

7. TEMÁTICA DE INTERESSE

Tratamos sobre as diversas fontes de energia, tema atual e importante

para os alunos, já que eles não conseguem nem imaginar o que seria do

mundo sem energia elétrica. Colocar essa questão em discussão é importante

para conscientizá-los da necessidade de poupar energia e de buscar fontes

alternativas que são renováveis.

8. ATIVIDADES

8.1. SHOW ECOLOGICAMENTE CORRETO

Objetivo: Apresentar a fonte de energia solar; Calcular o custo de um

show realizado com a mesma.

Conteúdo: Fonte de energia solar e custo da energia.

Recursos de Ensino: Reportagem sobre o primeiro show realizado com

energia solar (Recurso de Ensino 1a), Roteiro para a discussão da reportagem

(Recurso de Ensino 1b), Dados para o cálculo do custo da energia consumida

no show (Recurso de Ensino 1c), lousa e giz.

Dinâmica da Atividade:

O professor comentará que a energia elétrica pode ser gerada por

diversas fontes, entre elas, existe a fonte de energia solar.

Propor a leitura da Reportagem sobre o primeiro show realizado

com energia solar (Recurso de Ensino 1a); esta leitura pode ser feita

individualmente ou em grupos conforme a quantidade de alunos.

Introduzir uma discussão sobre a reportagem. Essa discussão

dependerá do perfil dos alunos; eles poderão ou não comentar sobre o que

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leram. Caso a discussão não seja espontânea, o professor deverá utilizar-se do

Roteiro para a discussão da reportagem (Recurso de Ensino 1b) para

conseguir promover a discussão.

Os alunos deverão calcular o custo do show em questão com

base nos Dados para o cálculo do custo da energia consumida no show

(Recurso de Ensino 1c) e com o auxílio do professor.

Deverão concluir que o show discutido é ecologicamente correto, porém

o seu custo é elevado.

8.2. EXPLORANDO AS DIVERSAS FONTES DE ENERGIA

Objetivo: Apresentar as diversas fontes de energia; Explorar os

conceitos de transformação e conservação de energia.

Conteúdo: Fontes de Energia (Eólica, Hidráulica, Nuclear, Térmica e

Solar), Transformação e Conservação de Energia.

Recursos de Ensino: Roteiro para pesquisa sobre fontes de energia

(Recurso de Ensino 2a), Roteiro para discussão do tema “Por que economizar

energia se a mesma se conserva?” (Recurso de Ensino 2b), computadores,

acesso à internet, lousa e giz.

Dinâmica da Atividade:

O professor inicia a aula apresentando aos alunos outras fontes

de energia (Eólica, Hidráulica, Nuclear, Térmica e Solar). Nessa apresentação

o professor deve falar duas características de cada: de que provém e como é

obtida.

O professor vai solicitar que a sala se divida em cinco grupos e

que cada grupo pesquise sobre uma fonte, fornecerá o Roteiro para pesquisa

sobre fontes de energia (Recurso de Ensino 2a) para melhor orientá-los.

A pesquisa pode ser iniciada na própria escola, caso tenham

acesso a computadores e acesso à internet. Caso contrário, a pesquisa pode

ser realizada em casa e solicitada para a próxima aula.

Os cinco grupos devem apresentar os resultados das pesquisas.

O professor deve estipular um tempo de aproximadamente oito a dez minutos

por grupo.

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O professor dará uma aula expositiva sobre a transformação e

conservação de energia utilizando o material.

Após essa aula, o professor vai propor a questão da economia de

energia, com o apoio do Roteiro para discussão do tema “Por que economizar

energia se a mesma se conserva?” (Recurso de Ensino 2b).

8.3. CÉLULA FOTOELÉTRICA (CONSTRUÇÃO E

APLICAÇÃO)

Objetivo: Construir e observar o funcionamento de uma célula

fotoelétrica.

Conteúdo: Célula fotoelétrica.

Recursos de Ensino: materiais da Lista de materiais para a construção

(Recurso de Ensino 3a), Roteiro para a construção da célula fotoelétrica

(Recurso de Ensino 3b).

Dinâmica da Atividade:

O professor irá propor a construção da célula fotoelétrica;

providenciará os materiais da Lista de materiais para a construção e fornecerá

o Roteiro para a construção da célula fotoelétrica (Recurso de Ensino 3a).

Com o roteiro e auxílio do professor, os alunos construirão a

célula fotoelétrica.

Após a construção da célula fotoelétrica, os alunos observarão o

funcionamento do objeto construído.

Será proposta uma conversa com os alunos, para discutir e

comentar as atividades realizadas, concluindo a sequência didática.

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9. QUADRO SINTÉTICO

ATIVIDADE MOMENTOS TEMPO

1. Show ecologicamente

correto

* apresentação da reportagem sobre o show do Jota Quest

* discussão da reportagem * cálculo do custo do show

1 aula

2. Explorando as diversas fontes de energia

* apresentação de diversas fontes de energias * orientação para pesquisa (roteiro)

* pesquisa desenvolvida pelos alunos

1 aula

* apresentação da pesquisa dos grupos; expondo aspectos positivos e negativos

1 aula

* exposição de como ocorre a transformação e a conservação das fontes apresentadas

* discussão do tema: Por que economizar energia se a mesma se conserva?

1 aula

3. Célula fotoelétrica (construção e aplicação)

* roteiro para a construção * construção

2 aulas

* aplicação prática da célula fotoelétrica * discussão dos resultados

1 aula

Total de aulas 7 aulas

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10. MAPA CONCEITUAL

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11. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS

ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil, Agência Nacional de

EnergiaElétrica, Brasília, 2002, disponível em

http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/livro_atlas.pdf

Azevedo, Manuel; Cunha, António. Fazer uma célula fotovoltaica, de, do

Departamento de Física Universidade de Aveiro, Portugal, s/d

Revista Scientific American, vol 295, no 3, 2006, edição americana.

Ricardo, Elio Carlos. Problematização e Contextualização no Ensino de

Física.

Shayani, Rafael Amaral; Oliveira, Marco Aurélio Gonçalves de;

Camargo, Ivan Marques de Toledo. Comparação do Custo entre Energia Solar

Fotovoltaica e Fontes Convencionais, V CBPE, Congresso Brasileiro de

Planejamento Energético, 2006

Silva, Luciano Fernandes; Carvalho, Luiz Marcelo. A Temática Ambiental

e o Ensino de Física na Escola Média: Algumas Possibilidades de Desenvolver

o Tema Produção de Energia Elétrica em Larga Escala em uma Situação de

Ensino, Rev. Bras. Ensino Física, vol 24, no 3, São Paulo, 2002.

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ANEXOS

Anexo A - Recurso de Ensino 1a

Para iniciar o mini–curso e introduzir o assunto sobre a energia solar

sugerimos que o professor apresente uma reportagem, televisiva ou impressa,

sobre o primeiro show feito com energia solar. Nossa sugestão de reportagem

pode ser encontrada no link abaixo:

http://www.greenpeace.org/brasil/pt/Multimidia/Fotos/o-show-brasil-solar-

aconteceu/

O professor tem livre escolha sobre a reportagem. Caso ele ache

interessante ou importante ele pode apresentar outras reportagens sobre

shows ou casas feitas com energia solar.

Anexo B – Recurso de Ensino 1b

Após a apresentação da reportagem sugerimos ao professor que ele

inicie uma discussão com a sala, preferencialmente com os alunos dispostos

em meia-lua, sobre o show. Sugerimos ao professor que ele siga os seguintes

passos:

Perguntar aos alunos o que acharam da reportagem;

Se eles acham que mais bandas deveriam fazer shows a base de

energia solar;

Perguntar o motivo pelo qual eles acham que muitas bandas não

fazem show dessa formas e iniciar a discussão final acerca do custo de um

show feito nessas condições.

O professor deve finalizar a discussão falando sobre o custo de um show

desses para poder ligar a discussão com a atividade do cálculo do custo do

show.

Anexo C – Recurso de Ensino 1c

Um estudo comparativo dos custos de tarifas de energias elétrica em

algumas capitais, é apresentado na Tabela 1. Nela, temos o valor médio, em

2005, destas tarifas, nas unidades residenciais

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Tabela 1. Valor da energia cobrada das unidades consumidoras

residenciais em 2005, descontados os impostos ICMS, PIS/PASEP e COFINS.

- (fonte: ANEEL, 2006)

Os sistemas isolados, ou seja, os que alimentam as residências

individualmente, tendem a ser o dobro dos sistemas que alimentam várias

residências. O valor total médio destes sistemas está na Tabela 2, e

representam painéis de 45W em horário de pico em relação à insolação

incidente na placa (WPICO).

Tabela 2. Custo de instalação de um sistema fotovoltaico de 1,98 kWPICO

Um sistema utilizado para a alimentação de uma residência de tamanho

médio, tem o seu custo, considerando-se o valor a ser pago na sua vida útil,

tem valores apontados na tabela 3. A ENE/UnB, em seu Laboratório de Fontes

Alternativas, indica que apenas 50% da energia gerada no painel é

efetivamente usada na residência. Os outros 50% se perdem nas baterias, no

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inversor, e a própria dificuldade em se aproveitar a total insolação disponível

durante o dia.

A Tabela 3 traz informações sobre este sistema de 1,98 kWPICO, durante

uma insolação média anual de 4,45kWh/m2 , juntamente com o aproveitamento

médio de 50% medido experimentalmente, gera por dia:

Tabela 3. Custo do sistema fotovoltaico durante 30 anos

Qual a relação de custos entre o uso de energia elétrica de fonte

hidráulica e a energia elétrica a partir de painéis de células solares?

Anexo D – Recurso de Ensino 2a

Nessa pesquisa os alunos deverão procurar sobre a fonte de energia de

seu grupo os seguintes tópicos:

Em quais tipos de energia podem ser transformadas;

Qual o rendimento dessa fonte de energia;

Quais países utilizam essa fonte de energia;

Anexo E – Recurso de Ensino 2b

Ao término da aula expositiva sobre transformação e conservação de

energia o professor deve iniciar outra discussão com os alunos com o tema:

“Por que economizar energia se a mesma se conserva?”. Sugerimos ao

professor que siga o seguinte roteiro:

Deixar por alguns minutos os alunos discutirem a pergunta e ir

anotando na lousa as hipóteses dos alunos;

Depois disso, excluir as hipóteses erradas levantadas pelos

alunos explicando o motivo pelo qual elas estão incorretas;

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Baseado nas hipóteses corretas, colocar perguntas que

conduzam aos alunos a resposta correta da pergunta;

Caso os alunos não consigam chegar à resposta correta, o

professor deve expor aos alunos um exemplo em que a energia de um sistema

tenha se conservado, mas seu rendimento, com o passar do tempo, tenha

diminuído.

Anexo F – Recurso de Ensino 3a

A Construção de uma Célula Fotoelétrica

Para prepararmos a nossa célula fotoelétrica, vamos nos utilizar dos

seguintes passos:

1. Preparação do eletrodo negativo

2. Preparação do eletrodo positivo

3. Colocação da solução colorida no eletrodo negativo

4. Montagem da célula fotoelétrica

A descrição da preparação da célula tem como pressuposto que a

pasta/solução de TiO2 e a solução do corante (chá) já se encontra prontas a

utilizar.

Passo 1:

Figura 1: Colocação da pasta de TiO2 na lâmina de vidro.

a) Limpar as lâminas de vidro sem a camada de TiO2 (transparente) com

água e uma escova e depois secar com um pano ou um secador.

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b) Todas as lâminas têm um lado que é coberto por uma camada

condutora de SnO2. O lado condutor da lâmina pode ser determinado através

da medida da resistência elétrica com o multímetro.

c) Coloque na mesa a lâmina com a superfície condutora para cima e

fixe-o com fita adesiva.

d) Coloque na superfície descoberta da lâmina a solução/pasta de TiO2.

e) Seque com um secador a solução de TiO2 até que a restante

umidade tenha evaporado. A distância entre o secador e a lâmina deve ser

cerca de 10 cm.

f) Retire a fita adesiva da lâmina com cuidado e sem tocar no TiO2.

g) Coloque a lâmina num forno, para “cozer” o filme de TiO2. A

temperatura deve ser entre os 450ºC e 550ºC. O tempo de recozimento é de

cerca 10 minutos.

Passo 2:

a) Limpar uma outra lâmina de vidro com a camada condutora e

transparente com água e uma escova e depois seque com um pano ou um

secador.

b) Determine o lado condutor da lâmina com o multímetro (medir a

resistência).

c) Coloque na superfície condutora da lâmina de vidro uma camada de

grafite com o lápis. A superfície do vidro deverá ficar escurecida.

Figura 2: preparação do eletrodo positivo com uma camada de grafite.

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Passo 3:

Figura 3: Colocação do corante.

a) Depois de o eletrodo negativo estar frio, é necessário “pintá-lo” com a

solução colorida (chá) anteriormente preparada.

b) Coloque o eletrodo na solução colorida de forma a cobri-lo

completamente.

c) Depois de 5 minutos retire o eletrodo da solução. Ele deve ficar com

uma cor vermelho/violeta.

d) Limpe com muito cuidado o eletrodo da solução colorida que se

encontra nos bordos da lâmina.

e) Seque-o com um secador. Ele estará seco, quando a intensidade da

cor ficar mais fraca.

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Passo 4:

Figura 4: Montagem final da célula.

Figura 5: Ativar a célula.

a) Junte os dois eletrodos como indicado na figura 4, utilizando um clip.

A camada de TiO2 ativada com o corante tem que estar em contacto com a

camada de grafite. Para mais tarde ligar os cabos elétricos à célula fotovoltaica,

é necessário montar os eletrodos desfasados.

b) Para “ativar” a célula fotovoltaica, coloque uma gota de eletrólito na

célula fotovoltaica (figura 5).

c) Para observar o funcionamento da célula, ligue a célula ao multímetro

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e meça a corrente eléctrica. Vai observar que a tensão vai aumentar

lentamente. Para esta configuração deverá medir uma tensão em circuito

aberto de cerca 0,3V.

Texto adaptado de: Fazer uma célula fotovoltaica, de Manuel Azevedo e

António Cunha, do Departamento de Física Universidade de Aveiro, Portugal.